18新利最新登入铝是如何工作的

像元素周期表上的其他几十种元素一样，铝是自然产生的。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东西。元素周期表中所有的元素都是按它们的原子量排列的原子序数——原子核中的质子数。铝的幸运数字是13，所以一个铝原子有13个质子。它还有13个电子。

元素周期表上位于铝之上和铝之下的元素构成a的家庭,或集团，它们具有相似的属性。铝属13族，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18新利最新登入。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)。原子量是一种元素的平均质量，通过考虑每种天然同位素的贡献而确定。铝的原子量是26.98阿姆。铝符号下面的数字是它的原子序数。

化学家们把第13族的元素归为金属，除了硼，它不是一种完整的金属。金属通常是有光泽的元素传导热和电好。他们也可塑的——可以被锤打成各种形状——还有韧性——能够被拉成电线。这些特性当然适用于铝。事实上，铝经常用于炊具，因为它导热效率很高。而且只有铜的导电性更好，这使得铝成为电气材料的理想材料，包括灯泡、电线及电话电线。铝的其他重要性能如下:

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

这最后两个特性使铝特别有用。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，金属的外面会形成一层氧化铝。这层薄层保护下面的铝不受氧气的腐蚀，水和其他化学物质。因此，铝在户外使用特别有价值。当它被击中时也不会产生火花，这意味着你可以在易燃或易爆材料附近使用它。

铝在自然界中以各种化合物存在。为了充分利用它的特性，它必须从与之结合的其他元素中分离出来——这是一个漫长而复杂的过程，从一种坚硬如岩石的材料开始铝土矿。

经过这一过程后，纯铝变得非常柔软和轻便。有时需要改变这些特性——例如，使铝更坚固、更坚硬。为了做到这一点，冶金学家将铝与其他金属元素结合起来，形成所谓的铝合金。铝通常与铜、镁和锰合金化。铜和镁可以提高铝的强度，而锰可以提高铝的耐腐蚀性。

铝在自然界中并不是纯元素。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。这使得铝成为最丰富的金属，也是地壳中第三丰富的元素。只有硅和氧比铝更常见。铝之后最常见的金属是铁，其次是镁、钛和锰。

铝的主要来源是一种叫做铝的矿石铝土矿。一个矿石任何自然产生的固体物质，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。水合指的是水化学上与这两种化合物结合的分子。氧化铝的化学式是Al₂O_3.。氧化铁的分子式是Fe₂O_3.。

铝土矿的矿床以扁平层的形式出现在地球表面附近，可能覆盖数英里。地质学家通过勘探——采集岩心样本或在怀疑含有矿石的土壤中钻孔。通过分析岩心，科学家们能够确定铝土矿的数量和质量。

路易斯·卡斯塔内达/盖蒂图片社
澳大利亚铝土矿和氧化铝加工厂的鸟瞰图

矿石被发现后，露天矿通常会提供最终会变成铝的铝土矿。首先，推土机清理了沉积物上方的土地。然后工人们用炸药使土壤松动，把矿石带到地表。然后用巨大的铲子铲起富含铝土矿的土壤，将其倒入卡车中，卡车将矿石运往加工厂。法国是第一个大规模开采铝土矿的地点。在美国，阿肯色州是铝土矿的主要供应商之前，期间和之后二战期间。但今天，这种材料主要是在澳大利亚美国、非洲、南美洲和加勒比地区。

铝商业化生产的第一步是将铝土矿中的氧化铝与氧化铁分离。这是由奥地利化学家卡尔·约瑟夫·拜耳在1888年发明的一种技术完成的。在拜耳法在美国，铝土矿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。氧化铁保持固态，通过过滤分离。最后，将氢氧化铝引入到液体铝酸钠中，使氧化铝变为沉淀或者从溶液中变成固体。这些晶体被清洗和加热以除去水分。结果是纯氧化铝，一种细白色粉末，也被称为氧化铝。

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，我们将了解将氧化铝转化为铝所需的步骤。

蒂姆·格雷厄姆/盖蒂图片社
没有熔炼，这个怪物可能无法享受他的啤酒罐。

将氧化铝转化为铝是工业革命的一个重要里程碑。在现代冶炼技术发展之前，只能获得少量的铝。大多数早期的工艺都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。1886年，这一切都改变了——这一年，两位有抱负的化学家和实业家开发了一种基于电解的冶炼工艺。

电解字面意思是“分解”电，它可以用来将一种化学物质分解成化学成分。传统的电解装置需要将两个金属电极浸入含有正离子和负离子的液体或熔融样品中。当电极连接到电池，一个电极变成正极，或者阳极。另一个电极变成负极，或者阴极。因为电极是带电的，所以它们会吸引或排斥溶解在溶液中的带电粒子。正极吸引带负电的离子，负极吸引带正电的离子。

英国化学家汉弗莱·戴维爵士(Sir Humphry Davy)被认为是铝的发明者，他在19世纪初曾试图用电解法生产铝，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。然后，在1886年2月，经过几年的实验，美国人查尔斯·马丁·霍尔(Charles Martin Hall)发现了正确的公式:将直流电通过溶解在熔融中的氧化铝溶液冰晶石，或氟化铝钠(Na_3.阿尔夫₆)。直到1987年，冰晶石都是从西海岸发现的沉积物中开采出来的格陵兰岛。今天，化学家们从矿物萤石中合成这种化合物，萤石要常见得多。

铝冶炼的步骤如下:

1. 氧化铝在1000摄氏度(1832华氏度)时溶解在熔融的冰晶石中，这似乎是一个非常高的温度，直到你意识到纯氧化铝的熔点是2054摄氏度(3729华氏度)。加入冰晶石可以在更低的温度下进行电解。
2. 电解液被放置在内衬石墨的铁缸中。缸充当阴极。
3. 碳阳极浸在电解液中。
4. 电流通过熔融的材料。
5. 在阴极，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。总体反应是:

2 al₂O_3.+ 3C -> 4Al + 3CO₂

6. 熔化的铝金属下沉到大桶的底部，并通过一个塞子定期排出。

霍尔开发的铝冶炼工艺产生了大量的纯铝。突然间，这种金属不再稀有。通过电解还原冰晶石来生产铝的想法也并不罕见。几个月后，一个名叫保罗·l·t·赫卢特的法国人也提出了同样的想法。然而，霍尔在18新利最新登入1889年获得了这项工艺的专利，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。到1891年，铝的产量远远超过300吨(272公吨)[来源:美国铝业］.

《国家地理》/盖蒂图片社
在左边，你可以看到一个巨大的罐子，里面装满了铝，准备倒入模具。

在Hall-Heroult工艺中使用的大桶被称为锅。一个大锅每天可以生产2吨以上的铝。但是公司可以并且确实通过将几个锅连接在一起来增加产量电解电池列。一个冶炼厂可能包含一个或多个熔炉，每个熔炉有200至300个熔炉。在这些罐子里，铝的生产日夜不停，以确保金属保持液态。

工人们每天一次从电解槽中吸铝。大部分的金属被搁置在一旁捏造锭。为了制造铸锭，熔化的铝进入大型熔炉，在那里它可以与其他金属混合形成合金。从那里，金属经历一个被称为稀释。熔炼使用氮气或氩气等气体分离杂质，并将其带到表面，以便将其撇去。然后将纯化的铝倒入模具中，通过向金属上喷洒冷水迅速冷却。

从管道中虹吸出来的一些铝没有合金化或清洗过。相反，它被直接倒入模具中，在那里它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熔化的铝锭。铸造厂将铝还原为液态，然后自己进行合金化和熔剂。然后，他们使用以下制造技术，将铝制成各种部件，用于电器、汽车和其他应用。

• 铸造如果把熔化的金属倒入模具中，铝可以被浇铸成各种各样的形状。当铝冷却变硬时，就会形成模具的形状。铸造是用来制造形状独特的固体物体，比如汽车发动机的零件、铝锤和电熨斗的底部。
• 滚动加热后的铝锭反复通过沉重的滚轮，可被压成薄片甚至极薄的金属片。制作最薄的箔片大约需要10到12道工序，厚度可能只有0.15毫米。
• 挤压挤压是通过模具强迫软化的铝。模口的形状决定了挤压铝材的形状。
• 锻造锻造，一种将铝锤打或压制的过程，可以得到超强的金属。这种方法使锻铝成为飞机和汽车的受力部件的理想材料。

饮料罐诞生了 饮料罐是用铝板打孔制成的圆形金属片。这个直径为5.5英寸(14.0厘米)的圆被称为a空白。一台机器把毛坯拉进直径3.5英寸(8.9厘米)的杯子里。另一台机器重新绘制杯子，拉长它，熨烫它，并使边缘变薄。最后，将易拉罐清洗、装饰并“拉脖”以适应盖子。

• 画为了制造金属丝，一根铝棒被拉过一系列连续的小模具，这个过程被称为拉丝。拉拔铝可以生产直径小于10毫米的线材。
• 加工传统的机械加工操作，如车削、铣削、镗孔、攻丝和锯切，很容易在铝及其合金上进行。机加工常用于生产螺栓、螺钉和其他小件五金。

铝是一种很有吸引力的金属，通常不需要加工。但它可以抛光、涂漆和电镀。例如，啤酒和汽水制造商使用印刷工艺将他们的标签贴在铝罐上(见侧栏)。典型的印刷配方通常是漆涂料，既能很好地粘附在铝上，又能提供美学吸引力。当然，当涉及到回收时，这种表面处理是一个问题，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。18新利最新登入

由于它的多功能性，铝适用于许多应用。事实上，铝是仅次于钢铁的第二大金属，2007年铝的年产量达到2480万吨(2250万吨)[来源:国际铝业协会]。其中大部分产量用于全球生产的1870亿个铝罐[来源:诺］.汽车工业是铝增长最快的市场。用铝制造汽车零部件——从轮辋到气缸盖、活塞和散热器——可以创造出巨大的利润车更轻，减少燃料消耗和污染水平。据估计，一辆使用了331磅(150公斤)铝的汽车每百英里的油耗将减少0.43加仑[来源:汽配报告］.

下面是铝的其他一些重要用途。

• 汽车和交通:汽车、摩托车零部件、飞机机身及零部件、车牌
• 建筑与建造:壁板和屋顶，排水沟，窗框，内外油漆，五金
• 罐头和瓶盖:饮料、食品罐头、瓶盖
• 包装铝箔，铝箔纸，铝托盘，糖果和口香糖包装
• 电:电线、电话线、灯泡
• 新利国际网站品牌官网健康与卫生抗酸剂、收敛剂、缓冲阿司匹林、食品添加剂
• 烹饪餐具、锅碗瓢盆
• 体育用品及康乐用品高尔夫球杆、棒球棒、草坪家具
  

令人惊讶的是，大部分的铝制品至今仍在使用。那是因为它可以回收一遍又一遍地重复，却不失其品质。大多数被回收的铝来自以下三种来源之一:用过的饮料罐、旧汽车的零件和铝产品生产过程中收集的废料。世界上的书］.铝罐回收是现代可持续发展运动的巨大成功之一(如果你是一个大回收者，一定要读我应该回收哪一样东西?)。第一个全国罐头回收计划始于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］.

铝罐回收是一种闭环过程，这意味着回收后的新产品与之前的产品是一样的。闭环回收易拉罐有六个步骤:

1. 旧铝罐被送到铝回收厂。
2. 罐头被撕成小片。
3. 这些碎片被送入熔化炉。
4. 熔化的铝冷却并硬化成矩形锭。
5. 铸锭被制成薄铝片。
6. 薄片被用来制作新的罐头。

铝行业的许多创新都与提高生产和回收效率有关。但是，正如我们将在下一节看到的，对铝的需求只会随着新的和令人兴奋的应用的出现而增长。

铝的初级生产需要大量的能源。它还会产生温室气体全球变暖。根据国际铝业协会(International Aluminum Institute)的数据，制造新的铝库存释放的温室气体占全球人为温室气体排放量的1%。行业的首要任务是通过减排措施减少这些排放回收以及铝在汽车、飞机、轮船和火车上的应用。事实上，在汽车中使用轻质铝部件是汽车设计和制造中最重要的进步之一。每千克(2.2磅)较重的材料被铝取代，在车辆的使用寿命内就会减少22千克(44磅)的二氧化碳[来源:国际铝业协会]。

另一个有前景的应用是在燃料电池驱动的汽车中使用铝。普渡大学的研究人员最近发现，铝可以用来高效地生产氢燃料。该工艺从铝球开始，将其混合到液态镓中，生产液态铝镓。当水加入后，铝与氧反应形成凝胶。氢气也可以被收集起来用于燃料电池。

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。当未来的考古学家和人类学家回顾19世纪、20世纪和21世纪的社会时，他们很可能将其称为铝时代，将其与石器时代、青铜时代和铁器时代并列，成为人类文化发展中最重要的时期之一。