铝是过渡金属吗为什么？你真的了解铝吗

尽管古代波斯的陶瓷工人很早便在黏土中添加铝以便强化陶器， 但人类却并没有因此而驯化金属铝。实际上，一直到1825年，人类才发现纯铝。那个时候人们已经能熟练掌握使用多种金属以及他们的合金来为日常的工作和生活服务。但即便是发现了单质元素铝之后的两年，金属铝还只是一个默默无闻的小角色。因为当时的化学家一次只能而分离出几毫克的单质铝，这使得它非常珍惜，以至于它的价值在当时要远高于金银。1884年全美国铝的总产量只有57公斤，这就不难理解为什么当时华盛顿纪念碑顶端上面的金字塔用的是铝而不是黄金。

华盛顿纪念碑塔尖

不过这种尴尬的局面并没有维持多久 1886年美国人Charles Martin Hall和法国人Paul LT Heroult通力协作，设计了一种从氧化铝提取铝的方法，这便是我们后来所熟知的电解还原铝法。虽然这一方法极其耗电，但人们却因此获得了大量的纯铝。到了1891年，铝的产量已经超过了300吨，由铝作为原料而加工的生活用品，从锅碗瓢盆一直延伸到汽车摩托车。时至今日，铝在我们的生活中无处不在。 美国每年生产超过560万吨的铝，仅铝制易拉罐，每天就要生产3亿枚。

Charles Martin Hall

现在让给我们仔细研究一下铝的特性

铝的用途

首先我们先以一个化学家的视角来看一下这种元素。与元素周期表上的其他数十种元素一样是天然存在的。与所有元素一样铝是一种单质，也就是说它无法再分解为更加简单的物质了。按照原子序数排列铝在元素周期表中排第13位。与铝处于同一纵列的我们习惯将它们归属于同一家族，他们具有相似的特性,与铝同一族的元素有硼、 镓、铟、铊，这一族中除了硼以外，其他都归类为金属。铝在金属中除了和其他金属有相似的特性以外，它的导热效率格外突出，因此我们看到很多用铝制作的炊具。当然除此之外，铝还有两个特性使得它变得无法替代。一个是耐腐蚀性，铝与氧气反应时，会在金属外部形成一层氧化铝，这层氧化物可以保护内部的铝免受氧气、水还有其他化学物质的腐蚀作用，因此铝在户外用品变得极为可靠。另外，铝在受撞击时也不会产生火花，这意味着铝可以在易燃易爆的环境附近使用。

铝在自然环境中并不以单质元素出现。地球岩石和土壤中有270种矿物都含有铝化合物，这使得铝成为地壳中红最丰富的金属元素。 八大基础元素中，也只有硅和氧比铝更为常见，铁、镁、钛、锰这些金属元素的储量都要排在铝的后面。

生活中铝的主要来源是一种称为铝土矿的矿石，这种矿产通常位于大地球表面附近的平坦层，可以绵延数英里。法国是世界上第一个大规模开采铝土矿的国家。到了二战前后，美国变成了铝土矿的主要供应地。到了21世纪之后，世界的铝原矿主要来源于澳大利亚、非洲、南美洲和加勒比地区。

铝土矿

当然只开采出铝土矿还不足以获得人们的需求。铝的商业化生产第一步是要从铝土矿中分离出氧化铝，这项技术在1888年由奥地利化学家Karl Joseph发明。具体做法是先让铝土矿与苛性钠或者氢氧化钠混合，并且在压力的作用下加热，在这个过程中氢氧化钠会溶解矿石中的氧化铝，形成铝酸钠，而矿石中无用的氧化铁在这个过程中会保持固体并随着过滤分离，随后将氢氧化铝引入液体铝酸钠使氧化铝沉淀，洗涤并加热让析出的晶体脱水，最后产出都得白色粉末就是纯的氧化铝。

氧化铝本身就是一种方便的材料，它的硬度使其可用作磨料和切削工具的组件。它还可用于净化水和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原料。将氧化铝转化为纯铝的过程，是近代工业革命的一项重要的里程碑。在现代冶炼技术发展之前，人们只能依赖于用活泼金属来置换少量的铝，这种方法成本高昂并且反应过程难以控制，直到1886年电解冶炼工艺的诞生。

顾名思义电解的字面意思是用电分解，它可以用来分解化学物质使之由化合物变成单质。基础原理是将两个金属电极浸入含有正离子混合负离子的材料液体中，当连通电源时一个电极变成正极端子也就是阳极，另一个电极变成负极端子也就是阴极。他们会吸引或者排斥溶解在液体张红的带电粒子，即正极吸引带负电的离子，负极吸引带正电的离子。

1886年经过几年的实验，美国人查尔斯马丁霍尔将直流电通过溶解在熔融的冰晶石（氟化铝钠）中的氧化铝溶液，顺利得到了电解之后的单质铝。具体步骤是先将氧化铝在1000摄氏度下溶解在熔融的冰晶石中，这样做主要是为了降低氧化铝的熔点。然后将电解液放在衬有石墨的铁桶中，电解槽作为阴极，随后碳阳极浸入电解液中，让电流通过熔融的材料，这时在阴极处电解将铝离子还原为铝金属 在阳极碳被氧化形成二氧化碳气体，最后熔化的铝金属沉入缸底，并通过底部的塞子定期排出。现如今人们依然沿用这个方法来获得纯铝。一个工厂可能包含数百个电解槽，每个电解槽每天可以生产两吨以上的铝，人工获得纯铝变得极为简单易行。

铝具有多功能性，适用于各个行业，目前铝是仅次于钢的第二大用料金属。早在十年以前，铝的初级产量就已经达到了2480万吨，用途主要包括，飞机和汽车零部件、壁板、屋顶窗框和五金器材，饮料和食品罐、铝制包装、电源线电话线以及灯泡，抗酸剂食品添加剂， 锅碗瓢盆、高尔夫球杆、棒球棒等等。

汽车配件

回收的易拉罐

大多数曾经制造的铝如今仍在使用，主要原因是铝的回收利用率非常高，整个回收过程中几乎没有什么损耗。大多数的回收铝主要来自用过的易拉罐、旧汽车零件和铝制品制造过程中收集的废料。第一个回收的易拉罐罐始于1968年，现如今每年有数百亿枚易拉罐被回收。

铝制易拉罐

电解铝工厂的污染以及铝的新应用

铝的初级生产需要巨大的能源，同时它还产生影响全球变暖的温室气体。根据国际铝业协会的数据，制造新的铝库存会释放大约1%的温室气体，目前人们通过减少生产提高回收来降低温室气体的排放。铝的另一个新应用是作为氢燃料电池的催化剂，将铝混合到液态镓中弄个以生产液态铝镓，加水时铝与氧气反应形成凝胶，反应过程中可以高效的生产氢气，为燃料电池供电。

诸如此类的创新将增加人们对铝的需求，尽管铝的应用历史还比较短，但它是人类文明史上最重要的金属之一位列于石器时代，青铜时代，铁器时代之后。

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