登陆注册
5958200000013

第13章 电解法制铝的发明

史前时代,人类已经会使用含铝化合物的黏土(Al2O3?2SiO2?2H2O)制作陶器。铝在地壳中的分布量在所有化学元素中仅次于氧和硅,占第3位,在全部金属元素中占第1位。

但是由于铝化合物的氧化性弱,铝不易从其他化合物中被还原出来,因而迟迟不能分离出金属铝。

最早认识铝从17世纪开始,德国化学家施塔尔首先察觉到明矾[K2SO4?Al2(SO4)3?24H2O]里含有一种与普通金属迥然不同的物质。他的学生马格拉夫(A.S.Marggraf,1709~1782)在1754年从明矾中分离出矾土,即氧化铝,确定它和氧化钙不同。

意大利物理学家伏打创造电池后,1808~1810年间英国化学家戴维和瑞典化学家贝齐里乌斯都曾试图利用电流从矾土中分离出金属铝,但没有成功。贝齐里乌斯却给这个未能取得的金属先起了一个名字叫alumien。这是从拉丁文alumen而来的。在中世纪的欧洲,这个词是对具有收敛性的矾的总称。铝今天的拉丁名称aluminium正是从贝齐里乌斯的命名转变而来的。我们从它的第二音节音译为铝。

到1825年,丹麦化学家厄斯泰兹(H.C.Oersted,1777~1851)利用钾的化学活动性比铝强,试图将铝从它的氯化物中置换出来。他将氯气通过烧红的木炭和氧化铝的混合物,获得无水氯化铝(AlCl3),然后将氯化铝与钾汞齐(合金)混合加热,得到氯化钾(KCl)和铝汞齐。再将铝汞齐在隔绝空气的情况下蒸馏,除去汞,得到具有金属光泽的、与锡相似的金属。尽管产物中含有杂质,但是金属铝毕竟诞生了。

1827年,德国化学家韦勒(F.Whler,1800~1882)重复了厄斯泰兹的实验,制得无水氯化铝后将氯化铝和金属钾混合放在铂制的坩埚中,严密封盖后加热,发生激烈反应,获得灰色粉末状的铝。

1854年,法国化学家德维尔(H.S.C.Deville,1818~1881)利用钠代替钾还原氯化铝,制得金属铝并铸成铝锭。

在这以后的一段时期里,铝是珠宝店里的名贵商品,是帝王贵族们享用的珍宝。法国皇帝拿破仑三世在宴会上用过铝制的叉子;泰国国王用过铝制的表链。1855年在巴黎举行的世界商品展览会上,有一小块铝放在最珍贵的珠宝旁边,它的标签上注明:来自黏土的白银。直到1884年,美国第一任总统华盛顿(G.Washington,1732~1799)的纪念碑建立完成,碑的顶端竖立一个6磅重的装饰用的角锥体,就是用铝制成的。1889年,俄罗斯化学家门捷列夫还曾得到伦敦化学会赠送的铝和金制成的花瓶和杯子。

1886年,两位青年化学家,美国的霍尔(C.M.Hall,1863~1914)和法国的埃鲁(P.L.T.Héroult,1863~1914)分别独立发明电解熔融的冰晶石(Na3AlF6)和铝矾土(Al2O3)的混合物而制得铝,使铝得以大规模生产,奠定了今天世界各国电解铝的工业方法。

冰晶石学名氟铝酸钠,存在自然界中,但通常用氢氧化铝[Al(OH)3]、碳酸钠(Na2CO3)和氢氟酸(HF)制取。它在电解氧化铝中起、作用。由于氧化铝很稳定,直接熔融电解需要2050℃以上的高温,但在氧化铝中加入冰晶石后,只要在950℃左右就能熔化电解。

霍尔进行的实验是在1884~1886年间。当时他是美国俄亥俄(Ohio)州奥柏林城(Oberlin)奥伯林学院化学系的学生。

霍尔的成功得到他的老师、化学和矿物学教授朱伊特(F.F.Jewett)和他的姐姐朱莉亚?霍尔(JuliaHall)的鼓励和帮助。朱伊特曾赴德国跟从韦勒学习化学,韦勒在讲课时提到制取铝的试验,鼓励学生们寻找一种廉价的还原铝的方法,并指导霍尔进行化学试验。朱莉亚?霍尔先她的弟弟毕业于奥柏林学院化学系,协助霍尔在他们的家中建立起简陋的实验室,帮助霍尔进行化学实验,还保存了霍尔的实验笔记。显然,霍尔坚持不懈地进行试验和不屈不挠的精神是他取得成功的关键。

霍尔最初也曾重复试验了前人制取铝的方法,失败后才考虑到利用电使铝从它的化合物中被还原出来。他没有选用氧化铝,他知道它很难熔融。

在电解实验中,首先需要电池。19世纪80年代,在美国奥柏林这样的小城市中也不得不自己动手组装电池。他首先电解氟化铝(AlF3)的水溶液,得到的是氢气和氢氧化铝,没有任何铝的踪迹。他选择氟化铝,不用前人所用的氯化铝,是一种创新。制取氟化铝要比制取氯化铝困难,要用氢氟酸,这是一种剧毒并具有强烈腐蚀性的酸,能腐蚀玻璃,不能像盐酸、硫酸那样盛在玻璃瓶里,而要盛在用铅制成的容器里。他制取氟化铝获得成功,闯过了实验中的一道难关,也给了他继续进行实验的勇气。

霍尔在电解氟化铝的水溶液失败后,遂考虑电解熔融的氟化铝。他考虑到这样必须具备高温,普通的煤炭炉不能满足这种要求,于是不得不组装一个燃烧汽油的炉子。但是即使如此,他也未能维持氟化铝在熔融状态,原来氟化铝的凝固点在1291℃。

要解决维持电解物质熔融状态的难题,这就迫使他找到冰晶石助熔,于是又动手制取它。1886年2月9日,他进行了电解氧化铝和冰晶石的混合熔融体的第一次实验,第二天又进行了一次实验,没有见到效果。6天后,2月16日他再次实验,他的姐姐也在场。他用石墨棒作为电极,浸入盛有熔融氧化铝和冰晶石混合物的黏土坩埚中,接通电流后,在阴极出现灰色的沉积物,而不是闪光的金属铝。霍尔认为这种灰色沉积物是来自黏土硅酸盐中的硅。于是霍尔改用了石墨坩埚,在1886年2月23日再次实验。当电流接通数小时后,在阴极出现银色的小珠球,用盐酸检验后确认是铝。他立即将产品送给他的老师朱伊特,证实是铝,霍尔获得了成功。

霍尔在取得成功后立即给他的哥哥、一位官员乔治?霍尔(GeorgeHall)寄去一封信,报告他的发现。2月24日又寄去第二封信,详细叙述了他所发现的有关的技术资料。这些信件后来成为他优先发现电解铝在法律上获得承认的证明。

霍尔设法把他的发现投入工业生产中,一开始又遇到困难。直到1888年夏天,得到匹兹堡(Pittsburgh)还原公司创建人、工程师亨特(A.Hunt)的一笔资金,又得到工程师戴维斯(A.V.Davis)在生产技术上的帮助,更得到一座蒸汽机驱动的发电机,终于在1888年11月最后一个星期四开始了小规模的工业生产。1889年4月2日匹兹堡还原公司更名为美国制铝公司。到1907年,美国制铝公司已拥有几座生产氧化铝的矿场和三座铝厂。铝产品不断增加,铝的价格也随之不断下降。

霍尔在1885年大学毕业。1890年成为美国矿业、冶金和石油工程学会会员。1911年美国化学会和化学工程学会等团体联合授予他奖章,表彰他在应用化学方面作出有价值的贡献。不幸他在1914年12月27日因白血病逝世,享年51岁。他终身未结婚,留下500万美元捐赠给他的母校奥柏林学院,用这笔捐款在校园内建立一座礼堂,纪念他的母亲。现在,用铝铸成的年青的霍尔全身塑像仍竖立在奥柏林学院的校园内,留给后人景仰。

在霍尔获得成功的同时,埃鲁也获得同样的成功。当时埃鲁是法国巴黎矿业学院的学生,也从事制铝的研究,同样得到他的老师、法国化学家勒沙特列(H.L.LeChatelier,1850~1936)的鼓励和指导。埃鲁在1886年4月23日取得法国批准的关于制铝的专利,于是引起霍尔与埃鲁关于铝的发明专利的冲突。美国法院在1893年判决霍尔优先,因为他是在1886年2月23日发现的,比埃鲁早两个月。埃鲁旅行到美国时,适逢霍尔接受美国化学会等团体授予的奖章,应邀参加了典礼,两人相遇,互相祝贺。这是一次很值得的祝贺,正是他们两人,把这个来自黏土的“白银”从帝王贵族们的手中传到世界各地千万人的手中。

在第一次世界大战期间,出现铝和铜、锰、镁的合金,应用在各种工业生产中,到1930年,飞机制造中应用了铝合金。至今各种铝壶、铝锅等铝制品已广泛地进入千家万户。据国外的统计资料表明,1995年美国人均消费铝达19.2千克,中国人均消费1.5千克,印度人均消费0.6千克。

同类推荐
  • 人类地球未解之谜

    人类地球未解之谜

    本读本是我们在新时期为当代青少年量身定做、专业打造的一套融科学性、知识性、趣味性为一体的全方位提升青少年素质水平的优秀图书。它涵盖了青少年在成长的重要时期不可或缺的科普知识,带领青少年探索神秘的大千世界,激发青少年对科学及未知空间的求知欲。我们希望以此引领青少年探求无穷的科学知识,让青少年在对知识的渴求与完善中不断成就自我。
  • 青少年应该知道的载人宇宙飞船

    青少年应该知道的载人宇宙飞船

    本书带我们了解和认识人类征服太空的载体——宇宙飞船,以探究式的方法详细解密了载人宇宙飞船的制造、基本原理、升空发射、分离、出舱登月等方面的航空航天基础知识。
  • 海水为什么不再蓝

    海水为什么不再蓝

    海洋,是地球生命的母亲,她创造了生命,哺育了生命。地球表面70%是海洋,从海面到几千米深的海底,生活着并不为我们所熟悉的各种生物。
  • 震撼世界的100个科学发现(上)

    震撼世界的100个科学发现(上)

    人类的历史,犹如一串华美的项链,是由无数大大小小的事件连接而成的。那一个个辉煌的瞬间,便是历史链条中璀灿的宝石与珍珠,它熠熠生辉,警示着后人。
  • 绿色地球

    绿色地球

    地球是人类赖以生存的家园, 在人类进步与发展过程中,一直无情地索取着她的资源,植被破坏、水土流失,废气排放……我们的地球在哭泣。我们应该爱护我们的共同的家园,保护好我们的地球,还给地球一个绿色的明天。
热门推荐
  • 青竹魔神传

    青竹魔神传

    这一生,我要修炼,让自己强大,除恶扬善快意恩仇,潇潇洒洒自由自在地活着。这一生,我不怕世俗的污垢,也不怕自己的渺小,我要修炼,吸天之之精华,修心养性,聚气悟道。这一生,大辩不言,大器晚成,与天地同根生,视万物之平等……
  • 边伯贤:守望天使

    边伯贤:守望天使

    她是被人捡回家的小娇妻,他是偶像天团的主唱门面!她和他是名义上的夫妻,可是她却失去了自己的心!伯贤啊!我只想做你的守望天使。(诺小萌)如果再来一次的话,我绝对不会错过你了!(边伯贤)
  • 欧阳修文集1

    欧阳修文集1

    本书为欧阳修的诗、词、文精选集。其中收录了:古诗三十八首、古诗二十首、古诗二十四首、律诗六十首、律诗五十七首、律诗五十六首、赋五首等。
  • 紫夜战神

    紫夜战神

    两个倒霉的孩子出生,获取天地大陆最神秘的传承功法,拥有着神秘的战斗伙伴。了解到自己身世后无比愤怒:“小爷我是私生子?“小奶我是私生女”我要教训他,敢这样对我娘亲。”一少爷一公主一紫狗一像蛇的怪物行走天下叫嚣着要征服整个宇宙。新作品求收藏,有老湿需要点评小弟的可以加我扣351601561(备注起点)
  • 福妻驾到

    福妻驾到

    现代饭店彪悍老板娘魂穿古代。不分是非的极品婆婆?三年未归生死不明的丈夫?心狠手辣的阴毒亲戚?贪婪而好色的地主老财?吃上顿没下顿的贫困宭境?不怕不怕,神仙相助,一技在手,天下我有!且看现代张悦娘,如何身带福气玩转古代,开面馆、收小弟、左纳财富,右傍美男,共绘幸福生活大好蓝图!!!!快本新书《天媒地聘》已经上架开始销售,只要3.99元即可将整本书抱回家,你还等什么哪,赶紧点击下面的直通车,享受乐乐精心为您准备的美食盛宴吧!)
  • 我哥是我情敌

    我哥是我情敌

    我是传说中的男二,我喜欢上了一个人,后来那个人成了我大嫂,然后我死了,再然后我就重生了!此刻,我的内心几乎是崩溃的_(:з」∠)_
  • 残阳之城

    残阳之城

    主要讲述一个背负无穷罪恶,却渴望得到救赎的少年的故事,以及他无数的征战:征服和毁灭,他主导下的秩序重建。少年的身上有着无数世界的血仇,他的灵魂是黑暗的,他最初根本没有意识到。最终,冷酷的面容下,也是一颗同样冷酷的心。他的每一滴血都充满罪恶,他是矛盾的集合。他非常冷静,他疯狂。他和天使为伴,同魔鬼嬉笑。他爱这世界,更恨这世界。他明白道理:如果你的改变也无法融入这个世界,说明这个世界不能让你改变,那么你就改变世界吧。
  • 侠警猎魔

    侠警猎魔

    在美国生活的尹航,经常能够看到一些吓人的幻像,但凭着他超人的心理素质,避免了疯掉的可能,反而因工作出色得到升职,成为了一名警长;可某天,感觉幻象越来越真实的尹航家中,消失了几年的父亲突然造访,并告诉他了一个惊天秘闻,原来,自己乃是剑臣先生(蒲松龄)的传人,而他写的故事虽然是杜撰,但事迹却都曾经真实发生过。在得知自己继承了祖先的剑臣之眼能力,能够看破隐藏在普通人中的恶魔后,并且恶魔正在酝酿一个巨大的阴谋时,尹航下定决心,自己将不惜一切代价,来守护人类的安全。
  • 改变我的回忆

    改变我的回忆

    穿越到不同位面但却和现实差不多的世界,有着同样的自己,只是回到了不一样的起点,还有不一样的未来。
  • tfboys之绝色爱恋

    tfboys之绝色爱恋

    她们拥有绝世的武功,绝美的容貌,显赫的身世,但是她们却隐藏自己的身世和容貌,扮成清洁大嫂的样子进入紫韵贵族高中····他们是紫韵贵族高中的王子们,帅的一塌糊涂,是全学院花痴的追求对象,他们与她们之间,会发生什么事情呢······(作者QQ:1984476347)