浅议有色轻金属铝

　　摘 要：介绍铝的存在与发现，铝的冶炼历史及冶炼方法，重点介绍了电解法中电解冰晶石-氧化铝熔融体的原理，阐述了铝的性质并分类介绍了铝在国民经济各行业和日常生活中的用途。
　　关键词：发现 冶炼 应用
　　中图分类号：O614文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（a）-0074-01
　　1 铝的发现
　　铝是地壳中储量居第三位的元素（约为8%），在各种金属元素中铝居首位，但自然界未发现游离状态的金属铝。1825年丹麦人奥斯特（H.C.Oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝，第一次得到几毫克金属铝，指出它具有与锡相同的颜色和光泽。1827年德国沃勒（F.W.hler）用钾还原无水氯化铝得到少量铝粉末。1854年法国戴维尔（S.C.Deville）用钠代替钾还原NaAlCl4络合盐，制得金属铝；同年建厂，生产出一些铝制头盔、餐具和玩具。当时铝的价格接近黄金。1886年美国霍尔（C.M.Hall）和法国埃鲁特（P.L.T.Héroult）几乎同时分别获得用冰晶石-氧化铝熔盐电解法制取金属铝的专利。1888年在美国匹兹堡建立世界上第一家电解铝厂，铝的生产从此进入新的阶段。铝的身价一落千丈。1956年世界铝产量开始超过铜而居有色金属的首位，成为产量仅次于钢铁的金属。
　　2 铝的冶炼
　　2.1 化学法
　　铝的工业化生产开始于1855年，当时法国人戴维尔用钠代替钾还原氯化铝（AlCl3）或氯化钠和氯化铝的熔盐（NaAlCl4络合盐）制得铝
　　3Na+AlCl3（熔融）==== 3NaCl+Al
　　3Na+NaAlCl4（熔融）==== 4NaCl+Al
　　1825年丹麦科学家奥斯特（H.c.oersted）用钾汞齐还原无水氯化铝制得含杂质较多的几毫克铝。1827年德国科学家沃勒（F.wohler）离析得较纯的铝，并描述了它的很多性质。然而这个金属一直不过是实验室中的一种古董，到1854年德维尔（S.C.Deville）用钠作还原剂，还原NaAlCl4才制得可以用克计的较纯的铝，当时的价格比黄金还贵，拿破伦孙子的一只拨浪鼓与奖给门捷列夫的奖杯就是用铝制的。
　　2.2 电解法
　　1854年德国人本森（R.Bunsen）用电解NaCl-AlCl3络合盐即NaAlCl4熔盐制得了金属铝。1886年美国霍尔（C.M.Hall）和法国埃鲁特（P.L.T.Héroult）都在当年通过实验申请了冰晶石-氧化铝熔盐电解法的专利，这就是霍尔-埃鲁特法。这一方法的要点仍是近代铝电解工业的基础[1]。
　　铝是负电性很强的元素，不能在含H+离子的介质中，例如水溶液中电解沉积出来，因为按电化序，电解时H2比Al优先析出而不能得到Al。若以Al2O3为炼铝的原料，其熔点很高（2050℃），欲采用直接熔化提炼铝，困难很大。但是，固体Al2O3可以部分地溶解在熔点较低的冰晶石熔融液中，形成均匀熔体，并且此熔体具有良好的导电性以利于节能，熔融的冰晶石具有比Al小的密度，这样电解质可以浮在熔融Al的上部，保护Al不遭氧化，这就使得铝的电解冶炼能在低于Al2O3熔点较多的条件下得以实现。值得一提是Al2O3在冰晶石中的溶解不是简单的物理溶解而是形成了络合物。因当冰晶石熔体中加入氧化铝后密度变小，而已知氧化铝密度却比冰晶石大得多，这说明了氧化铝跟冰晶石发生了化学反应，生成了新的体积庞大的配合离子，使熔液的密度减小、熔点降低[2]。
　　当采用活性阳极（碳阳极）电解时其电极反应过程为：
　　100多年来，铝电解质一直是以冰晶石为主体，虽然经过许多试验，试图用其他盐类来取代，但都未获得成功。至今，人们尚未找到一种性能更优于冰晶石的电解质主体成分。因为只有熔融冰晶石对Al2O3才有较大的溶解度（大于10%），其他熔盐不能溶解Al2O3或溶解度很小，且冰晶石不吸水，不易潮解，易于存放，以及不易于分解、升华等。尽管如此，但许多研究者将他们的兴趣转向室温或接近室温的铝生产方法的研究。AlCl3-NaCl熔盐体系有许多优良的性质，低的蒸汽压，相对高的电导率和较大的电化学电势窗口。这些优良的性质有利于AlCl3-NaCl熔盐体系作为新法炼铝的电解质。铝在该熔融盐体系中的电沉积是这一研究领域里的重要课题[3]。
　　3 铝的性质和用途
　　3.1 铝的性质
　　铝是银白色的金属，纯铝质地柔软，有良好的可塑性的和延展性，是电和热的优良导体，具有面心立方晶格；熔点为660.37℃，沸点为2467℃，密度为2.6989g/cm3（20℃）；价态为+3。由于金属铝的外表面为一层极为致密的氧化膜（氧化铝）所保护，因此它不易被酸腐蚀，但能被碱所溶解。
　　3.2 铝的应用
　　3.2.1 运输领域
　　在航空航天方面，如果没有铝就不可能有民用航空工业的发展。商用飞机重量的80%为铝，波音747用铝7.5t，航天飞机结构中有90%是铝合金。道路运输，铝合金的强度很高，还有吸收动能的功能，并且不生锈，用1t铝代1t钢铁，在汽车的生命周期当中，每辆车可减少排放CO220t；国际上大约90%的轻型卡车和长途巴士都有着铝合金的车身。在运输上，每车可以减重1800kg，因此可以装载更多的客货。轨道和海运，国际知名的加拿大LRC快车、法国TGV高速列车以及日本700系列新干线列车，旅客车厢都由铝合金做成。最现代的地铁车厢和大多数冷藏车厢都由铝合金制成，航速为35～50节的高速渡船也由铝合金制成，采用铝合金已成为短途海运革命性的举措。
　　3.2.2 建筑领域
　　由于铝在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观，使铝在建筑业上被越来越多地广泛应用，特别是在铝合金门窗、铝塑管、装饰板、铝板幕墙等方面的应用，新房屋建筑愈来愈多地采用了铝合金产品，铝的抗腐蚀性意味着它的维修频率低，它具有质量轻和强度高的特点，使它成为地震区和超高层楼房的首选材料。铝和太阳能装置的配合成为居家的新型节能材料，还能保护环境，因而日益得到重视。此外，铝的建筑部件都能够回收再生使用。
　　3.2.3 饮食领域
　　全球约有一半的饮食用具用铝做成，烹调的热效高达93%，而不锈钢和铸铁仅及铝的1/3。日常生活所用的锅、盘、匙等大多由铝制成。
　　此外在电力输送方面，铝的用量居首位，90%的高压电导线是用铝制作的；在医药上用作酸药，有中和胃酸和治疗溃疡的作用等。
　　参考文献
　　[1]刘业翔，李劼，等.现代铝电解[M].北京：冶金工业出版社，2008.
　　[2]李继东，张明杰，等.Na3AlF6-Al2O3二元系熔度与熔盐结构[J].材料与冶金学报，2007，6（4）.
　　[3]阚洪敏，邱竹贤，张刚.低温铝电解[M].沈阳：东北大学出版社，200