鋁的運作原理

如果有哪一個元素曾被選為“最不可能成功”的元素，那一定是鋁。儘管古代波斯陶工將鋁添加到粘土中以加強陶器，但純鋁直到1825年才被發現。到那時，人類已經使用了幾千年的金屬和金屬合金（例如青銅）。

即使在發現之後，鋁似乎註定要被忽視。化學家只能分離出少量的鋁，它是如此稀有，以至於與金和銀一起被視為半貴金屬。事實上，1884年，美國的鋁產量總共只有125磅（57公斤）。

然後，在1886年，美國的查爾斯·馬丁·霍爾（Charles Martin Hall）和法國的保羅·L·T·赫魯特（Paul L. T. Heroult）各自獨立開發了一種從鋁氧化物中提取鋁的方法。這個過程是一種電解還原方法，需要大量的電力，但它能夠大量生產金屬形式的鋁。到1891年，鋁的產量已達到300多噸（272公噸）。鋁開始廣泛應用於從鍋碗瓢盆到燈泡和電線，再到汽車和摩托車的各種產品中。

今天，一個多世紀之後，鋁成為地球上最豐富的金屬元素。美國每年生產超過560萬噸（510萬公噸）鋁。其中大部分鋁用於啤酒和蘇打罐——每天生產3億個鋁罐，每年生產1000億個。對於一種曾經很長時間未被發現的元素來說，這真是不錯的成績。

在本文中，我們將更仔細地看看鋁——其性質、發現和行為。我們還將檢查鋁的生命周期，從使用霍爾-赫魯特過程生產到回收後的再生。最後，我們將探索鋁的各種用途，包括一些可能會讓你驚訝的未來用途。

讓我們從基本知識開始：從化學家的角度來看鋁。

鋁101

在美國，我們稱之為“aluminum”。但世界其他地方，包括國際純粹與應用化學聯合會，則稱之為“aluminium”。這種混淆可以追溯到漢弗里·戴維爵士，他最初將這個未知元素命名為“alumium”。後來他將其改為“aluminum”，最終改為“aluminium”，這與他發現的其他金屬如鉀和鈉的名稱結尾相似。

鋁合金、鋁箔和鋁氧化物在本質上與鋁合金、鋁箔和鋁氧化物沒有區別。你使用哪個術語主要取決於你住在哪裡，北美的人們傾向於使用少一個元音的版本。

與週期表上的其他幾十種元素一樣，鋁是天然存在的。與所有元素一樣，鋁是一種純化學物質，不能分解成更簡單的物質。所有元素根據其原子序數（原子核中的質子數）排列在週期表中。鋁的幸運數字是13，因此一個鋁原子有13個質子。它也有13個電子。

位於週期表上鋁上方和下方的元素形成一個家族或組，其共享相似的性質。鋁屬於第13族，其中還包括硼（B）、鎵（Ga）、銦（In）和鉈（Tl）。右邊的表格顯示了這些元素在週期表上的排列方式。注意每個元素都用一個符號表示，鋁的符號是Al。符號上方的數字是元素的原子量，單位是原子質量單位（amu）。原子量是考慮到每個天然同位素的貢獻後確定的元素平均質量。鋁的原子量是26.98 amu。鋁符號下方的數字是它的原子序數。

第13族硼家族

化學家將第13族的元素歸類為金屬，除了硼，它不是完全的金屬。金屬通常是閃亮的元素，能夠良好地導熱和導電。它們也具有延展性——能夠被鍛造成各種形狀——以及延性——能夠被拉成細絲。這些特性當然適用於鋁。事實上，鋁常用於炊具，因為它能有效導熱。只有銅的導電性比鋁更好，這使得鋁成為製作電氣材料（包括燈泡、電線和電話線）的理想材料。鋁的其他重要性質如下：

• 熔點：660攝氏度（933開氏度；1,220華氏度）
• 沸點：2,519攝氏度（2,792開氏度；4,566華氏度）
• 密度：2.7克/立方厘米
• 高反射率
• 非磁性
• 非火花
• 耐腐蝕

這些最後兩個特性使鋁特別有用。它的耐腐蝕性是由金屬和氧氣之間發生的化學反應造成的。當鋁與氧氣反應時，金屬外部會形成一層鋁氧化物。這層薄薄的氧化層保護了下層鋁不受氧氣、水和其他化學物質的腐蝕。因此，鋁特別適合用於戶外。它在被撞擊時也不會產生火花，這意味著可以在易燃或爆炸性材料附近使用。

鋁在自然界中以各種化合物形式存在。要利用它的特性，必須將它從與其結合的其他元素中分離出來——這是一個漫長而複雜的過程，始於一種堅硬的材料，稱為鋁土礦。

在經過這個過程之後，鋁在其純粹形式中非常柔軟和輕便。有時我們需要改變這些性質，例如使鋁更強更硬。為了達到這個目的，冶金學家會將鋁與其他金屬元素結合，形成所謂的合金。鋁常與銅、鎂和錳合金化。銅和鎂增加鋁的強度，而錳增強鋁的耐腐蝕性。

開採和精煉鋁

鋁在自然界中並不以純元素形式存在。它表現出相對較高的化學反應性，這意味著它傾向於與其他元素結合形成化合物。地球的岩石和土壤中含有超過270種含鋁化合物的礦物。這使得鋁成為地殼中最豐富的金屬元素和第三豐富的元素。只有硅和氧比鋁更常見。鋁之後最常見的金屬是鐵，然後是鎂、鈦和錳。

鋁的主要來源是稱為鋁土礦的礦石。礦石是指任何天然存在的固體材料，可以從中提取金屬或有價值的礦物。在這種情況下，固體材料是含有水合鋁氧化物和水合鐵氧化物的混合物。水合是指化學結合的水分子與這兩種化合物。鋁氧化物的化學公式是Al2O3。鐵氧化物的公式是Fe2O3。

鋁土礦的沉積層通常位於地球表面附近，可能覆蓋很多英里。地質學家通過勘探——在懷疑含有礦石的土壤中採取岩芯樣本或鑽孔來找到這些沉積層。通過分析岩芯，科學家可以確定鋁土礦的數量和質量。

鋁的冶煉

將鋁土礦——鋁氧化物——轉化為鋁代表了工業革命中的一個重要里程碑。在現代冶煉技術發展之前，只能獲得少量的鋁。大多數早期的過程依賴於用更具反應性的金屬置換鋁，但金屬依然昂貴且相對難以獲得。這一切在1886年改變了——那一年兩位有抱負的化學家和工業家發展出了一種基於電解的冶煉過程。

電解字面意思是“用電分解”，它可以用來分解一種化學物質成分化學物質。傳統的電解裝置需要兩個金屬電極浸入含有正負離子的液體或熔融樣品中。當電極與電池連接時，一個電極成為正極或陽極。另一個電極成為負極或陰極。由於電極帶有電荷，它們會吸引或排斥溶液中溶解的帶電粒子。正極吸引帶負電的離子，而負極吸引帶正電的離子。

英國化學家漢弗里·戴維試圖在19世紀初用電解法生產鋁，但未能成功。法國教師兼業餘化學家亨利·聖克萊爾·德維爾（Henri Saint-Claire Deville）也未能成功。然後在1886年2月，經過幾年的實驗，美國的查爾斯·馬丁·霍爾發現了一個恰到好處的配方：將直流電通過溶解在熔融冰晶石中的鋁土礦溶液中。冰晶石是一種鈉鋁氟化物（Na3AlF6）。直到1987年，冰晶石仍從格陵蘭西海岸的沉積層中開採。今天，化學家從更常見的螢石中合成這種化合物。

鋁冶煉的步驟如下所述：

1. 鋁土礦在1,000攝氏度（1,832華氏度）的熔融冰晶石中溶解。這似乎是個極高的溫度，直到你意識到純鋁土礦的熔點是2,054攝氏度（3,729華氏度）。加入冰晶石可以使電解在較低溫度下進行。
2. 電解質被放置在襯有石墨的鐵槽中。槽作為陰極。
3. 碳陽極浸入電解質中。
4. 電流通過熔融材料。
5. 在陰極，電解將鋁離子還原為鋁金屬。在陽極，碳被氧化形成二氧化碳氣體。整個反應如下： $2Al2O3+3C\to 4Al+3CO2$

熔融鋁金屬沉入槽底，定期通過一個塞子排出。

霍爾發展的鋁冶煉過程生產了大量純鋁。突然間，這種金屬不再稀有。生產鋁的電解還原法並不是稀有的想法。幾個月後，一位名叫保羅·L·T·赫魯特的法國人提出了同樣的想法。然而，霍爾在1889年獲得了這個過程的專利，並於一年後創立了匹茲堡還原公司，後來成為美國鋁業公司（Alcoa）。到1891年，鋁的產量達到300多噸（272公噸）。

鋁的加工

霍爾-赫魯特過程使用的槽被稱為罐。一个大的罐每天可以生產超過2噸鋁。但是公司可以通過將多個罐連接在一起形成罐線來成倍增加產量。一個冶煉廠可能包含一個或多個罐線，每條罐線有200到300個罐。在這些罐內，鋁的生產日夜不斷，以確保金屬保持液態。

每天一次，工人從罐線中抽取鋁。大部分金屬被放置一邊製成加工錠。要製成加工錠，熔融鋁會進入大型爐中，在那裡可以與其他金屬混合形成合金。從那裡，金屬經過稱為熔劑化的清潔過程。熔劑化使用氮氣或氬氣等氣體分離雜質並將其帶到表面，然後可以將其撇去。純化的鋁然後被倒入模具中，通過噴冷水迅速冷卻金屬。

一些從罐線中抽取的鋁不經過合金化或清潔。相反，它直接倒入模具中，緩慢冷卻並硬化形成鑄錠（或再熔錠）。主要鋁廠將鑄錠賣給鑄造廠。鑄造廠將鋁重新轉化為液態，並進行合金化和熔劑化。他們然後通過以下加工技術將鋁轉化為各種部件：

• 鑄造：通過將熔融金屬倒入模具中，可以將鋁鑄造成無數形狀。鋁冷卻和硬化後，成為模具的形狀。鑄造用於製作實心、形狀獨特的物體，例如汽車引擎部件、鋁錘和電熨斗的底部。
• 軋製：通過反復將加熱的鋁錠通過重型軋機，可以將金屬壓平成薄片甚至是超薄的鋁箔。大約需要10到12次軋製才能製成最薄的鋁箔，厚度僅為0.15毫米。
• 擠壓：擠壓涉及將軟化的鋁通過模具。模具開口的形狀決定了擠壓鋁的形狀。
• 鍛造：鍛造是一種將鋁錘打或壓制的方法，產生超強的金屬。這種方法使鍛造鋁成為飛機和汽車的承重部件的理想材料。
• 拉製：要製造電線，鋁棒通過一系列逐漸變小的模具進行拉製。拉製鋁可以生產直徑小於10毫米的電線。
• 機加工：傳統的機加工操作，如車削、銑削、鑽孔、攻絲和鋸切，易於對鋁及其合金進行操作。機加工通常用於製作螺栓、螺絲和其他小型五金件。

鋁是一種有吸引力的金屬，通常不需要進行表面處理。但它可以拋光、塗漆和電鍍。例如，啤酒和蘇打水生產商使用印刷過程將標籤附在鋁罐上。典型的印刷配方通常是漆層，這些漆層既能很好地附著在鋁上，又能提供美觀的效果。當然，這些漆層在回收過程中是一個問題，因為它們必須被去除。在下一節中，我們將詳細探討鋁的回收方式。

使用和回收鋁

由於鋁的多功能性，它適用於無數應用。事實上，它是僅次於鋼的第二大使用金屬，2007年全球年初級生產達到2480萬噸（2250萬公噸）。其中很大一部分用於每年生產的1870億個鋁罐。汽車工業是鋁的最快增長市場。用鋁製作汽車零部件——從車輪輪輞到氣缸蓋、活塞和散熱器——可以使車輛更輕，減少燃料消耗和污染水平。

鋁的其他重要用途包括：

• 汽車和運輸：汽車和摩托車零部件、飛機機身和零部件、車牌
• 建築和建設：外牆和屋頂、排水溝、窗框、內外塗料、五金
• 罐和封閉物：飲料和食品罐、瓶蓋
• 包裝：鋁箔、箔包裝、鋁托盤、糖果和口香糖包裝紙
• 電氣：電力和電話線、燈泡
• 健康和衛生：抗酸劑、收斂劑、緩衝阿司匹林、食品添加劑
• 烹飪：器皿、鍋和鍋
• 運動和休閒：高爾夫球杆和棒球棒、草坪家具

鋁的未來

鋁的光輝歷史

• 1746年：約翰·海因里希·波特從明礬中制備氧化鋁。
• 1825年：漢斯·克里斯蒂安·奧斯特德首次製得鋁。
• 1886年：查爾斯·馬丁·霍爾和保羅·L·T·赫魯特均用電解法製得鋁。
• 1888年：霍爾及其合作夥伴成立了如今的美國鋁業公司（Alcoa）。
• 1914年：第一次世界大戰期間鋁需求激增。
• 1947年：雷諾鋁箔上市。
• 1963年：庫爾斯推出首款鋁製飲料罐。
• 1968年：美國首個罐回收計劃開始。
• 2020年：國際鋁協會預計鋁業將達到碳中和。

鋁的初級生產需要巨大的能源，還會產生影響全球變暖的溫室氣體。根據國際鋁協會的數據，生產新鋁的過程釋放了全球人為溫室氣體排放量的1%。行業的一個重要目標是通過減少排放、增加回收和在車輛、飛機、水上船隻和火車中使用鋁來減少這些排放。事實上，在車輛中使用輕質鋁部件是汽車設計和製造的一項重大進步。每更換1公斤（2.2磅）的較重材料，車輛的使用壽命內可以減少22公斤（44磅）的二氧化碳排放。

另一個有前途的應用是將鋁用於燃料電池汽車。普渡大學的研究人員最近發現，鋁可以有效地生產氫燃料。這個過程始於鋁顆粒，這些顆粒與液態鎵混合生成液態鋁鎵。當加入水時，鋁與氧反應生成凝膠。同時產生的氫氣可以收集並用於燃料電池。

像這樣的創新將增加對鋁的需求。儘管鋁相對年輕，但它是人類文明史上最重要的金屬之一。當未來的考古學家和人類學家反思19、20和21世紀的社會時，他們很可能會將其標記為鋁時代，與石器時代、青銅時代和鐵器時代並列為人類文化發展史上最重要的時期之一。