铝：历史，特性，结构，获得，用途 - 化学

的铝是属于（III A）13周期表的基团和由符号A表示这是一种轻金属具有低的密度和硬度的金属元素。由于其两性性质，一些科学家已将其归类为准金属。

它是一种易延展且非常具有延展性的金属，这就是为什么它被用于制造金属丝，铝薄板以及任何类型的物体或图形的原因。例如，著名的罐头及其合金，或者用铝箔纸包裹食物或甜点。

皱巴巴的铝箔，用这种金属制成的最简单，最日常的物品之一。资料来源：Pexels。

明矾（一种水合硫酸铝钾）自古以来就已被人类用于医学，皮革鞣制以及媒染织物的媒染剂。因此，它的矿物质是永远已知的。

但是，铝作为一种金属在1825年才被Øersted隔离，这导致了科学活动，使其可以工业化使用。那时，铝是仅次于铁的世界上产量最高的金属。

铝主要存在于地壳的上部，占其重量的8％。它对应于其第三丰富的元素，在其二氧化硅和硅酸盐矿物中被氧气和硅所超越。

铝土矿是矿物质的组合，其中包括：氧化铝（氧化铝）以及铁，钛和硅的金属氧化物。它代表了铝矿开采的主要自然资源。

历史

明矾

在美索不达米亚，公元前5000年。C.，他们已经使用包含铝化合物的粘土制作了陶瓷。同时，在4000年前，巴比伦人和埃及人在某些化合物中使用了铝。

与明矾有关的第一份书面文件是由希腊历史学家希罗多德斯（Herodotus）在公元前5世纪提出的。明矾被用作织物染色的媒染剂，并用来保护设计堡垒门的木材免于火灾。

同样，一世纪的普林尼“长者”是指明矾，今天称为明矾，是一种用于医学和媒染剂的物质。

从16世纪开始，明矾被用于皮革鞣制和纸张上浆。这是一种凝胶状物质，具有纸质一致性，可以书面使用。

1767年，瑞士化学家Torbern Bergman实现了明矾的合成。为此，他用硫酸加热了月光石，然后向溶液中添加了钾盐。

氧化铝中的识别

1782年，法国化学家Antoine Lavoisier指出氧化铝（Al ₂ O ₃）是某种元素的氧化物。它对氧气的亲和力使其难以分离。因此，Lavoisier随后预测了铝的存在。

后来，在1807年，英国化学家汉弗莱·戴维爵士对氧化铝进行了电解。但是，他使用的方法生产的是铝，钾和钠的合金，因此无法分离出金属。

戴维评论说，氧化铝具有金属基底，他最初根据拉丁词“ alumen”（铝的名字）将其命名为“ alumium”。戴维后来将名称更改为当前的英文名称“ aluminum”。

1821年，德国化学家Eilhard Mitscherlich设法发现了氧化铝的正确配方：Al ₂ O ₃。

隔离

同年，法国地质学家Pierre Berthier在法国Les Baux地区的带红色粘土岩矿床中发现了一种铝矿物。Berthier将矿物指定为铝土矿。目前，这种矿物是铝的主要来源。

1825年，丹麦化学家汉斯·克里斯蒂安·厄斯特（Hans ChristianØersted）用一种铝制成了一根金属棒。他将其描述为“看起来颜色和光泽有点像锡的一块金属”。Øersted能够通过用钾汞齐还原氯化铝AlCl ₃来实现这一目标。

然而，据认为，研究人员不是获得纯铝，而是获得铝和钾的合金。

1827年，德国化学家弗里德里希·沃勒（FriedrichWöehler）设法生产了约30克铝材料。然后，经过18年的研究工作，沃勒（Wöehler）在1845年实现了具有金属光泽和浅灰色的小球状小球的生产。

沃勒甚至描述了金属的一些特性，例如颜色，比重，延展性和稳定性。

工业生产

1855年，法国化学家Henri Sainte-Claire Deville改进了Wöehler的方法。为此，他使用冰晶石（Na ₃ AlF ₆）作为流，用金属钠还原氯化铝或氯化铝铝。

这使得法国鲁昂的铝工业化生产，并在1855年至1890年之间实现了200吨铝的生产。

1886年，法国工程师PaulHéroult和美国学生Charles Hall分别创造了一种铝的生产方法。该方法包括使用直流电将熔融冰晶石中的氧化铝电解还原。

该方法是有效的，但是存在电力需求高的问题，这使得生产更加昂贵。赫罗尔特通过在诺伊豪森（瑞士）建立自己的产业来解决这个问题，从而利用莱茵河瀑布发电。

霍尔最初定居在美国匹兹堡，但后来将他的产业转移到尼亚加拉大瀑布附近。

最终，卡尔·约瑟夫·拜耳（Karl Joseph Bayer）在1889年创造了一种生产氧化铝的方法。这包括在密闭容器中用碱性溶液加热铝土矿。在加热过程中，氧化铝部分被回收在盐溶液中。

物理和化学特性

外观

铝金属桶。资料来源：Carsten Niehaus

银灰色固体，具有金属光泽（上图）。它是一种软金属，但会因少量的硅和铁而硬化。另外，它的特征是非常易延展和可延展，因为可以制成厚度最大为4微米的铝板。

原子重量

26,981你

原子序数（Z）

熔点

660.32摄氏度

沸点

2,470摄氏度

密度

环境温度：2.70克/毫升

熔点（液体）：2.375克/毫升

与其他金属相比，其密度非常低。因此，铝非常轻。

熔化热

10.71 kJ /摩尔

汽化热

284 kJ /摩尔

摩尔热容量

24.20 J /（摩尔K）

电负性

鲍林标度为1.61

电离能

-首先：577.5 kJ / mol

-第二：1,816.7 kJ / mol

-第三：2,744.8 kJ / mol

热膨胀

25ºC时为23.1 µm /（mK）

导热系数

237 W /（米·K）

铝的导热系数是钢的三倍。

电阻率

在20ºC时为26.5nΩm

它的电导率是铜的2/3。

磁性顺序

顺磁性

硬度

莫氏量表上的2.75

反应性

铝具有抗腐蚀性能，因为当暴露于空气中时，在其表面形成的Al ₂ O ₃氧化物薄层可防止金属内部继续发生氧化。

在酸性溶液中，它与水反应生成氢；而在碱性溶液中它形成铝离子（ALO ₂ ^- ）。

稀酸不能溶解，但在浓盐酸存在下它们可以溶解。然而，尽管铝会受到氢氧化物的侵蚀而产生氢和铝酸根离子，但它对浓硝酸具有抵抗力。

在氧气和二氧化碳的存在下焚烧铝粉，形成氧化铝和碳化铝。它会被氯化钠溶液中的氯化物腐蚀。因此，不建议在管道中使用铝。

低于280ºC的水会氧化铝。

2 Al（s）+ 6 H ₂ O（g）=> 2Al（OH）₃（s）+ 3H ₂（g）+热量

结构和电子配置

铝是一种金属元素（有些还带有类金属染料），由于金属键的作用，铝原子彼此相互作用。这种无方向性的力由其价电子控制，这些价电子在晶体的所有维度上都散布在整个晶体中。

根据铝的电子结构，这些价电子如下：

3s ² 3p ¹

因此，铝是三价金属，因为它具有三个价电子。在3s轨道上有两个，在3p轨道上有一个。这些轨道重叠形成3s和3p分子轨道，它们相互靠近，最终形成导带。

s波段已满，而p波段有大量空位，可以容纳更多的电子。这就是为什么铝是良好的电导体。

铝的金属键，原子的半径及其电子特性定义了fcc（面心立方）晶体。这种FCC晶体显然是唯一已知的铝同素异形体，因此它肯定会承受在其上施加的高压。

氧化数

铝的电子结构立即表明它能够损失多达三个电子。即，具有形成Al ³⁺阳离子的倾向。假设该阳离子存在于铝衍生的化合物中，则其氧化值为+3；众所周知，这是铝最常见的。

但是，这种金属还有其他可能的但很少见的氧化数。例如：-2（Al ² ^-），^- 1（Al ^-），+ 1（Al ⁺）和+2（Al ²⁺）。

例如，在Al ₂ O _3中，铝的氧化数为+3（Al ₂ ³⁺ O ₃ ^2-）。而在ALI和A10，1（铝⁺ ˚F ^- ）和2（铝²⁺ ö ^2-分别）。但是，在正常条件下，Al（III）或+3是迄今为止最丰富的氧化数；因为Al ³⁺与氖稀有气体等电子。

这就是为什么在学校教科书中总是假设铝，并且有充分的理由认为，铝具有+3作为唯一数字或氧化态。

在哪里找到和获得

铝集中在地壳的外缘中，这是铝的第三个元素，仅次于氧和硅。铝占地壳重量的8％。

它在火成岩中发现，主要是：铝硅酸盐，长石，长石类和云母。铝土矿也是如此，在微红粘土中也是如此。

-铝土矿

铝土矿。资料来源：用户：VargaA

铝土矿是含有水合氧化铝和杂质的矿物质的混合物。如铁和钛的氧化物，以及二氧化硅，其重量百分比如下：

-在₂ O ₃ 35-60％

-Fe ₂ O ₃ 10-30％

-SiO ₂ 4-10％

-TiO ₂ 2-5％

-H ₂ O的组成为12-30％。

铝土矿以水合形式发现于铝土矿中，具有两种变体：

-一水合物（Al ₂ O ₃ ·H ₂ O），具有两种晶体学形式，即勃姆石和水辉石

-三水合物（Al ₂ O ₃ ·3H ₂ O），以三水铝石为代表。

铝土矿是铝的主要来源，并提供大多数从采矿获得的铝。

-铝沉积

改变的

主要的铝土矿的Al 40-50％形成₂ Ó ₃，铁的20％₂ ö ₃的SiO和3-10％₂。

水热

岩浆

含矿物的铝质岩石，如正长岩，霞石和钙长石（占Al ₂ O _3的 20％）。

变质的

硅酸铝（红柱石，硅线石和蓝晶石）。

破坏者

高岭土沉积物和各种粘土（32％Al ₂ O ₃）。

-铝土矿开采

铝土矿是在露天下开采的。一旦收集了包含它的岩石或粘土，就将它们压碎并在球磨机和棒磨机中研磨，直到获得直径2毫米的颗粒。在这些过程中，处理过的材料保持湿润。

在获得氧化铝时，采用了拜耳公司（Bayer）在1989年创建的工艺，通过添加氢氧化钠消化铝土矿，形成可溶解的铝酸钠。而污染物铁，钛和氧化硅仍处于悬浮状态。

倾析出污染物，并通过冷却和稀释从铝酸钠中沉淀出三水合氧化铝。随后，将三水合氧化铝干燥以得到无水氧化铝和水。

-氧化铝电解

为了获得铝，通常按照Hall-Héroult（1886）创建的方法对氧化铝进行电解。该方法包括将熔融的氧化铝还原成冰晶石。

氧与碳阳极结合，并以二氧化碳的形式释放。同时，释放的铝沉积在电解池的底部，并在那里积累。

合金类

铝合金通常由四个数字标识。

1xxx

代码1xxx对应纯度为99％的铝。

2xxx

代码2xxx对应于铝与铜的合金。它们是用于航空航天器的坚固合金，但由于腐蚀而开裂。这些合金被称为硬铝。

3xxx

3xxx代码涵盖了将锰和少量镁添加到铝中的合金。它们是非常耐磨损的合金，用于制作厨房用具的3003合金和用于饮料罐的3004。

4xxx

4xxx代码代表将硅添加到铝中从而降低金属熔点的合金。该合金用于制造焊丝。合金4043用于汽车和结构件的焊接。

5xxx

5xxx代码涵盖了将镁主要添加到铝中的合金。

它们是抗海水腐蚀的强合金，用于制造压力容器和各种海洋应用。合金5182用于制造汽水罐的盖子。

6xxx

6xxx代码涵盖了合金，其中硅和镁与铝一起添加到合金中。这些合金是可铸造的，可焊接的并且耐腐蚀。该系列中最常见的合金用于建筑，自行车架和iPhone 6的结构。

7xxx

7xxx代码表示将锌添加到铝中的合金。这些合金也称为Ergal，在飞机制造中使用7050和7075合金具有很强的抗断裂性和很高的硬度。

风险性

直接曝光

接触铝粉会引起皮肤和眼睛刺激。长时间，长时间接触铝会导致类似流感的症状，头痛，发烧和发冷。此外，可能会发生胸痛和紧绷感。

暴露于铝粉尘中会导致肺部瘢痕形成（肺纤维化），并伴有咳嗽和呼吸急促的症状。OSHA规定在8小时的工作时间内暴露于铝尘的限值为5 mg / m ³。

尿中职业性铝暴露的生物耐受性值已确定为50 µg / g肌酐。当尿液中的铝浓度超过100μg/ g肌酐时，神经心理学测试的表现就会下降。

乳腺癌

铝被用作止汗香体剂中的盐酸盐铝，与乳腺癌的发展有关。但是，除其他原因外，这种关系还没有被清楚地建立，因为盐酸铝的皮肤吸收仅为0.01％。

神经毒性作用

铝具有神经毒性，在职业接触人群中，铝与包括阿尔茨海默氏病在内的神经系统疾病有关。

阿尔茨海默氏症患者的大脑中铝含量很高；但尚不清楚是疾病的原因还是疾病的结果。

已经确定了透析患者中神经毒性作用的存在。在此过程中，将铝盐用作磷酸盐粘合剂，从而在血液中产生高浓度的铝（> 100 µg / L血浆）。

受影响的患者表现出迷失方向，记忆障碍以及晚期痴呆。解释了铝的神经毒性，因为铝很难被大脑消除并影响其功能。

铝摄入

铝存在于许多食品中，尤其是茶，香料和一般的蔬菜。欧洲食品安全局（EFSA）为食物中铝的摄入量设定了每日1 mg / kg体重的耐受极限。

欧洲食品安全局（EFSA）在2008年估计食物中铝的每日摄入量为每天3至10毫克，这就是为什么得出结论，铝对健康没有威胁；以及使用铝制餐具烹饪食物。

应用领域

-像金属

电的

铝是一种良好的电导体，这就是为什么将其用于输电线路，电动机，发电机，变压器和电容器的合金中的原因。

建造

铝用于制造门窗框，隔断，围栏，涂料，绝热材料，天花板等。

运输

铝用于制造汽车，飞机，卡车，自行车，摩托车，轮船，宇宙飞船，有轨电车等的零件。

货柜

铝罐用于不同品种的食品。资料来源：Pxhere。

铝用于制造饮料罐，啤酒桶，托盘等。

家

铝桶。资料来源：Pexels。

铝用于制造厨房用具：锅，平底锅，平底锅和包装纸；除了家具，灯具等

反光能力

铝有效地反射辐射能；从紫外线到红外辐射。铝在可见光下的反射能力约为80％，这使其可用作灯罩。

此外，铝即使以细粉形式也能保持其银反射特性，因此可用于生产银漆。

-铝化合物

氧化铝

它用于制造金属铝，绝缘体和火花塞。当氧化铝被加热时，它会形成一种多孔结构，该结构吸收水，用于干燥气体，并充当各种化学反应中催化剂作用的载体。

硫酸铝

它用于造纸和表面填充剂。硫酸铝用于形成铝矾土钾。这是使用最广泛的明矾，用途广泛。例如制造药品，油漆和用于织物染色的媒染剂。

氯化铝

它是Friedel-Crafts反应中最常用的催化剂。这些是用于制备芳族酮和蒽醌的合成有机反应。水合氯化铝用作局部止汗和除臭剂。

氢氧化铝

它用于防水织物和铝酸盐的生产。

参考文献

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铝：历史，特性，结构，获得，用途 - 化学 - 2025

历史

明矾