鋁(金屬元素):發展歷史,含量分布,分類,製備方法,化學性質,與酸反應,與鹼反應,

銀白色輕金屬。有延展性。商品常製成棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。鋁粉在空氣中加熱能猛烈燃燒，並發出眩目的白色火焰。易溶於稀硫酸、硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，難溶於水。相對密度2.70。熔點660℃。沸點2327℃。鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和矽，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。航空、建築、汽車三大重要工業的發展，要求材料特性具有鋁及其合金的獨特性質，這就大大有利於這種新金屬鋁的生產和套用。套用極為廣泛。

2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，鋁製品在一類致癌物清單中。

基本介紹

中文名：鋁
外文名：Aluminium
元素符號：Al
相對原子質量：26.981539
化學品類別：金屬單質
管制類型：粉狀管制
儲存方法：密封乾燥保存
CAS編號：7429-90-5

發展歷史,含量分布,分類,製備方法,化學性質,與酸反應,與鹼反應,與非金屬反應,鋁熱反應,與水反應,物理性質,基本物性,同位素,主要用途,毒理性質,測定方法,產業情況,

發展歷史

鋁（Aluminium）的英文名出自明礬（alum），即硫酸復鹽KAl(SO₄)₂·12H₂O。史前時代，人類已經使用含鋁化合物的黏土（Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O）製成陶器。鋁在地殼中的含量僅次於氧和矽，位列第三。但是由於鋁化合物的氧化性很弱，鋁不易從其化合物中被還原出來，因而遲遲不能分離出金屬鋁。義大利物理學家伏打發明電池後，戴維試圖利用電流從礬土中分離出金屬鋁，都沒有成功，但他建議將其命名為“alumium”，後改為“aluminum”，不久即修飾成aluminium。這種詞形在全世界通用，但北美除外，那裡的美國化學會（ACS）於1925年決定在出版刊物中採用“aluminum”。丹麥化學家奧斯特利用稀的鉀汞齊與氯化鋁反應第一次分離出不純的金屬鋁。1827年德國化學家武勒重複了奧斯特的實驗，並不斷改進制取鋁的方法。1854年，德國化學家德維爾利用鈉代替鉀還原氯化鋁，製得鋁錠。在以後的一段時期里，鋁是帝王貴族們享用的珍寶。法國皇帝拿破崙三世在宴會上使用過鋁製叉子；泰國國王使用過鋁製表鏈。1855年在巴黎博覽會上，它與王冠上的寶石一起展出，標籤上註明“來自黏土的白銀”。1889年，門捷列夫還曾得到倫敦化學會贈送的鋁合金製成的花瓶和杯子。

到19世紀末，鋁的價格發生了成千倍的跌落。首先是由於19世紀70年代西門子改進了發電機後，有了廉價的電力；其次是由於法國的Heroult和美國的C. M. Hall於1886年分別發展了將氧化鋁溶解在冰晶石（Na₃AlF₆）中電解的方法。當時他們都是22歲。這項創舉使鋁以大規模生產，奠定了今天世界電解鋁的工業方法。至今各種鋁製品已廣泛進入千家萬戶。

2017年10月27日，世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考，鋁製品在一類致癌物清單中。

2018年7月30日，一個國際研究團隊說，他們首次在宇宙中明確探測到一种放射性分子（氟化鋁，包含鋁的放射性同位素“鋁－26”），且這種分子可能是因兩顆恆星相撞而“飛濺”到星際空間的。

含量分布

地殼中含量最豐富的金屬元素，含量8.3%。主要以鋁矽酸鹽礦石存在，還有鋁土礦和冰晶石。氧化鋁為一種白色無定形粉末，它有多種變體，其中最為人們所熟悉的是α－Al₂O₃和β－Al₂O₃。自然界存在的剛玉即屬於α一Al₂O₃，它的硬度僅次於金剛石，熔點高、耐酸鹼，常用來製作一些軸承，製造磨料、耐火材料。如剛玉坩堝，可耐1800℃的高溫。Al₂O₃由於含有不同的雜質而有多種顏色。例如含微量Cr（III）的呈紅色，稱為紅寶石；含有Fe（II），Fe（III）或Ti（IV）的稱為藍寶石。

鋁是一種輕金屬，化學符號為Al，原子序數：13。鋁元素在地殼中的含量僅次於氧和矽，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素，其蘊藏量在金屬中居第2位。在金屬品種中，僅次於鋼鐵，為第二大類金屬。

分類

根據鋁的成分可分三類：

名稱	含鋁量（%）
高級純鋁	99.93~99.999
工業高純鋁	99.85~99.9
工業純鋁	98~99.7

製備方法

1854年，法國化學家德維爾把鋁礬土、木炭、食鹽混合，通入氯氣後加熱得到NaCl，AlCl₃復鹽，再將此復鹽與過量的鈉熔融，得到了金屬鋁。1886年，美國的豪爾和法國的海朗特，分別獨立地電解熔融的鋁礬土和冰晶石（Na₃AlF₆）的混合物製得了金屬鋁，奠定了今後大規模生產鋁的基礎。

鋁以化合態的形式存在於各種岩石或礦石里，如長石、雲母、高嶺石、鋁土礦、明礬時，等等。由鋁的氧化物與冰晶石（Na₃AlF₆）共熔電解可製得鋁，其主要反應過程如下：

從鋁土礦中提取鋁反應過程

溶解：將鋁土礦溶於NaOH(aq)：Al₂O₃+ 2NaOH+3H₂O= 2NaAl(OH)4（四羥基合鋁酸鈉）
過濾：除去殘渣氧化亞鐵(FeO)、矽鋁酸鈉等
酸化：向濾液中通入過量CO₂：NaAl(OH)4+ CO₂ = Al(OH)₃↓+ NaHCO₃
過濾、灼燒 Al(OH)₃：2Al(OH)₃ =高溫= Al₂O₃+ 3H₂O
電解：2Al₂O₃(l) =通電= 4Al + 3O₂↑

註：電解時為使氧化鋁熔融溫度降低，在Al₂O₃ 中添加冰晶石(Na₃AlF₆)。不電解熔融AlCl₃煉Al；原因：AlCl₃是共價化合物，其熔融態導電性極差。

化學性質

鋁是活潑金屬，在乾燥空氣中鋁的表面立即形成厚約50埃（1埃=0.1納米）的緻密氧化膜，使鋁不會進一步氧化並能耐水；但鋁的粉末與空氣混合則極易燃燒；熔融的鋁能與水猛烈相應的金屬；鋁是兩性的，極易溶於強鹼，也能溶於稀酸。

與酸反應

2Al +6HCl ==== 2AlCl₃+ 3H₂↑
2Al + 3H₂SO₄(稀)==== Al₂(SO₄)₃+ 3H₂↑
Al + 6HNO₃(濃)==Δ==Al(NO₃)₃+ 3NO₂↑+ 3H₂O
Al + 4HNO₃(稀)==== Al(NO₃)₃+ NO↑+ 2H₂O
8Al + 30HNO₃(較稀)====8Al(NO₃)₃+ 3N₂O↑+ 15H₂O
8Al + 30HNO₃(極稀)====8Al(NO₃)₃+ 3NH₄NO₃+ 9H₂O

6CH₃COOH+2Al=2Al(CH₃COO)₃+3H₂↑

與鹼反應

2Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2↑

與非金屬反應

4Al+3O₂====2Al₂O₃（點燃）

2Al+3Cl₂====2AlCl₃ (點燃）

2Al+3S====Al₂S₃ （加熱）

鋁熱反應

2Al + Fe₂O₃==點燃== Al₂O₃+2Fe（鋁熱反應）

8Al + 3Fe₃O4==高溫== 4Al₂O₃+9Fe

與水反應

根據鋁的還原性可推斷鋁可以與水反應，但實驗發現，鋁與沸水幾乎沒有反應現象，不過鋁在加熱條件下就可以與水蒸汽發生明顯反應，但反應一開始就與水中的氧氣生成緻密氧化膜阻止反應進一步進行。

物理性質

基本物性

鋁為銀白色輕金屬。有延展性。商品常製成柱狀、棒狀、片狀、箔狀、粉狀、帶狀和絲狀。在潮濕空氣中能形成一層防止金屬腐蝕的氧化膜。用酸處理過的鋁粉在空氣中加熱能猛烈燃燒，並發出眩目的白色火焰。易溶於稀硫酸、稀硝酸、鹽酸、氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液，不溶於水，但可以和熱水緩慢地反應生成氫氧化鋁，相對密度2.70，彈性模量70Gpa，泊松比0.33。熔點660℃。沸點2327℃。以其輕、良好的導電和導熱性能、高反射性和耐氧化而被廣泛使用。做日用皿器的鋁通常叫“鋼精”或“鋼種”。Al 在（室溫）25℃的熱膨脹係數0.0000236mm/℃ 或23.6ppm*k^-1。

同位素

鋁有24種同位素，其中只有一種是穩定的。同位素列表如下：

符號	質子	中子	質量	半衰期	自旋	相對豐度
19Al	13	6	19.0(218)#	<(35) ns #
20Al	13	7	(20.0194)#	<3(5) ns #
21Al	13	8	21.02804(32)#	<35 ns	1/2+#
22Al	13	9	22.01952(10)#	59(3) ms	(3)+
23Al	13	10	23.007267(20)	470(30) ms	5/2+#
24Al	13	11	23.9999389(30)	2.053(4) s	4+
25Al	13	12	24.9904281(5)	7.183(12) s	5/2+
26Al	13	13	25.98689169(6)	7.17(24)E+5 a	5+
27Al	13	14	26.98153863(12)	穩定	5/2+	1.0000
28Al	13	15	27.98191031(14)	2.2414(12) min	3+
29Al	13	16	28.9804450(13)	6.56(6) min	5/2+
30Al	13	17	29.982960(15)	3.60(6) s	3+
31Al	13	18	30.983947(22)	644(25) ms	(3/2,5/2)+
32Al	13	19	31.98812(9)	31.7(8) ms	1+
33Al	13	20	32.99084(8)	41.7(2) ms	(5/2+)#
34Al	13	21	33.99685(12)	56.3(5) ms	4-#
35Al	13	22	34.99986(19)	38.6(4) ms	5/2+#
36Al	13	23	36.00621(23)	90(40) ms
37Al	13	24	37.01068(36)	10.7(13) ms
38Al	13	25	38.01723(78)	7.6(6) ms
39Al	13	26	39.02297(158)	7.6(16) ms	3/2+#
40Al	13	27	40.03145(75)#	10# ms [>260 ns]
41Al	13	28	41.03833(86)#	2# ms [>260 ns]	3/2+#
42Al	13	29	42.04689(97)#	1# ms

備註:畫上#號的數據代表沒有經過實驗的證明，只是理論推測而已，而用括弧括起來的代表數據不確定性。

主要用途

物質的用途在很大程度上取決於物質的性質。因為鋁有多種優良性能，所以鋁有著極為廣泛的用途。

鋁及鋁合金是當前用途十分廣泛的、最經濟適用的材料之一。世界鋁產量從1956年開始超過銅產量一直居有色金屬之首。當前鋁的產量和用量（按噸計算）僅次於鋼材，成為人類套用的第二大金屬；而且鋁的資源十分豐富，據初步計算，鋁的礦藏儲存量約占地殼構成物質的8%以上。

鋁的重量輕和耐腐蝕，是其性能的兩大突出特點。

鋁的密度很小，僅為2.7 g/cm³，雖然它比較軟，但可製成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防鏽鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛套用于飛機、汽車、火車、船舶等製造工業。此外，宇宙火箭、太空梭、人造衛星也使用大量的鋁及其鋁合金。例如，一架超音速飛機約由70%的鋁及其鋁合金構成。船舶建造中也大量使用鋁，一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。
鋁的導電性僅次於銀、銅和金，雖然它的導電率只有銅的2/3，但密度只有銅的1/3，所以輸送同量的電，鋁線的質量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力，而且有一定的絕緣性，所以鋁在電器製造工業、電線電纜工業和無線電工業中有廣泛的用途。
鋁是熱的良導體，它的導熱能力比鐵大3倍，工業上可用鋁製造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。
鋁有較好的延展性(它的延展性僅次於金和銀)，在100 ℃～150 ℃時可製成薄於0.01 mm的鋁箔。這些鋁箔廣泛用於包裝香菸、糖果等，還可製成鋁絲、鋁條，並能軋制各種鋁製品。
鋁的表面因有緻密的氧化物保護膜，不易受到腐蝕，常被用來製造化學反應器、醫療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。
鋁粉具有銀白色光澤(一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色)，常用來做塗料，俗稱銀粉、銀漆，以保護鐵製品不被腐蝕，而且美觀。
鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光，常用於製造爆炸混合物，如銨鋁炸藥(由硝酸銨、木炭粉、鋁粉、煙黑及其他可燃性有機物混合而成)、燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈可用來攻擊難以著火的目標或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸鋇68%、鋁粉28%、蟲膠4%)。
鋁熱劑常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等。鋁還用做煉鋼過程中的脫氧劑。鋁粉和石墨、二氧化鈦(或其他高熔點金屬的氧化物)按一定比率均勻混合後，塗在金屬上，經高溫煅燒而製成耐高溫的金屬陶瓷，它在火箭及飛彈技術上有重要套用。
鋁板對光的反射性能也很好，反射紫外線比銀強，鋁越純，其反射能力越好，因此常用來製造高質量的反射鏡，如太陽灶反射鏡等。
鋁具有吸音性能，音響效果也較好，所以廣播室、現代化大型建築室內的天花板等也採用鋁。
耐低溫，鋁在溫度低時，它的強度反而增加而無脆性，因此它是理想的用於低溫裝置材料，如冷藏庫、冷凍庫、南極雪上車輛、氧化氫的生產裝置。

毒理性質

研究發現，鋁元素能損害人的腦細胞。根據世界衛生組織的評估，規定鋁的每日攝入量為0～0.6mg/kg，這裡的kg是指人的體重，即一個60kg的人允許攝入量為36mg。我國《食品添加劑使用標準GB2760-2011》中規定，鋁的殘留量要小於等於100mg/kg。以此計算，一個體重60kg的人每天吃油條不多於360g就不必擔心。

鋁在人體內是慢慢蓄積起來的，其引起的毒性緩慢、且不易察覺，然而，一旦發生代謝紊亂的毒性反應，則後果非常嚴重。因此，必須引起我們的重視，在日常生活中要防止鋁的吸收，減少鋁製品的使用。鋁及其化合物對人類的危害與其貢獻相比是無法相提並論的，只要人們切實注意，揚長避短，它對人類社會將發揮出更為重要的作用。
避免方法：

避免使用鋁製成的炊具
少吃炸油條、由鋁包裝的糖果等食品，少喝易拉罐裝的軟飲料
部分藥品由含鋁物質製成，應減少服用含鋁元素的藥品，如:可以中和胃酸的Al(OH)3。

測定方法

方法名稱：硫糖鋁—鋁的測定—絡合滴定法

套用範圍：採用絡合滴定法測定硫糖鋁中鋁的含量，適用於硫糖鋁中鋁的含量測定。

方法原理：取供試品適量，經溶解稀釋中和處理後，加醋酸-醋酸銨緩衝液，精密加乙二胺四醋酸二鈉滴定液（0.05mol/L），煮沸3～5分鐘，放冷至室溫。每1mL乙二胺四醋酸鈉滴定液（0.05mol/L）相當於1.349mg的鋁，計算，即得。

測定試劑：

水（新沸放置至室溫）
醋酸-醋酸銨緩衝液（pH6.0）
二甲酚橙指示液
鋅滴定液（0.05mol/L）
乙二胺四醋酸二鈉滴定液（0.05mol/L）
基準氧化鋅
稀鹽酸
甲基紅的乙醇溶液（0.025%）
氨試液
鉻黑T指示劑
氨-氯化銨緩衝液（pH10.0）

操作步驟：

取本品約1.0g，精密稱定，置200mL量瓶中，加稀鹽酸10mL溶解後，加水稀釋至刻度，搖勻，精密量取20mL，加氨試液中和至恰析出沉澱，再滴加稀鹽酸至沉澱恰溶解為止，加醋酸-醋酸銨緩衝液（pH6.0）20mL，再精密加乙二胺四醋酸二鈉滴定液（0.05mol/L）25mL，煮沸3～5分鐘，放冷至室溫，加二甲酚橙指示液1mL，用鋅滴定液（0.05mol/L）滴定至溶液自黃色轉變為紅色，並將滴定結果用空白試驗校正。

注1：“精密稱取”系指稱取重量應準確至所稱取重量的千分之一，“精密量取”系指量取體積的準確度應符合國家標準中對該體積移液管的精度要求。

注2：“水分測定”用烘乾法，取供試品2～5g，平鋪於乾燥至恆重的扁形稱瓶中，厚度不超過5mm，疏鬆供試品不超過10mm，精密稱取，打開瓶蓋在100～105℃乾燥5小時，將瓶蓋蓋好，移置乾燥器中，冷卻30分鐘，精密稱定重量，再在上述溫度乾燥1小時，冷卻，稱重，至連續兩次稱重的差異不超過5mg為止。根據減失的重量，計算供試品中含水量（%）。

產業情況

據相關資料顯示，在我國特殊的資源和能源狀況下，催生了科技創新的進程。在異型陰極結構電解槽、新型結構導流槽及高效節能型電解槽大範圍推廣套用之後，又開發出大容量電解槽磁流體最佳化設計技術，使電解槽的磁場平衡進一步最佳化。西部地區新建產能中，大量企業採用了各類新型變斷面陰極鋼棒技術，較好地改善鋁水平和垂直磁流體比例關係，減少鋁液波幅，為極距降低提供空間。同時，提高電流密度，加強保溫，在陽極上開溝、打孔等節能降耗試驗等取得較好效果。

改革開放以來，中國鋁工業取得了長足發展，已成為世界鋁工業大國，形成了從鋁土礦、氧化鋁、電解鋁、鋁加工、研發為一體的比較完善的工業體系。

2006年，中國鋁業從2005年的全行業虧損迅速轉為全行業實現利潤324億元、利稅500多億元。電解鋁落後的自焙槽生產能力被淘汰，2006年，電解鋁1200萬噸產能中160kA及以上產能占83%，已經全部淘汰落後的自焙槽生產能力，部分小型預焙槽生產能力得到改造。

鋁(金屬元素)