曾經(jīng)有一段時期，鋁是比黃金還貴重的金屬。在法國皇帝拿破侖三世的宴會上，只有王室成員和貴族來賓才能榮幸地用鋁匙和鋁叉進(jìn)餐，而地位較低的客人只能使用普通的金制和銀制餐具。拿破侖三世為顯示自己的富有和尊貴，還令人給他制造了一頂比黃金冠更名貴的王冠——鋁王冠。 “危險金屬”一度令金銀貶值 古代歷史學(xué)家普利尼講過一個驚人的故事。大約兩千年前的一天，一個陌生人來拜見羅馬皇帝泰比里厄斯，獻(xiàn)上一只金屬杯子，杯子像銀子一樣閃閃發(fā)光，但是分量很輕。這個人說，這種新的金屬是他從黏土中提煉出來的。 泰比里厄斯是一個飽食終日、無所用心、目光短淺的暴君。表面上他表示感謝，但實(shí)際上他害怕這種光彩奪目的新金屬會使他的金銀財寶貶值，就下令把這位發(fā)明家斬首并毀掉了工廠，從此再也沒有人動過提煉這種“危險金屬”的念頭。 這種“危險金屬”就是鋁。 這個故事的真實(shí)性十分值得懷疑。然而在過去相當(dāng)長的一段時間里，鋁是十分罕見的，也是十分珍貴的，這確實(shí)是事實(shí)。 實(shí)際上，鋁是地殼上含量最豐富的金屬，占整個地殼總質(zhì)量的7.45％，在全部元素中也僅次于氧和硅，是地殼上鐵含量的1.5倍，銅含量的近4倍。 但是，鋁太容易被氧化了，所以在自然界里，鋁都是以氧化鋁的狀態(tài)存在，而氧化鋁的熔點(diǎn)非常高，大約是2000多攝氏度，在以前的冶煉狀態(tài)下很難達(dá)到這個熔點(diǎn)，因此雖然鋁在自然界中含量十分豐富，人們卻無法把它冶煉出來。 到了19世紀(jì)，人們開始摸索出一些冶煉鋁的方法。 1807年，英國人戴維用電解法分離出了礬土中的鈉和鉀，卻沒有能用同樣的方法分解氧化鋁。幾年后，瑞典化學(xué)家伯齊利厄斯進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，但也失敗了。不過，科學(xué)家們還是給這種含糊不清的金屬取了一個名字。開始，伯齊利厄斯稱它為“鋁土”，后來，戴維又改稱它為鋁。 1827年，德國化學(xué)家維勒通過金屬鉀與無水氯化鋁反應(yīng)而制得了鋁。但是鉀太昂貴了！所以根本沒有辦法用這種方法大規(guī)模地制造鋁。 到了1854年，法國人德維爾在維勒的思路上繼續(xù)改進(jìn)，用金屬鈉與無水氯化鋁一起加熱，獲得了閃耀金屬光澤的小鋁球。鈉雖然比鉀要便宜不少，大大降低了鋁的生產(chǎn)費(fèi)用，但這仍然是非常昂貴的方法。1857年，全世界鋁的年產(chǎn)量僅有750千克，并且只有法國可以生產(chǎn)。 1855年，從黏土中提煉出來的鋁在巴黎舉辦的世界博覽會上展出，并引起了轟動，它被稱為“德維爾的白銀”。 當(dāng)時的法國皇帝拿破侖三世，為顯示自己的富有和尊貴，命令官員給自己制造一頂比黃金冠更名貴的王冠——鋁王冠。他戴上鋁王冠，神氣十足地接受百官的朝拜，這曾是轟動一時的新聞。 拿破侖三世在舉行盛大宴會時，只有王室成員和貴族來賓能榮幸地用鋁匙和鋁叉進(jìn)餐，而地位較低的客人則只能使用普通的金制和銀制餐具。那個時候，即使是皇帝也無法給每個來賓提供貴重的鋁餐具。 當(dāng)俄羅斯作家尼古拉·車爾尼雪夫斯基第一次看到鋁時，他大聲贊嘆說：“偉大的未來屬于這種金屬！朋友，你看看你面前的這種社會主義的金屬！”在他的小說《怎么辦？》(1863年)中有一段話： “……這間內(nèi)室的建筑是那么輕，窗戶之間的支柱是那么小，窗戶本身則非常大、寬而高，幾乎達(dá)到天花板上……但是，這些地板和天花板是什么材料做的呢？這些門和窗戶的框架又是什么做的呢？是銀？鉑？噢！我現(xiàn)在知道了，薩沙給我看一塊用鋁做的像玻璃一樣光亮的厚板?，F(xiàn)在他們還戴著這種鋁制耳環(huán)和飾針，是的，薩沙說，終有一天，鋁將代替木材，甚至可能代替石頭。看，這一切是多么奢侈，到處都是鋁！” 當(dāng)然，那個時候這一切都是想象，只有最尊貴的地方才用得起金屬鋁。1885年建成的華盛頓紀(jì)念碑，其頂端就是一塊當(dāng)時很昂貴的金屬鋁。 而1889年，當(dāng)門捷列夫在倫敦時，英國皇家學(xué)會為了表彰他對化學(xué)的杰出貢獻(xiàn)，不惜重金制作了一只鋁杯，贈送給門捷列夫。 兩個年輕人同年發(fā)明了廉價煉鋁法 1884年，在美國奧伯林學(xué)院化學(xué)系，有一位叫作查爾斯·馬丁·霍爾的青年學(xué)生，當(dāng)時他只有21歲。一次，他聽一位教授說：“不管誰能發(fā)明一種低成本的煉鋁法，都會出人頭地?！?/p> 這句話給霍爾留下了深刻的印象。大學(xué)畢業(yè)后的第一年，他就開始了第一次實(shí)驗(yàn)。他必須自己準(zhǔn)備大部分的儀器和化學(xué)品，霍爾的姐姐尤利婭資助了他。 霍爾打算繼續(xù)應(yīng)用英國人戴維早期的思路：把電流通到熔融的金屬鹽中，可以使金屬的離子在陰極上沉積下來，從而使金屬離子分離出來。 問題的難點(diǎn)在于，氧化鋁的熔點(diǎn)很高，大約在2050℃。經(jīng)過反復(fù)嘗試，霍爾發(fā)現(xiàn)，向氧化鋁中添加冰晶石，可以將純氧化鋁的熔點(diǎn)降低到950℃。冰晶石在電解溫度下不被分解，并有足夠的流動性。這樣就有利于電解的進(jìn)行。 因此，霍爾發(fā)明的基本思路就是，用電子流通過一個含有氧化鋁和冰晶石的電解池，由此可以在蒸餾管的底部分離出金屬鋁。 幾年繁復(fù)的工作后，霍爾在1886年2月23日得到了他的第一個樣本。開始他只能制備出球粒狀的鋁，后經(jīng)不懈努力，最終得到了鋁錠。1886年7月9日，霍爾為他的方法申請了第一個專利。 廉價煉鋁方法的發(fā)明，使鋁這種在地殼中含量豐富的元素，從此成了為人類提供多方面重要用途的材料。而發(fā)明家霍爾，當(dāng)時還不滿23周歲，這年12月6日才是他的23歲生日。非常巧合，一位與霍爾同齡的法國化學(xué)家埃魯，也在這年稍晚些時候發(fā)明了相同的煉鋁法。 霍爾與埃魯在遙遠(yuǎn)的兩大洲，同年來到人世（1863年）又同年發(fā)明了電解煉鋁法（1886年）。雖然他們之間曾一度發(fā)生了專利權(quán)的糾紛，但后來卻成為莫逆之交。1911年，當(dāng)美國化學(xué)工業(yè)協(xié)會授予霍爾著名的佩琴獎?wù)聲r，埃魯還特意遠(yuǎn)涉重洋到美國參加了授獎儀式，親自向霍爾表示祝賀?；蛟S是上天的旨意，1914年，這兩位科學(xué)家又同一年相繼去世。難怪當(dāng)后人們一提起電解煉鋁法的時候，便總把霍爾和埃魯?shù)拿致?lián)在一起。 后來，奧地利人卡爾·約瑟夫·拜爾改進(jìn)了霍爾-埃魯法，用氧化物和硅酸鹽再次清洗鋁土礦，成為目前工業(yè)制鋁的拜爾法。 電解法需要消耗大量的電，歐洲第一個用電解法生產(chǎn)鋁的工廠建造在瑞士諾伊豪森附近的萊茵瀑布旁邊。因?yàn)槠俨际且环N廉價的動力。 淬火后的偶然事件發(fā)現(xiàn)了硬鋁 鋁這種“從黏土中提煉出來的銀”的出色性能早已人所共知。鋁是最輕的金屬之一(銅的比重是鋁的3倍，鐵的比重是鋁的2.9倍)，其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性僅次于銀、金和銅。在通常條件下，這種金屬有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。它還具有良好的塑性，能被輾壓成僅僅3微米厚的鋁箔，或拉成比蜘蛛絲還要細(xì)的絲。例如，27克鋁就可以拉成1000米長的細(xì)絲，并且可以繞起來放進(jìn)一個火柴盒里。不過，鋁的強(qiáng)度性能不太好，這一弱點(diǎn)促使科學(xué)家們?nèi)ヌ綄と绾问顾兊酶鼜?qiáng)韌而又不削弱其良好性能的方法。 許多合金的強(qiáng)度往往比制造這種合金的純金屬要高得多，這一點(diǎn)早已為實(shí)踐所證明，許多冶金學(xué)家們根據(jù)這一點(diǎn)開始為鋁尋找合適的“盟友”，因?yàn)檫@些“盟友”能使鋁更堅(jiān)強(qiáng)?？茖W(xué)家們很快就取得了成功，而且正像科學(xué)史上所遇到的許多次事件一樣，偶然性幾乎起著關(guān)鍵作用。 那是在20世紀(jì)初的一天，德國化學(xué)家威姆試制了一種比鋁堅(jiān)硬的含銅、鎂和錳的鋁基合金，他認(rèn)為淬火能使這種合金更堅(jiān)硬。他把幾個合金試樣加熱到6000℃左右，然后投入水中淬火。合金的強(qiáng)度是增加了，但由于用不同的試樣得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異，威姆開始懷疑他所用的儀器和測量精度有問題。 他花了幾天時間檢查儀器。在這段時間里，他把無暇過問的試樣一直放在工作臺上。當(dāng)儀器再次準(zhǔn)備停當(dāng)時，試樣變得比以前硬多了。威姆繼續(xù)進(jìn)行他的試驗(yàn)，但他幾乎不相信自己的眼睛：儀器顯示出的合金強(qiáng)度幾乎比以前翻了一番！ 威姆一次次地重復(fù)他的試驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)合金的強(qiáng)度都是在淬火后的五至七天連續(xù)增加的。就這樣，他偶然地發(fā)現(xiàn)了一種令人驚愕的鋁合金淬火后的自然時效現(xiàn)象。 威姆當(dāng)時并不知道時效期間金屬內(nèi)部發(fā)生了什么變化，但是，他通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了合金的最佳成分，并擬訂出了熱處理的條件。他的方法也取得了專利權(quán)。不久他把專利權(quán)賣給了一家德國公司，這家公司在1911年生產(chǎn)了第一批新合金，命名為“杜拉鋁”。這是用杜萊恩鎮(zhèn)命名的，因?yàn)檫@個城鎮(zhèn)最早從事鋁合金的工業(yè)性生產(chǎn)。后來，這種合金被稱之為“硬鋁”。 1919年，用鋁造出了第一架飛機(jī)，從此以后，鋁的命運(yùn)就牢固地與飛機(jī)制造業(yè)聯(lián)系在一起了。鋁被譽(yù)為“帶翼的金屬”是當(dāng)之無愧的。鋁把原來的“飛行書柜”一舉變成了現(xiàn)代的巨型客機(jī)。但是，在那些年里，硬鋁仍然供不應(yīng)求，因此，許多輕型飛機(jī)仍然用木材制造。 不可思議 西晉古墓發(fā)現(xiàn)鋁制品？ 在一百多年后的今天，用電解法以外的其它方法生產(chǎn)鋁仍是不可思議的。然而有個奧秘卻使科學(xué)家們幾乎絞盡了腦汁。 1953年3月，南京博物館在江蘇宜興發(fā)掘了西晉周處墓。墓的主人周處死于西晉元康七年(公元297年)。周處是西晉的著名軍事將領(lǐng)，年少時縱情肆欲，為禍鄉(xiāng)里，后來浪子回頭，改過自新，留下“周處除三害”的傳說。周處的墳?zāi)怪谐鐾亮艘患饘賻э棥?957年第4期《考古》學(xué)報公布了這件金屬帶飾的化學(xué)分析結(jié)果。分析報告中說：“金屬帶飾內(nèi)層合金的成分為，鋁85%，錳5%，是以鋁為主要成分的合金?！?/p> 這件事簡直令人不可思議，公元3世紀(jì)，人們從哪里得來的鋁？那時候的人所掌握的唯一有關(guān)電的知識只有大自然的閃電，而把閃電付諸應(yīng)用是不可想象的。當(dāng)時有人認(rèn)為，對此唯一可能的假設(shè)是：早在那個遙遠(yuǎn)的時代，人們就已經(jīng)掌握了某種生產(chǎn)鋁的方法，遺憾的是這種方法后來失傳了。 不過，1972年第4期《考古》雜志發(fā)表了夏鼐的文章。文章認(rèn)為，周處墓中的金屬帶飾是后人帶入的混入物，不是西晉墓中的原物。其理由是，周處墓在公元1350年和公元1860年先后兩次被盜。1952年初此墓打開時也有閑人進(jìn)去過，都可能混進(jìn)近代物品，而且除這件金屬帶飾外，周處墓中其它的十七件完整的金屬飾帶，經(jīng)化學(xué)分析后都證明是銀。因此，周處墓中的小塊鋁片不能作為晉代已能生產(chǎn)鋁的證據(jù)。 雖然科學(xué)分析可能不那么浪漫，但這則故事也不失為一個有趣的小插曲。 你知道嗎 性能優(yōu)良 身邊處處都有鋁 地殼中元素含量前八位：氧硅鋁鐵鈣鈉鉀鎂，其中鋁排第三名，在金屬元素中排第一名。鋁以化合態(tài)的形式存在于各種巖石或礦石里，如長石、云母、高嶺石、鋁土礦、明礬石等等。 單質(zhì)鋁以其輕、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能、高反射性和耐氧化而著稱。由于鋁有多種優(yōu)良性能，因而鋁有著極為廣泛的用途。 鋁的密度很小，僅為2.7克/立方厘米。雖然它比較軟，但可制成各種鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)。此外，宇宙火箭、航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星也使用大量的鋁及其合金。例如，一架超音速飛機(jī)約由70%的鋁及其合金構(gòu)成。船舶建造中也大量使用鋁，一艘大型客船的用鋁量常達(dá)幾千噸。 鋁的導(dǎo)電性僅次于銀、銅，雖然它的導(dǎo)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(zhì)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，所以鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè)中有廣泛的用途。 鋁是熱的良導(dǎo)體，它的導(dǎo)熱能力比鐵大3倍，工業(yè)上可用鋁制造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。 鋁有較好的延展性(僅次于金和銀)，在100℃-150℃時可制成薄于0.01毫米的鋁箔。這些鋁箔廣泛用于包裝香煙、糖果等，還可制成鋁絲、鋁條，并能軋制各種鋁制品。 鋁的表面因有致密的氧化物保護(hù)膜，不易受到腐蝕，常被用來制造化學(xué)反應(yīng)器、醫(yī)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)，常用來做涂料，俗稱銀粉、銀漆，以保護(hù)鐵制品不被腐蝕，而且美觀。 鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如銨鋁炸藥、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(biāo)或坦克、大炮等)和照明混合物。 鋁板對光的反射性能也很好，反射紫外線比銀強(qiáng)，鋁越純，其反射能力越好，因此常用來制造高質(zhì)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(xiàn)代化大型建筑室內(nèi)的天花板等也采用鋁。 （本文寫作參考維列茨基《金屬王國傳奇》、斯特利特《金屬與人類文明》等，特此致謝。） |
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