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创建时间:2008-08-02

(aluminium)

元素周期表中的第3周期ⅢA族元素,一种重要的轻金属。元素符号Al,原子序数13,相对原子质量26.98154。铝在常温下为固体,银白色有光泽金属,密度2.702克/厘米3,熔点660.37℃,沸点2467℃。化合价±3。具有良好的导热性、导电性,和延展性,电离能5.986电子伏特,虽是叫活泼的金属,但在空气中其表面会形成一层致密的氧化膜,使之不能与氧、水继续作用。在高温下能与氧反应,放出大量热,用此种高反应热,铝可以从其它氧化物中置换金属(铝热法)。例如:8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+795千卡,在高温下铝也同非金属发生反应,亦可溶于酸或碱放出氢气。对水、硫化物,浓硫酸、任何浓度的醋酸,以及一切有机酸类均无作用。

简史   铝(aluminium)一词来源于古罗马语alumen(明矾)。1746年德国人波特(J.H.Pott)从明矾制得氧化铝。1807年英国人戴维(H.Davy)试图电解熔融的氧化铝制取金属铝,但没有成功。金属铝的制取最初采用化学法。1825年丹麦人奥斯忒(H.C.Oersted)把氯气通过木炭和氧化铝的高温层,制成无水氯化铝。他把所得的氯化铝蒸气冷凝在与空气隔绝的冷却容器中,然后用钾汞齐与无水氯化铝起反应制得铝汞齐。在真空下蒸馏了汞之后得到少量的金属铝。所得金属铝的颜色及光泽类似于锡。他的研究结果只在当时鲜为人知的丹麦杂志上作了报道。所以铝的发现后来误归于德国的沃勒(F.Wöhler)。1827年沃勒用钾与无水氯化铝起反应,得到金属铝粉末。1845年他用氯化铝气体通过熔融金属钾的表面,得到一些铝珠,每颗铝珠重约10~15mg,进而初步测定了铝的密度和延展性。1854年法国的德维尔(S.C.Deville)在巴黎附近建立了一座用钠置换氯化铝生产铝的小铝厂。生产出来的铝用来制造头盔、餐具和玩具,当时铝的价格接近黄金。1865年俄国的别克托夫提议用镁来置换冰晶石中的铝,这一方案为德国盖墨林根铝镁工厂所采用。

法国的德维尔和德国的本生(R.W.Bunsen)于1884年分别电解NaCl–AlCl3的熔盐制得铝。他们在电解中都采用了碳阳极。但当时还未发明发电机(发电机是1867年发明的),所以早期的电解试验不能以工业规模的方式进行。

1886年美国的霍尔(C.M.Hall)和法国的埃鲁(Paul L.T.He’roult)几乎同时而又独立地发明了冰晶石一氧化铝熔盐电解法。他们把氧化铝溶解在冰晶石溶液中电解制得铝。霍尔认为,氧化铝是炼铝的原料,然后通过试验,找到冰晶石是氧化铝的适宜熔剂;而埃鲁则反之,首先肯定了冰晶石是适宜的熔剂,然后通过试验,找到氧化铝是最佳的炼铝原料。他们二人分别在美国和法国取得专利权。1888年11月霍尔在美国匹兹堡(Pittsburgh)工厂内生产出了铝。几乎同时埃鲁在瑞士瑙豪森(Neuhausen)建厂生产出了铝。

奥地利科学家拜耳(K.J.Bayer)于1889~1892年发明了从铝土矿提取氧化铝的新方法即拜耳法并取得专利权。其原理是用苛性钠(NaOH)溶液加温溶出铝土矿中的氧化铝,得到铝酸钠溶液,此溶液与残渣(赤泥)分离后,降低温度,加入氢氧化铝作晶种,经长时间搅拌,溶液即分解析出氢氧化铝。氢氧化铝经洗净后,在1223~1473K温度下煅烧得到氧化铝成品。析出氢氧化铝后的溶液称为母液,经蒸发浓缩后循环使用。用拜耳法生产的氧化铝,质地纯净,不含结晶水,更适合作电解法炼铝的原料。

霍尔–埃鲁电解法、生产氧化铝的拜耳法以及廉价的电力,三者结合起来有力地推进了美国和欧洲的铝工业。于是在19世纪末叶,化学法便逐渐停用。化学法总共只生产了大约200t铝。

一百多年以来,出现了若干种炼铝新方法,其中包括改进的氯化铝电解法、氧化铝碳热还原法、硫化铝电解法等,但是都没有获得工业应用。惟有冰晶石一氧化铝熔盐电解法的应用经久而不衰,至今仍然是工业上惟一的炼铝方法。

中国从20世纪50年代开始建立铝冶金工业体系。根据其国内的铝矿资源特点,发展了碱石灰烧结法处理铝硅比只有3.5的纯一水硬铝石型铝土矿,Al2O3的总回收率达到90%,每吨氧化铝的碱耗量(Na2CO3)约90kg,而且在生产流程中回收了金属镓,并利用赤泥残渣生产水泥。此外,又发展了拜耳烧结联合法生产氧化铝,Al2O3的总回收率达到91%,每吨氧化铝的碱耗量降低到60kg。1990年产原铝80万t,已采用预焙阳极和自焙阳极电解槽生产,并取得良好的生产指标。吨铝的直流电耗量分别为:自焙阳极电解槽低于14600kW•h,预焙阳极电解槽低于13500kW•h。

性质   铝为面心立体结构晶体。铝以它的高导电率、高导热率和高反射率而为人所熟知。在温度50K以下,纯铝的电阻率小于极纯的铜和银。铝在1.2K以下变为超导体。铝的重要物理性质列举于表1。

 表1

 铝原子的电子构型为[Ne]3s23p1。在其外层轨道上有3个电子:3s轨道上有2个电子;3p轨道上有1个电子。3p1电子的电离能为574.5kJ/mol,3s2电子的电离能分别为1800kJ/mol和2730kJ/mol。铝在常温下的氧化态为+3价,而在高温下有稳定的一价化合物。

铝的标准电极电位为–16.7V,是一种电负性的金属,但在空气中并不发生深度氧化,只在其表面上生成一层薄而致密的氧化膜,其厚度数量级为10–5cm。铝愈纯,则此层氧化膜愈薄而且愈加致密,其抗氧化性和耐腐蚀性愈好。铝的塑性也与其纯度有关,纯度愈高,愈易进行锻压、辗、拉等加工。

铝可溶于硫酸和盐酸中,也可溶于碱液中,但不溶于浓硝酸和有机酸中。铝对氧有很大的亲和势,氧化铝的生成热为1670kJ/mol。铝热还原法正是利用铝的这种特性,可用它来还原制取钒、铬等多种金属。

氯化铝或氟化铝与铝一起加热到1273K以上的温度时,生成低价氯化铝(AlCl)或低价氟化铝(AlF)气体;冷却时歧解成铝和相应的三价卤化物,可用此法从铝合金中制取纯铝。

铝不与氢发生化学反应,但可溶解氢气,100g铝液在1273K的温度下可以溶解0.2cm3~0.4cm3氢气。

铝的分类

(1)纯铝:纯铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三类。焊接主要是工业纯铝,工业纯铝的纯度为99.7%-98.8%,其牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6等六种。

(2)铝合金:往纯铝中加入合金元素就得到了铝合金。根据铝合金的加工工艺特性,可将它们分作形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金塑性好,适宜于压力加工。

形变铝合金按照其性能特点和用途可分为防锈铝(LF)、硬铝(LY)、超硬超(LC)和锻铝(LD)四种。铸造铝合金按加入主要合金元素的不同,分为铝硅系(Al-Si)、铝铜系(Al-Cu)、铝镁系(Al-Mg)和铝锌系(Al-Zn)四种。

合金

铝易于和多种金属构成合金。一些铝合金具有很好的机械强度与重量比率。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金含有少量的铜、镁、锌、硅或锰,当合金徐缓冷却时,由于固溶体分解而提高了机械强度。铸造铝合金最具代表性的是硅铝明(含Si12%~13%的铝硅合金)。与其他铸造合金相比,硅铝明成分位于共晶成分附近,有良好的铸造性能和耐磨性,热胀系数小,是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。在全部铝合金中,变形铝合金约占80%,铸造铝合金约占20%。

纯的铝很软,强度不大,有着良好的延展性,可拉成细丝和轧成箔片,大量用于制造电线、电缆、无线电工业以及包装业。它的导电能力约为铜的三分之二,但由于其密度仅为铜的三分之一,因而,将等质量和等长度的铝线和铜线相比,铝的导电能力约为铜的二倍,且价格较铜低,所以,野外高压线多由铝做成,节约了大量成本,缓解了铜材的紧张。

铝的导热能力比铁大三倍,工业上常用铝制造各种热交换器、散热材料等,家庭使用的许多炊具也由铝制成。与铁相比,它还不易锈蚀,延长了使用寿命。铝粉具有银白色的光泽,常和其它物质混合用作涂料,刷在铁制品的表面,保护铁制品免遭腐蚀,而且美观。由于铝在氧气中燃烧时能发出耀眼的白光并放出大量的热,又常被用来制造一些爆炸混合物,如铵铝炸药等。

冶金工业中,常用铝热剂来熔炼难熔金属。如铝粉和氧化铁粉混合,引发后即发生剧烈反应,交通上常用此来焊接钢轨;炼钢工业中铝常用作脱氧剂;光洁的铝板具有良好的光反射性能,可用来制造高质量的反射镜、聚光碗等。铝还具有良好的吸音性能,根据这一特点,-些广播室,现代化大建筑内的天花板等有的采用了铝。纯的铝较软,1906年,德国冶金学家维尔姆在铝中加入少量镁、铜,制得了坚韧的铝合金,后来,这一专利为德国杜拉公司收买,所以铝又有“杜拉铝”之称,在以后几十年的发展过程中,人们根据不同的需要,研制出了许多铝合金,在许多领域起着非常重要的作用。

在某些金属中加入少量铝,便可大大改善其性能。如青铜铝(含铝4%~15%),该合金具有高强度的耐蚀性,硬度与低碳钢接近,且有着不易变暗的金属光泽,常用于珠宝饰物和建筑工业中,制造机器的零件和工具,用于酸洗设备和其它与稀硫酸、盐酸和氢氟酸接触的设备;制作电焊机电刷和夹柄;重型齿轮和蜗轮,金属成型模、机床导轨、不发生火花的工具、无磁性链条、压力容器、热交换器、压缩机叶片、船舶螺旋桨和锚等。在铝中加入镁,便制得铝镁合金,其硬度比纯的镁和铝都大许多,而且保留了其质轻的特点,常用于制造飞机的机身,火箭的箭体;制造门窗、美化居室环境;制造船舶。

渗铝,是钢铁化学热处理方法的一种,使普通碳钢或铸铁表面上形成耐高温的氧化铝膜以保护内部的铁。铝是一种十分重要的金属,然而,许多含铝化会物对人类的作用也是非常重大的。

含铝化合物

铝在地壳中的含量相高,仅次于硅和氧而居第三位,主要以铝硅酸盐矿石存在,还有铝土矿和冰晶石.氧化铝为一种白色无定形粉末,它有多种变体,其中最为人们所熟悉的是α-Al2O3和β-Al2O3。自然界存在的刚玉即属于α-Al2O3,它的硬度仅次于金刚石,熔点高、耐酸碱,常用来制作一些轴承,制造磨料、耐火材料。如刚玉坩埚,可耐1800℃的高温。刚玉由于含有不同的杂质而有多种颜色。例如含微量Cr(III)的呈红色,称为红宝石;含有Fe(II),Fe(III)或Ti(IV)的称为蓝宝石。

β-Al2O3是一种多孔的物质,每克内表面积可高达数百平方米,有很高的活性,又名活性氧化铝,能吸附水蒸气等许多气体、液体分子,常用作吸附剂、催化剂载体和干燥剂等,工业上冶炼铝也以此作为原料。

氢氧化铝可用来制备铝盐、吸附剂、媒染剂和离子交换剂,也可用作瓷釉、耐火材料、防火布等原料,其凝胶液和千凝胶在医药上用作酸药,有中和胃酸和治疗溃疡的作用,用于治疗胃和十二脂肠溃疡病以及胃酸过多症。

偏铝酸钠常用于印染织物,生产湖蓝色染料,制造毛玻腐、肥皂、硬化建筑石块。此外它还是一种较好的软水剂、造纸的填料、水的净化剂,人造丝的去光剂等。

无水氯化铝是石油工业和有机合成中常用的催化剂;例如:芳烃的烷基化反应,也称为傅列德尔—克拉夫茨烷基化反应,在无水三氯化铝催化下,芳烃与卤代烃(或烯烃和醇)发生亲电取代反应,生成芳烃的烷基取代物。六水合氯化铝可用于制备除臭剂、安全消毒剂及石油精炼等。

溴化铝是常用的有机合成和异构化的催化剂。

磷化铝遇潮湿或酸放出剧毒的磷化氢气体,可毒死害虫,农业上用于谷仓杀虫的熏蒸剂。

硫酸铝常用作造纸的填料、媒染剂、净水剂和灭火剂,油脂澄清剂,石油脱臭除色剂,并用于制造沉淀色料、防火布和药物等。

冰晶石即六氟合铝酸钠,在农业上常用作杀虫剂;硅酸盐工业中用于制造玻璃和搪瓷的乳白剂。

由明矾石经加热萃取而制得的明矾是一种重要的净水剂、染媒剂,医药上用作收敛剂。硝酸铝可用来鞣革和制白热电灯丝,也可用作媒染剂;硅酸铝常用于制玻璃、陶瓷、油漆的颜料以及油漆、橡胶和塑料的填料等,硅铝凝胶具有吸湿性,常被用作石油催化裂化或其他有机合成的催化剂载体。

在铝的羧酸盐中;二甲酸铝、三甲酸铝常用作媒染剂,防水剂和杀菌剂等;二乙酸铝除可作媒染剂外,还被用作收剑剂和消毒剂,也用于尸体防腐液中;三乙酸铝用于制造防水防火织物、色淀;药物(含漱药、收敛药、防腐药等),并用作媒染剂等;十八酸铝(硬脂酸铝)常用于油漆的防沉淀剂、织物防水剂、润滑油的增厚剂、工具的防锈油剂、聚氯乙烯塑料的耐热稳定剂等;油酸铝除用作织物等的防水剂、润滑油的增厚剂外,还用于油漆的催干剂、塑料制品的润滑剂等。

硫糖铝又名胃溃宁,学名蔗糖硫酸酯碱式铝盐,它能和胃蛋白酶络合,直接抑制蛋白分解活性,作用较持久,并能形成一种保护膜,对胃粘膜有较强的保护作用和制酸作用,帮助粘膜再生,促进溃疡愈合,毒性低,是口种良好的胃肠道溃疡治疗剂。

近些年,人们又开发了一些新的含铝化合物,如烷基铝等,随着科学的发展,人们将会更好地利用铝及化合物福人类。

用途   铝的优异性能包括密度小、导电性和耐腐蚀性好以及具有很大的塑性。铝的导电能力虽然只有铜的65%,但铝的密度只有铜的三分之一。按照同等导电能力计算,用铝量只有铜量的46%,所以用铝作导电线材更加经济。

高纯铝的耐腐蚀能力很好,广泛用于化工机械和日用仪表的制造。又因铝无毒性,常用于制作食品和饮料的包装容器以及烹饪用具。

铝合金广泛用于航空工业、汽车工业、运输机械制造工业以及工业建筑和民用建筑。

美国的铝和铝合金主要有三方面用途。(1)容器和包装业:其中主要用于制造啤酒罐和饮料罐,这种用途以重量轻以及有很高的回收率为其特色。(2)建筑业:色彩鲜艳的阳极氧化着色铝材是一种重要的建筑材料。(3)运输业:铝合金经热处理之后,都有较大的机械强度和韧性,用于制造民用和军用飞机;铝在汽车上应用可使车身重量减轻,从而可以增大装载量,并节省汽油。

资源   铝在自然界中分布极广,铝的地壳丰度为8.3%,仅次于氧和硅,居第三位;海水含铝1×10–6%。铝的化学性质十分活泼,很少发现自然界中以元素状态存在的铝。但据新近报道,前苏联科学家在调查西伯利亚和乌拉尔石英矿脉时发现了微量的天然铝。中国科学家也在本国的石英矿脉中发现了天然铝。已知的含铝矿物有250多种,其中最常见的是铝硅酸盐族。

冶金   铝冶金原料有铝土矿,霞石和明矾石,铝冶金过程包括氧化铝生产、铝电解、铝精炼、铝基母合金生产。回收废铝进行的铝再生亦为铝冶金的重要组成部分。

 现状   1996年全世界的铝土矿产量约为1.4亿t,氧化铝产量约5000万t,其中有8%用来生产耐火材料、陶瓷、研磨料、催化剂载体、阻燃剂及填料,其余均用于铝电解。同年全世界共有42个产铝国家,年产原铝大约2400万t,普遍采用冰晶石一氧化铝融盐电解法。主要生产国为美国、前苏联、加拿大等国。中国自1937年开始生产铝,1996年铝的年产量已超过180万t。

电解槽是铝电解的主体设备。按所用阳极型式,可分为不连续式预焙阳极、连续式预焙阳极、上插棒式自焙阳极和侧插棒式自焙阳极四种型式电解槽。自从冰晶石一氧化铝熔盐电解法发明以来,铝电解的生产技术在这一百余年中有了重大的发展,这主要表现在电解槽的容量持续增加亦即生产能力持续增长及电能消耗率降低两个方面。在铝工业初期,曾采用4000~8000A小型预焙阳极电解槽,其每昼夜的铝产量为20~40kg,每公斤铝的电耗率为42kW•h。现代大型电解槽的电流强度达到180000~300000A,其每昼夜的铝产量为1300~2200kg,而每公斤铝的电耗率降低到13.2~14.0kW•h。这段时期在提高铝电解槽生产能力和降低电耗率方面之所以取得如此重大的进展,显然与整流设备的更新、电极的改进、生产操作(特别是加料技术)的完善以及生产设备的机械化和自动化程度的提高密切相关。

铝的冶金产品有原铝、精铝和高纯铝三种。由冰晶石一氧化铝熔盐电解法生产出来的铝称为原铝,其纯度一般为99.5%~99.8%。精铝是用铝三层液电解精炼法或凝固提纯法生产的,纯度为99.99%。高纯铝则是用多次区域熔炼法提纯得到的,纯度为99.999%。

需要解决的重大课题   节能、环境保护和综合利用,无论是现在还是将来,都是铝冶金工业需要解决好的重大问题。

(1)节能。铝冶金工业是个能耗大户,炼铝的能耗与所用的原料和生产方法有关。拜耳法生产氧化铝的能耗较低,从铝土矿开采到铝锭铸造,每吨铝一般消耗电能15600kw•h,消耗热能62GJ,生产1吨原铝的能量消耗见表2。电能主要消耗于铝电解,占96.5%。热能则主要消耗于氧化铝生产,占50%。

 表2 生产1吨原铝的能量消耗

从表2看出,铝冶金工业的能耗很大部分消耗在铝电解上,因此铝冶金工业的节能应主要从降低铝电解电耗着手。铝电解中的节电,既要着眼于降低现有铝电解槽的槽电压和提高电流效率,又要研制新型的节电电解槽。采用惰性阳极、惰性阴极和惰性侧壁材料,或者建造采用双极性电极的多室新型电解槽,与低温电解质相配合,能大幅度地节电。

此外,合理回收利用废铝,用再生铝配制铝合金,也是节能的一个有力措施。现在全世界每年从废铝回收的铝量约500万t,相当于原铝产量的25%左右。由于铝的熔点低,热焓值小,废铝再熔所需的能量只有从矿石冶炼原铝的5%,而且原料和设备投资费也较省。事实上,铝及铝合金废杂物的再生已日益受到重视。

(2)环境保护与综合利用。在金属铝生产中,存在三方面的环境保护和综合利用问题,即氧化铝生产中的赤泥堆置与利用,铝电解槽含氟烟气和粉尘的处理与利用,以及铝电解槽废旧阴极内衬材料的堆置与利用。这些物料如能加以利用,则可化废为宝,一举两得;否则,会污染环境,造成公害。

赤泥含有碱、氧化铁、氧化硅和氧化钛,如不加以利用会污染农田和水质,并侵占土地。赤泥现只用于生产水泥,用途不多,需待开发新的应用领域。

电解槽烟气含有氟化氢(HF)和单冰晶石(NaAlF4)气体,以及冰晶石和氧化铝粉尘等有价组分,需要捕集回收利用。通常采用干法即用γ–Al2O3作捕收剂的方法捕集回收,回收到的这些有价组分用作电解原料。干法只适用于处理预焙阳极电解槽烟气。自焙阳极电解槽烟气由于含有焦油而不能用干法处理;早先用过的湿法用水或碱液对烟气进行喷淋洗涤则需解决水的处理问题。

电解槽的废旧炭素内衬约含有70%碳和30%电解质,已有少数电解铝厂,例如美国的铝厂把烟气湿法净化与废旧内衬材料湿式溶浸两流程结合起来,收回了有价的冰晶石组分。

“铝”的危害

铝的不当使用也会产生一些副作用。有资料报道:铝盐可能导致人的记忆力丧失。澳大利亚一个私营研究团体说:广泛使用铝盐净化水可能导致脑损伤,造成严重的记忆力丧失,这是早老性痴呆症特有的症状。研究人员对老鼠的实验表明,混在饮水中的微量铝进入老鼠的脑中并在那里逐渐积累,给它们喝一杯经铝盐处理过的水后,它们脑中的含铝量就达到可测量的水平。

世界卫生组织提出人体每天的摄铝量不应超过每千克体重1毫克,一般情况下,一个人每天摄取的铝量绝不会超过这个量,但是,经常喝铝盐净化过的水,吃含铝盐的食物,如油条、粉丝、凉粉、油饼、易位罐装的软饮料等,或是经常食用铝制炊具炒出的饭菜,都会使人的摄铝量增加,从而影响脑细胞功能,导致记忆力下降,思维能力迟钝。

铝及其化合物对人类的危害与其贡献相比是无法相提并论的,只要人们切实注意,扬长避短,它对人类社会将发挥出更为重要的作用。

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