铝是如何工作的

就像元素周期表上的其他元素一样，铝是自然存在的。和所有元素一样，铝是一种纯化学物质，不能被分解成更简单的物质。在元素周期表中，所有的元素都是按它们各自的位置排列的原子序数——原子核中的质子数。铝的幸运数字是13，所以铝原子有13个质子。它也有13个电子。

元素周期表上铝的上面和下面的元素构成a的家庭,或集团，它们具有相似的性质。铝属13族，还包括硼(B)、镓(Ga)、铟(In)和铊(Tl)。右边的表格显示了这些元素在元素周期表上的排列方式。请注意，每个元素都用一个符号表示，而铝的符号是艾尔．每个符号上面的数字是元素的原子量,以原子质量单位（阿姆河)．原子质量是一种元素的平均质量，由考虑到每个天然同位素的贡献而确定。铝的原子量是26.98阿姆u。铝符号下面的数字是它的原子序数。

化学家们把第13组元素归类为金属，除了硼，硼不是完全的金属。金属通常是发光的元素，导热和电好。他们也可塑的——可以被锤打成各种形状——还有韧性——能够被拉成线。这些特性当然适用于铝。事实上，铝经常用于炊具，因为它传导热量非常有效。而且只有铜的导电性更好，这使得铝成为理想的电气材料，包括灯泡，输电线及电话电线。铝的其他重要性能如下:

• 熔点:660℃(933 K;1220华氏度)
• 沸点:2,519℃(2,792 K;4566华氏度)
• 密度:2.7克/厘米^3.
• 高反射率
• 无磁性的
• 无火花
• 抗腐蚀

这最后两种特性使铝特别有用。它的耐腐蚀性是由于金属和氧之间发生的化学反应。当铝与氧反应时，金属表面会形成一层氧化铝。这一薄层保护下层的铝免受氧气的腐蚀，水和其他化学物质。因此，铝在户外使用时尤其有价值。当它被击中时也不会产生火花，这意味着你可以在易燃易爆材料附近使用它。

铝在自然界中以各种化合物的形式存在。为了利用它的特性，它必须从与它结合的其他元素中分离出来——这是一个漫长而复杂的过程，始于一种被称为岩石般坚硬的材料铝土矿．

经过这个过程后，纯铝变得非常柔软，重量也很轻。有时，改变这些特性是可取的——例如，使铝更强更硬。为了做到这一点，冶金学家将铝与其他金属元素结合，形成所谓的铝合金．铝通常与铜、镁和锰制成合金。铜和镁提高了铝的强度，锰提高了铝的耐蚀性。

铝在自然界中不是纯元素。它表现出相对较高的化学反应活性，这意味着它倾向于与其他元素结合形成化合物。超过270种矿物质地球的岩石和土壤中含有铝化合物。这使得铝成为地壳中含量最丰富的金属和第三丰富的元素。只有硅和氧比铝更常见。仅次于铝的最常见金属是铁，其次是镁、钛和锰。

铝的主要来源是一种被称为铝土矿．一个矿石是任何天然的固体物质，从中可以获得金属或有价值的矿物。在这种情况下，固体材料是水合氧化铝和水合氧化铁的混合物。水分是指水化学上与两种化合物结合的分子。氧化铝的分子式是Al₂O_3.．氧化铁的分子式是Fe₂O_3.．

铝土矿的沉积以接近地球表面的扁平层形式出现，可能覆盖数英里。地质学家定位这些矿床的方法是勘探通过分析岩心，科学家们能够确定铝土矿的数量和质量。

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澳大利亚铝土矿和氧化铝加工厂的鸟瞰图

矿石被发现后，露天矿场通常会提供最终会变成铝的铝土矿。首先，推土机在一处沉积物上方清理地面。然后工人们用炸药把土壤弄松，把矿石带出地表。然后用巨大的铲子铲起富含铝土矿的土壤，将其倾倒到卡车上，卡车将矿石运往加工厂。法国是国内最早大规模开采铝土矿的地方。在美国，阿肯色州是铝土矿的主要供应商吗第二次世界大战．但今天，这种材料主要是在澳大利亚美国、非洲、南美和加勒比地区。

工业生产铝的第一步是将铝土矿中的氧化铝与氧化铁分离。1888年，奥地利化学家卡尔·约瑟夫·拜耳发明了一种技术。在拜耳法在美国，矾土与烧碱或氢氧化钠混合，并在压力下加热。氢氧化钠溶解氧化铝，形成铝酸钠。氧化铁仍然是固体，并通过过滤分离出来。最后，将氢氧化铝引入液体铝酸钠中，使氧化铝氧化沉淀，或者以固体的形式从溶液中出来。这些晶体经过清洗和加热以去除水分。其结果就是纯氧化铝，一种细白色粉末氧化铝．

氧化铝本身就是一种方便的材料。它的硬度使它可用作磨料和切削工具的组成部分。它也可以用来净化水，制造陶瓷和其他建筑材料。但它的主要用途是作为提取纯铝的起点。在下一节中，我们将看到将氧化铝转化为铝所需的步骤。

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如果不熔炼，这个怪物可能无法享用他的啤酒罐。

将氧化铝转化为铝是工业革命的一个重要里程碑。在现代熔炼技术发展之前，只能获得少量的铝。大多数早期工艺依赖于用活性更强的金属取代铝，但这种金属仍然昂贵且相对难以捉摸。这一切在1886年发生了改变——在这两年，有抱负的化学家和实业家开发了一种基于电解的熔炼工艺。

电解字面意思是“被……打断”电，它可以用来把一种化学物质分解成不同成分的化学物质。传统的电解装置需要两个金属电极浸没在含有正离子和负离子的液体或熔融材料样品中。当电极连接到电池，一个电极变成正极，或阳极．另一个电极变成负极，或者阴极．因为电极是带电的，它们会吸引或排斥溶解在溶液中的带电粒子。正极吸引带负电荷的离子，而负极吸引带正电荷的离子。

19世纪初，英国化学家汉弗莱·戴维爵士(Sir Humphry Davy)试图通过电解生产铝，但没有成功。法国教师兼业余化学家亨利·圣克莱尔·德维尔也空手而归。1886年2月，经过几年的实验，美国人查尔斯·马丁·霍尔发现了一个正确的公式:让直流电通过溶解在熔融物中的氧化铝溶液冰晶石或氟化铝钠(钠_3.阿尔夫₆)．直到1987年，冰晶石都是从美国西海岸发现的矿床中开采出来的格陵兰岛．如今，化学家们从更为常见的矿物萤石中合成这种化合物。

铝冶炼的步骤如下:

1. 氧化铝溶解在熔融冰晶石在1000摄氏度(1832华氏度)。这可能看起来像一个非常高的温度,直到你意识到纯铝的熔点是2054摄氏度(3729华氏度)。添加冰晶石允许电解发生在更低的温度。
2. 电解液被放置在内衬石墨的铁缸中。缸作阴极。
3. 碳阳极浸没在电解液中。
4. 电流通过熔化的材料。
5. 在阴极，电解将铝离子还原成铝金属。在阳极，碳被氧化形成二氧化碳气体。总的反应是:

2 al₂O_3.+ 3C -> 4Al + 3CO₂

6. 熔化的铝金属下沉到桶的底部，并定期通过一个塞子排出。

霍尔开发的铝熔炼工艺产生了大量的纯铝。突然间，这种金属不再稀有了。通过冰晶石电解还原生产铝的想法也并不少见。几个月后，一个名叫保罗·L.T.赫罗特(Paul L.T. Heroult)的法国人提出了同样的想法。然而，霍尔在1889年获得了该工艺的专利，一年后他成立了匹兹堡还原公司，该公司后来成为美国铝业公司(Alcoa)。到1891年，铝产量远远超过300吨(272吨)[来源:美国铝业]．

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在左边，你可以看到一个巨大的罐子，装满了准备倒进模具的铝。

在霍尔-赫罗特法中使用的大桶被称为锅．一个大罐子每天可以生产2吨以上的铝。但是公司可以并且确实通过将几个罐子连接在一起来增加产量电解电池列．一个冶炼厂可能有一个或多个电解槽，每个电解槽有200到300个电解槽。在这些罐子里，铝的生产日夜不停，以确保金属保持液态。

工人们每天从电解槽中吸铝一次。大部分的金属被放置在一边捏造锭．为了制造铸锭，熔化的铝会进入大型熔炉，在那里它可以与其他金属混合形成合金。从那里开始，金属要经历一个被称为稀释．熔剂使用氮气或氩气等气体来分离杂质，并将它们带到表面，这样就可以将它们撇去。然后将净化后的铝倒入模具中，并在金属表面喷洒冷水迅速冷却。

从电解槽中抽取的一些铝没有合金化或清洗。相反，它被直接倒进模具，在那里慢慢冷却并变硬形成铸造(或再融化）锭．原铝厂向铸造厂出售重熔铝锭。铸造厂将铝还原为液态，并自行进行合金化和熔炼。然后，他们利用以下制造技术将铝制成各种部件，用于电器、汽车和其他应用。

• 铸造把熔化的金属倒进模子里，铝可以铸成各种各样的形状。当铝冷却和硬化时，它就变成了模具的形状。铸件用于制造外形独特的固体物体，如汽车发动机部件、铝锤和电熨斗底部。
• 滚动通过反复将加热的铝锭通过沉重的滚轮，金属可以被压扁成薄片，甚至薄片。制作最薄的箔需要10到12道工序，厚度仅为0.15毫米。
• 挤压:挤压是将软化的铝通过模具挤压而成。模口的形状决定了挤压铝的形状。
• 锻造:锻造，一种将铝锤打或压紧的工艺，可以得到超高强度的金属。这种方法使锻铝成为飞机和汽车应力承载部件的理想选择。

饮料罐诞生了 饮料可以从铝板上的圆形金属块开始。这个直径为5.5英寸(14.0厘米)的圆被称为a空白．一台机器将坯料拉入一个直径为3.5英寸(8.9厘米)的杯子中。另一台机器将杯子重新拉出，将它拉长，熨烫，并将边缘变薄。最后，清洗罐子，装饰和“颈部”，以适应盖子。

• 画要制造金属丝，铝棒要经过一系列连续的较小的模具，这个过程叫做拉丝。拉制铝可以生产出直径小于10毫米的线材。
• 加工:铝及其合金易于进行车削、铣削、镗孔、攻丝和锯切等传统加工操作。机加工常用于生产螺栓、螺钉等小件五金。

铝是一种有吸引力的金属，通常不需要表面处理。但它可以抛光、喷漆和电镀。例如，啤酒和汽水制造商使用印刷工艺将标签贴在铝罐上(见边栏)。典型的印刷配方通常是漆涂层，既能很好地附着在铝上，又能提供美观的吸引力。当然，当涉及到回收时，这些饰面是一个问题，因为它们必须被移除。在下一节中，我们将详细探讨铝是如何回收的。

由于它的多功能性，铝有许多用途。事实上，它是仅次于钢铁的第二大使用金属，2007年的初级产量达到2480万吨(2250万吨)[来源:国际铝业协会]。其中很大一部分是全世界1870亿罐铝的产量[来源:诺]．汽车行业是铝增长最快的市场。用铝制造汽车零部件——从轮辋到汽缸盖、活塞和散热器的一切——会使汽车的质量下降车更轻，减少燃料消耗和污染水平。据估计，一辆装有331磅(150公斤)铝的汽车每100英里的油耗可以减少0.43加仑[来源:汽配报告]．

以下是铝的其他一些重要用途。

• 汽车和运输:汽车、摩托车零件、飞机机身及零件、车牌
• 建设和施工:壁板、屋面、排水沟、窗框、内外漆、五金
• 罐和闭包:饮料和食品罐、瓶盖
• 包装:铝箔，铝箔纸，铝箔托盘，糖果和口香糖包装
• 电:电线、电话线、灯泡
• 健康和卫生:抗酸剂、收敛剂、缓冲阿司匹林、食品添加剂
• 烹饪:器皿、壶及平底锅
• 体育用品和娱乐:高尔夫球棒、棒球棒、草坪家具
  

令人惊讶的是，大多数铝至今仍在使用。那是因为它可以回收一遍又一遍的重复，而不失去它的品质。大多数被回收的铝来自以下三种来源之一:使用过的饮料罐、旧汽车零部件和铝产品生产过程中收集的废料[来源:世界上的书]．铝罐回收是现代可持续发展运动的伟大成功之一(如果你是一个大的回收者，一定要阅读我应该回收什么东西?)．第一个全国性的罐头回收项目始于1968年，今天，每年大约有660亿个罐头被回收美国独自[来源:美国铝业]．

铝罐回收是一种很好的方法闭环过程，这意味着经过回收处理后的新产品和之前的产品是一样的。闭环罐回收有六个步骤:

1. 旧铝罐被带到铝回收厂。
2. 罐头被撕成小块。
3. 这些碎片被送入熔化炉中。
4. 熔化的铝冷却硬化成矩形锭。
5. 铝锭被制成薄板。
6. 这些薄片被用来制作新的罐头。

铝工业的许多创新都与提高生产效率和回收利用有关。但是，正如我们在下一节将看到的，只有当新的令人兴奋的应用出现时，对铝的需求才会增长。

铝的初级生产需要巨大的能量。它还会产生温室气体全球变暖．根据国际铝学会(International Aluminum Institute)的数据，制造新铝库存释放的温室气体占全球人为温室气体排放量的1%。工业的首要任务是通过减排措施来减少这些排放回收以及铝在汽车、飞机、轮船和火车上的使用。事实上，在汽车中使用轻质铝部件是汽车设计和制造领域最重要的进步之一。在汽车的使用寿命中，每用一公斤(2.2磅)较重的材料替换铝，就会减少22公斤(44磅)的二氧化碳[来源:国际铝学会]。

另一个有前景的应用是在燃料电池驱动的汽车中使用铝。普渡大学(Purdue University)的研究人员最近发现，铝可以有效地用于生产氢燃料。这个过程从铝球开始，将铝球与液态镓混合，产生液态铝镓。当水加入时，铝与氧反应形成凝胶。氢气也被生产出来，氢气可以被收集起来，用来给燃料电池供电。

诸如此类的创新将增加对铝的需求。尽管这种金属相对年轻，但它是人类文明史上最重要的金属之一。当明天的考古学家和人类学家的社会反思19日20和21世纪,他们很可能标签铝时代,把它旁边的石头,青铜和铁年龄作为一个人类文化发展中最重要的阶段。