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元素家族:曾经贵如黄金的铝元素

铝,元素周期表第13号元素,也是地壳中含量最多的金属元素。

铝在地壳中的含量仅次于氧和硅,位列第三。很难想象,一种含量如此多的金属元素,却因为它对氧的高亲和性,及其氧化物和硅化物良好的化学稳定性,使人们很难得到它的单质,从而使其一度成为欧洲上层社会的奢侈品,价格甚至高过黄金。

凡尔纳在1865年写的小说《从地球到月球》中写道:“这种宝贵的金属具有银的洁白、黄金般坚不可摧、铁的韧性、铜的可熔性,以及玻璃的亮度。它易于被制造,分布广泛,是大多数岩石的基础成分,且比铁轻三倍,似乎就是为了给我们提供月球炮弹的材料而生”。华美的辞藻显示出当时人们对铝制品的喜爱,但其实那时的铝还没有能够实现大规模生产,并不是“易于被制造”。

直到19世纪末,由于发电机的问世,大大降低了电力成本,人们发现了降低氧化铝熔点的方法,使得金属铝的生产变得更容易了,于是铝锭的价格也出现了千倍的跌落,成为人们能够广泛使用的金属材料,铝制品再也不是贵族们显示财富的奢侈品了。到20世纪60年代早期,铝超越铜元素成为世界上最广泛使用的有色金属。

铝的化学性质很活泼,所以地壳中不存在金属铝,一旦通过电解法制备出了单质铝,却比铁更容易防腐。它与氧的亲和性,使其表面生成一层致密的氧化膜,完全不用担心会像铁一样生锈,或者像银制品那样变黑,而且密度很小,是非常好的轻金属材料。常见的铝合金就显示出坚固耐用、轻便而且耐腐蚀的优异性能。

当前,铝的产量和用量仅次于钢材,是人类应用的第二大金属,已经可以制成各种铝合金,如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等,被广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。

除了工业上广泛应用,由于其良好的导热性,将铝制成了各种铝制炊具、餐具等;由于导电性仅次于银、铜和金,被制成各种铝芯线;由于延展性,人们将其制作成了各种铝箔,广泛用于包裹香烟和糖果。

改革开放以来,中国铝工业取得了长足的发展,在科技创新的引领下,积极改进冶炼技术,2006年中国已经实现铝业全行业扭亏为盈,成为世界铝工业大国,形成了从铝土矿、氧化铝、电解铝、铝加工研发为一体的比较完整的工业体系。不过尽管如此,我们还是要倡导垃圾分类,尽可能从废旧铝材中回收铝元素,因为这样会比从矿石中提炼金属铝,更能节省能量和资源。

关于铝还有一个坏消息:2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中,铝制品在一类致癌物清单中,能损害人的脑细胞。根据世界卫生组织评估,规定铝的每日摄入量为0-0.6毫克/千克,即一个60千克的人允许摄入量为36毫克。

(作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)