18新利最新登入铝的工作原理

像元素周期表上的其他几十种元素一样，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。所有元素在元素周期表中是按它们的位置排列的原子序数——它们原子核中的质子数。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。

在元素周期表中位于铝上面和下面的元素形成a的家庭,或集团这两家公司拥有相似的属性。铝属于第13类，它还包括硼(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。请注意，每个元素都由一个符号表示，铝的符号为艾尔．每个符号上面的数字是元素的数字原子量，以原子质量单位（阿姆河)．原子量是一种元素的平均质量，由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。

化学家将13组元素归为金属，除了硼，它不是一种成熟的金属。金属通常是有光泽的元素传导热量和电好。他们也可塑的——可以被锤成各种形状——还有韧性——能被拉进电线。这些特点当然适用于铝。事实上，铝经常被用于炊具，因为它能有效地导热。而且只有铜的导电性能更好，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。铝的其他重要特性如下:

• 熔点:660℃(933 K;1220华氏度)
• 沸点:2519℃(2792 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气之间发生的化学反应。当铝与氧气反应时，金属外层会形成一层氧化铝。这层薄层保护下面的铝免受氧气的腐蚀作用，水还有其他化学物质。因此，铝在户外使用尤其有价值。撞击时也不会产生火花，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。为了充分利用它的特性，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，首先是一种被称为铜的岩石般坚硬的材料铝土矿．

经过这一过程后，纯铝变得非常柔软和轻量化。有时，改变这些特性是可取的——例如，让铝变得更坚固、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、镁和锰制成合金。铜和镁可以增加铝的强度，而锰则可以增强铝的耐腐蚀性。

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。有270多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最丰富的金属和第三大元素。只有硅和氧比铝更常见。铝之后最常见的金属是铁，然后是镁、钛和锰。

铝的主要来源是一种矿石铝土矿．一个矿石是一种天然的固体物质，可以从中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。含水指的是水化学上与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.．

铝土矿的沉积物以接近地球表面的平坦层的形式出现，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，露天矿通常会提供最终会变成铝的铝土矿。首先，推土机清理了矿床上方的土地。然后工人们用炸药将土壤松动，将矿石带出地表。然后，巨型铁锹将富含铝土矿的土壤铲起，倒进卡车，然后将矿石运到加工厂。法国是第一个大规模开采铝土矿的地点。在美国，阿肯色州在此之前，期间和之后是铝土矿的主要供应商吗二战期间．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从氧化铁中分离出来。这是用奥地利化学家卡尔·约瑟夫·拜耳在1888年开发的技术完成的。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。氧化铁保持固体状态，通过过滤分离出来。最后，氢氧化铝被引入到铝酸钠溶液中，导致氧化铝溶解沉淀，或者从溶液中变成固体。这些晶体经过清洗和加热以去除水分。其结果是纯氧化铝，一种白色的细粉末，也被称为氧化铝．

氧化铝本身就是一种方便的材料。它的硬度使它可用作磨料和切削工具的组成部分。它还可以用来净化水，制作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。

蒂姆·格雷厄姆/盖蒂图片社
如果没有熔炼，这个怪物可能无法享受他的啤酒罐。

将氧化铝(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，只能得到少量的铝。大多数早期的工艺依赖于用活性更强的金属取代铝，但这种金属仍然很昂贵，而且相对难以捉摸。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发明了一种基于电解的冶炼工艺。

电解字面意思是“分解…电，并可将一种化学物质分解成多种化学成分。传统的电解装置需要将两个金属电极浸泡在含有正离子和负离子的材料的液体或熔融样品中。当电极连接到一个电池时，一个电极变成正极，或阳极．另一个电极变成负极，或阴极．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，而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)被认为是铝的名字的由来，他在19世纪初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液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，冰晶石是从西海岸发现的矿床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，这是更常见的。

铝冶炼的步骤如下:

1. 氧化铝在1000摄氏度(1832华氏度)溶解在冰晶石中，这似乎是一个非常高的温度，但你会发现纯氧化铝的熔点是2054摄氏度(3729华氏度)，加入冰晶石可以让电解在更低的温度下进行。
2. 电解液被放置在内衬石墨的铁缸中。大桶用作阴极。
3. 碳阳极浸在电解液中。
4. 电流通过熔化的物质。
5. 在阴极，电解将铝离子还原为金属铝。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桶底，并通过一个塞子定期排出。

霍尔发明的炼铝工艺产生了大量的纯铝。突然之间，这种金属不再稀有了。通过电解还原冰晶石生产铝的想法也并不罕见。几个月后，一位名叫保罗·埃洛特(Paul L.T. Heroult)的法国人提出了同样的想法。然而，霍尔在18新利最新登入1889年获得了这项工艺的专利，一年之后，他成立了匹兹堡还原公司，这就是后来的美国铝业公司。到1891年，铝产量超过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，装满了铝，准备倒进模具。

在霍尔-赫罗特过程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。但公司可以通过将几个油罐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，铝的生产日夜不停地进行，以确保金属保持液态。

每天一次，工人们从水壶里吸铝。大部分金属都被放在一边捏造锭．为了制造制造钢锭，熔融的铝进入大型熔炉，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来分离杂质，并将它们带到表面，以便将它们撇去。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。

一些从水壶里吸出来的铝没有经过合金处理，也没有经过清洁。相反，它被直接倒入模具中，在那里慢慢冷却并硬化形成铸造(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，然后自己进行合金化和熔剂处理。然后，他们使用以下制造技术将铝加工成各种零件，用于家用电器、汽车和其他用途。

• 铸造把熔化的金属倒入模具中，铝可以被铸造成各种各样的形状。随着铝冷却和变硬，它就形成了模具的形状。铸造被用来制造坚固的、形状独特的物体，比如汽车发动机的零件、铝锤和电熨斗的底部。
• 滚动通过反复将加热的铝锭通过沉重的滚轮，这种金属可以被压扁成薄片，甚至是极薄的箔。制作最薄的箔纸大约需要10到12道工序，厚度只有0.15毫米。
• 挤压挤压是迫使软化的铝通过模具。模口的形状决定了挤压铝的形状。
• 锻造:锻造是一种将铝锤击或压制而成的超强金属。这种方法使锻造铝成为飞机和汽车的承压部件的理想材料。

饮料罐诞生了 一个饮料罐首先是用铝板穿孔成圆形的金属片。这个直径为5.5英寸(14.0厘米)的圆被称为圆空白．一台机器将毛坯拉入直径为3.5英寸(8.9厘米)的杯子中。另一台机器重新拉伸杯子，将其拉长，熨烫，并将两侧变薄。最后，清洗罐子，装饰和“颈部”以容纳盖子。

• 画为了制作线材，一根铝棒被拉过一系列依次较小的模具，这一过程称为拉拔。拉伸铝可以产生直径小于10毫米的金属丝。
• 加工传统的加工操作，如车削、铣削、镗孔、攻丝和锯，在铝及其合金上很容易进行。机加工通常用于生产螺栓、螺钉和其他小型五金零件。

铝是一种有吸引力的金属，通常不需要表面处理。但它可以被抛光、涂漆和电镀。例如，啤酒和苏打水制造商使用打印工艺将他们的标签粘贴在铝罐上(见侧栏)。典型的印刷配方通常是漆涂层，既能很好地粘附在铝上，又能提供美学吸引力。当然，在回收时，这样的饰面是一个问题，因为它们必须被去除。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，铝有许多应用。事实上，铝是仅次于钢的第二大使用金属，2007年铝的年产量达到2480万吨(2250万公吨)[来源:国际铝业协会]。其中大部分产量都流向了全球生产的1870亿罐铝罐[来源:诺］．汽车行业是铝材增长最快的市场。用铝制造汽车零件——从轮辋到汽缸盖、活塞和散热器——会产生巨大的成本车更轻，减少燃料消耗和污染水平。据估计，一辆含有331磅(150公斤)铝的汽车每100英里可以减少0.43加仑的燃料消耗[来源:汽配报告］．

下面是铝的其他一些重要用途。

• 汽车与交通:汽车和摩托车零件，飞机机身和零件，车牌
• 建筑与建造:壁板和屋顶，排水沟，窗框，内外漆，五金
• 罐头和瓶盖:饮料和食品罐头，瓶盖
• 包装:铝箔纸、铝箔包装纸、铝托盘、糖果和口香糖包装纸
• 电:电源线、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
• 体育用品和娱乐:高尔夫球杆、棒球棒、草坪家具
  

令人惊讶的是，大部分的铝至今仍在使用。那是因为它可以是回收一遍又一遍，却不失其品质。大多数回收的铝来自以下三个来源之一:用过的饮料罐、旧汽车的零件和铝产品制造过程中收集的废料[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(如果你是一个大回收者，一定要阅读我应该回收什么东西?)．第一个国家罐头回收计划开始于1968年，今天，美国每年大约回收660亿罐罐头美国独自[来源:美国铝业］．

铝罐回收是一种闭环过程，这意味着回收过程后的新产品与之前的产品相同。闭环易拉罐回收有六个步骤:

1. 旧铝罐被运到铝回收厂。
2. 罐头被撕成小块。
3. 碎片被送入熔炉。
4. 熔融的铝冷却后变硬成长方形的铸锭。
5. 铝锭被制成薄铝片。
6. 这些薄片被用来做新罐头。

铝行业的很多创新都与提高生产效率和回收利用有关。但是，正如我们将在下一节看到的，随着新的令人兴奋的应用出现，对铝的需求只会增长。

初级生产铝需要大量的能源。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排放的1%。行业的首要任务是通过减少排放的措施来减少排放回收以及铝在汽车、飞机、轮船和火车上的使用。事实上，在汽车上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。每用铝代替一公斤(2.2磅)更重的材料，就可以在车辆的使用寿命中减少22公斤(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汽车中使用铝。普渡大学的研究人员最近发现，铝可以有效地用于生产氢燃料。该过程从铝球开始，将其与液态镓混合，产生液态铝镓。当水加入铝后，铝与氧气反应形成凝胶。氢气也可以被收集起来，用来为燃料电池提供动力。

诸如此类的创新将增加对铝的需求。尽管这种金属相对较年轻，但它却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回顾19世纪、20世纪和21世纪的社会时，他们很可能会将其称为铝时代，将其列为人类文化发展中最重要的时期之一，仅次于石器时代、青铜时代和铁器时代。