盡管古代波斯的陶瓷工人很早便在黏土中添加鋁以便強(qiáng)化陶器， 但人類卻并沒(méi)有因此而馴化金屬鋁。實(shí)際上，一直到1825年，人類才發(fā)現(xiàn)純鋁。那個(gè)時(shí)候人們已經(jīng)能熟練掌握使用多種金屬以及他們的合金來(lái)為日常的工作和生活服務(wù)。但即便是發(fā)現(xiàn)了單質(zhì)元素鋁之后的兩年，金屬鋁還只是一個(gè)默默無(wú)聞的小角色。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的化學(xué)家一次只能而分離出幾毫克的單質(zhì)鋁，這使得它非常珍惜，以至于它的價(jià)值在當(dāng)時(shí)要遠(yuǎn)高于金銀。1884年全美國(guó)鋁的總產(chǎn)量只有57公斤，這就不難理解為什么當(dāng)時(shí)華盛頓紀(jì)念碑頂端上面的金字塔用的是鋁而不是黃金。

華盛頓紀(jì)念碑塔尖

不過(guò)這種尷尬的局面并沒(méi)有維持多久 1886年美國(guó)人Charles Martin Hall和法國(guó)人Paul LT Heroult通力協(xié)作，設(shè)計(jì)了一種從氧化鋁提取鋁的方法，這便是我們后來(lái)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(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)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(shí)至今日，鋁在我們的生活中無(wú)處不在。 美國(guó)每年生產(chǎn)超過(guò)560萬(wàn)噸的鋁，僅鋁制易拉罐，每天就要生產(chǎn)3億枚。

Charles Martin Hall

現(xiàn)在讓給我們仔細(xì)研究一下鋁的特性

鋁的用途

首先我們先以一個(gè)化學(xué)家的視角來(lái)看一下這種元素。與元素周期表上的其他數(shù)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(zhì)，也就是說(shuō)它無(wú)法再分解為更加簡(jiǎn)單的物質(zhì)了。按照原子序數(shù)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(xí)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?xì)w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(dǎo)熱效率格外突出，因此我們看到很多用鋁制作的炊具。當(dāng)然除此之外，鋁還有兩個(gè)特性使得它變得無(wú)法替代。一個(gè)是耐腐蝕性，鋁與氧氣反應(yīng)時(shí)，會(huì)在金屬外部形成一層氧化鋁，這層氧化物可以保護(hù)內(nèi)部的鋁免受氧氣、水還有其他化學(xué)物質(zhì)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(shí)也不會(huì)產(chǎn)生火花，這意味著鋁可以在易燃易爆的環(huán)境附近使用。

鋁在自然環(huán)境中并不以單質(zhì)元素出現(xiàn)。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(chǔ)元素中，也只有硅和氧比鋁更為常見(jiàn)，鐵、鎂、鈦、錳這些金屬元素的儲(chǔ)量都要排在鋁的后面。

生活中鋁的主要來(lái)源是一種稱為鋁土礦的礦石，這種礦產(chǎn)通常位于大地球表面附近的平坦層，可以綿延數(shù)英里。法國(guó)是世界上第一個(gè)大規(guī)模開(kāi)采鋁土礦的國(guó)家。到了二戰(zhàn)前后，美國(guó)變成了鋁土礦的主要供應(yīng)地。到了21世紀(jì)之后，世界的鋁原礦主要來(lái)源于澳大利亞、非洲、南美洲和加勒比地區(qū)。

鋁土礦

當(dāng)然只開(kāi)采出鋁土礦還不足以獲得人們的需求。鋁的商業(yè)化生產(chǎn)第一步是要從鋁土礦中分離出氧化鋁，這項(xiàng)技術(shù)在1888年由奧地利化學(xué)家Karl Joseph發(fā)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(gè)過(guò)程中氫氧化鈉會(huì)溶解礦石中的氧化鋁，形成鋁酸鈉，而礦石中無(wú)用的氧化鐵在這個(gè)過(guò)程中會(huì)保持固體并隨著過(guò)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(chǎn)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(zhuǎn)化為純鋁的過(guò)程，是近代工業(yè)革命的一項(xiàng)重要的里程碑。在現(xiàn)代冶煉技術(shù)發(fā)展之前，人們只能依賴于用活潑金屬來(lái)置換少量的鋁，這種方法成本高昂并且反應(yīng)過(guò)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(lái)分解化學(xué)物質(zhì)使之由化合物變成單質(zhì)。基礎(chǔ)原理是將兩個(gè)金屬電極浸入含有正離子混合負(fù)離子的材料液體中，當(dāng)連通電源時(shí)一個(gè)電極變成正極端子也就是陽(yáng)極，另一個(gè)電極變成負(fù)極端子也就是陰極。他們會(huì)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(fù)電的離子，負(fù)極吸引帶正電的離子。

1886年經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)，美國(guó)人查爾斯馬丁霍爾將直流電通過(guò)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(zhì)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(diǎn)。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(yáng)極浸入電解液中，讓電流通過(guò)熔融的材料，這時(shí)在陰極處電解將鋁離子還原為鋁金屬 在陽(yáng)極碳被氧化形成二氧化碳?xì)怏w，最后熔化的鋁金屬沉入缸底，并通過(guò)底部的塞子定期排出。現(xiàn)如今人們依然沿用這個(gè)方法來(lái)獲得純鋁。一個(gè)工廠可能包含數(shù)百個(gè)電解槽，每個(gè)電解槽每天可以生產(chǎn)兩噸以上的鋁，人工獲得純鋁變得極為簡(jiǎn)單易行。

鋁具有多功能性，適用于各個(gè)行業(yè)，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(jí)產(chǎn)量就已經(jīng)達(dá)到了2480萬(wàn)噸，用途主要包括，飛機(jī)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(shù)曾經(jīng)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(gè)回收過(guò)程中幾乎沒(méi)有什么損耗。大多數(shù)的回收鋁主要來(lái)自用過(guò)的易拉罐、舊汽車零件和鋁制品制造過(guò)程中收集的廢料。第一個(gè)回收的易拉罐罐始于1968年，現(xiàn)如今每年有數(shù)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(yīng)用

鋁的初級(jí)生產(chǎn)需要巨大的能源，同時(shí)它還產(chǎn)生影響全球變暖的溫室氣體。根據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，制造新的鋁庫(kù)存會(huì)釋放大約1%的溫室氣體，目前人們通過(guò)減少生產(chǎn)提高回收來(lái)降低溫室氣體的排放。鋁的另一個(gè)新應(yīng)用是作為氫燃料電池的催化劑，將鋁混合到液態(tài)鎵中弄個(gè)以生產(chǎn)液態(tài)鋁鎵，加水時(shí)鋁與氧氣反應(yīng)形成凝膠，反應(yīng)過(guò)程中可以高效的生產(chǎn)氫氣，為燃料電池供電。

諸如此類的創(chuàng)新將增加人們對(duì)鋁的需求，盡管鋁的應(yīng)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(shí)代，青銅時(shí)代，鐵器時(shí)代之后。