你真的了解鋁嗎？細說金屬鋁的由來

盡管古代波斯的陶瓷工人很早便在黏土中添加鋁以便強化陶器， 但人類卻并沒有因此而馴化金屬鋁。實際上，一直到1825年，人類才發現純鋁。那個時候人們已經能熟練掌握使用多種金屬以及他們的合金來為日常的工作和生活服務。但即便是發現了單質元素鋁之后的兩年，金屬鋁還只是一個默默無聞的小角色。因為當時的化學家一次只能而分離出幾毫克的單質鋁，這使得它非常珍惜，以至于它的價值在當時要遠高于金銀。1884年全美國鋁的總產量只有57公斤，這就不難理解為什么當時華盛頓紀念碑頂端上面的金字塔用的是鋁而不是黃金。

華盛頓紀念碑塔尖

不過這種尷尬的局面并沒有維持多久 1886年美國人Charles Martin Hall和法國人Paul LT Heroult通力協作，設計了一種從氧化鋁提取鋁的方法，這便是我們后來所熟知的電解還原鋁法。雖然這一方法極其耗電，但人們卻因此獲得了大量的純鋁。到了1891年，鋁的產量已經超過了300噸，由鋁作為原料而加工的生活用品，從鍋碗瓢盆一直延伸到汽車摩托車。時至今日，鋁在我們的生活中無處不在。 美國每年生產超過560萬噸的鋁，僅鋁制易拉罐，每天就要生產3億枚。

Charles Martin Hall

現在讓給我們仔細研究一下鋁的特性

鋁的用途

首先我們先以一個化學家的視角來看一下這種元素。與元素周期表上的其他數十種元素一樣是天然存在的。與所有元素一樣鋁是一種單質，也就是說它無法再分解為更加簡單的物質了。按照原子序數排列鋁在元素周期表中排第13位。與鋁處于同一縱列的我們習慣將它們歸屬于同一家族，他們具有相似的特性,與鋁同一族的元素有硼、 鎵、銦、鉈，這一族中除了硼以外，其他都歸類為金屬。鋁在金屬中除了和其他金屬有相似的特性以外，它的導熱效率格外突出，因此我們看到很多用鋁制作的炊具。當然除此之外，鋁還有兩個特性使得它變得無法替代。一個是耐腐蝕性，鋁與氧氣反應時，會在金屬外部形成一層氧化鋁，這層氧化物可以保護內部的鋁免受氧氣、水還有其他化學物質的腐蝕作用，因此鋁在戶外用品變得極為可靠。另外，鋁在受撞擊時也不會產生火花，這意味著鋁可以在易燃易爆的環境附近使用。

鋁在自然環境中并不以單質元素出現。地球巖石和土壤中有270種礦物都含有鋁化合物，這使得鋁成為地殼中紅最豐富的金屬元素。 八大基礎元素中，也只有硅和氧比鋁更為常見，鐵、鎂、鈦、錳這些金屬元素的儲量都要排在鋁的后面。

生活中鋁的主要來源是一種稱為鋁土礦的礦石，這種礦產通常位于大地球表面附近的平坦層，可以綿延數英里。法國是世界上第一個大規模開采鋁土礦的國家。到了二戰前后，美國變成了鋁土礦的主要供應地。到了21世紀之后，世界的鋁原礦主要來源于澳大利亞、非洲、南美洲和加勒比地區。

鋁土礦

當然只開采出鋁土礦還不足以獲得人們的需求。鋁的商業化生產第一步是要從鋁土礦中分離出氧化鋁，這項技術在1888年由奧地利化學家Karl Joseph發明。具體做法是先讓鋁土礦與苛性鈉或者氫氧化鈉混合，并且在壓力的作用下加熱，在這個過程中氫氧化鈉會溶解礦石中的氧化鋁，形成鋁酸鈉，而礦石中無用的氧化鐵在這個過程中會保持固體并隨著過濾分離，隨后將氫氧化鋁引入液體鋁酸鈉使氧化鋁沉淀，洗滌并加熱讓析出的晶體脫水，最后產出都得白色粉末就是純的氧化鋁。

氧化鋁本身就是一種方便的材料，它的硬度使其可用作磨料和切削工具的組件。它還可用于凈化水和制造陶瓷和其他建筑材料，但它的主要用途是作為提取純鋁的原料。將氧化鋁轉化為純鋁的過程，是近代工業革命的一項重要的里程碑。在現代冶煉技術發展之前，人們只能依賴于用活潑金屬來置換少量的鋁，這種方法成本高昂并且反應過程難以控制，直到1886年電解冶煉工藝的誕生。

顧名思義電解的字面意思是用電分解，它可以用來分解化學物質使之由化合物變成單質。基礎原理是將兩個金屬電極浸入含有正離子混合負離子的材料液體中，當連通電源時一個電極變成正極端子也就是陽極，另一個電極變成負極端子也就是陰極。他們會吸引或者排斥溶解在液體張紅的帶電粒子，即正極吸引帶負電的離子，負極吸引帶正電的離子。

1886年經過幾年的實驗，美國人查爾斯馬丁霍爾將直流電通過溶解在熔融的冰晶石（氟化鋁鈉）中的氧化鋁溶液，順利得到了電解之后的單質鋁。具體步驟是先將氧化鋁在1000攝氏度下溶解在熔融的冰晶石中，這樣做主要是為了降低氧化鋁的熔點。然后將電解液放在襯有石墨的鐵桶中，電解槽作為陰極，隨后碳陽極浸入電解液中，讓電流通過熔融的材料，這時在陰極處電解將鋁離子還原為鋁金屬 在陽極碳被氧化形成二氧化碳氣體，最后熔化的鋁金屬沉入缸底，并通過底部的塞子定期排出。現如今人們依然沿用這個方法來獲得純鋁。一個工廠可能包含數百個電解槽，每個電解槽每天可以生產兩噸以上的鋁，人工獲得純鋁變得極為簡單易行。

鋁具有多功能性，適用于各個行業，目前鋁是僅次于鋼的第二大用料金屬。早在十年以前，鋁的初級產量就已經達到了2480萬噸，用途主要包括，飛機和汽車零部件、壁板、屋頂窗框和五金器材，飲料和食品罐、鋁制包裝、電源線電話線以及燈泡，抗酸劑食品添加劑， 鍋碗瓢盆、高爾夫球桿、棒球棒等等。

汽車配件

回收的易拉罐

大多數曾經制造的鋁如今仍在使用，主要原因是鋁的回收利用率非常高，整個回收過程中幾乎沒有什么損耗。大多數的回收鋁主要來自用過的易拉罐、舊汽車零件和鋁制品制造過程中收集的廢料。第一個回收的易拉罐罐始于1968年，現如今每年有數百億枚易拉罐被回收。

鋁制易拉罐

電解鋁工廠的污染以及鋁的新應用

鋁的初級生產需要巨大的能源，同時它還產生影響全球變暖的溫室氣體。根據國際鋁業協會的數據，制造新的鋁庫存會釋放大約1%的溫室氣體，目前人們通過減少生產提高回收來降低溫室氣體的排放。鋁的另一個新應用是作為氫燃料電池的催化劑，將鋁混合到液態鎵中弄個以生產液態鋁鎵，加水時鋁與氧氣反應形成凝膠，反應過程中可以高效的生產氫氣，為燃料電池供電。

諸如此類的創新將增加人們對鋁的需求，盡管鋁的應用歷史還比較短，但它是人類文明史上最重要的金屬之一位列于石器時代，青銅時代，鐵器時代之后。