地壳中含量最多的金属元素——铝，揭秘其重要性和广泛应用

经验 2024年10月09日 06:16 97 艺舟

在我们的日常生活中，从饮料罐到厨房用具，从建筑材料到航空器，无处不充斥着一种神奇的金属材料，它不仅轻盈坚固、耐腐蚀，还拥有良好的导电性和延展性，这种金属就是地壳中含量最多的金属元素——铝，我们就来深入探讨一下铝的重要性和广泛的应用场景，一起揭开它的神秘面纱。

铝的发现与命名

铝是化学周期表中的第13号元素，原子序数为13，属于ⅢA族，早在古罗马时代，人们就已经知道自然界中存在着一种白色的矿石——明矾（硫酸铝钾），并将之用于染料固色，而到了1754年，德国化学家安德烈亚斯·西格蒙德·马格拉夫首次将铝从铝土矿中提炼出来，1808年，英国化学家汉弗莱·戴维通过电解法成功制得了金属铝，铝元素的名称正是由拉丁文“alumen”（意为明矾）演变而来，此后不久，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特也独立完成了这一实验，不过，直到1825年，挪威化学家埃克贝格才真正意义上得到了纯净的金属铝样品，1886年，美国化学家霍尔和法国化学家埃鲁几乎同时发明了冰晶石-氧化铝熔盐电解法，也就是现在工业上普遍采用的霍尔-埃鲁法，该方法极大地降低了铝的生产成本，使得铝逐渐取代铜成为应用最广泛的金属之一。

铝的性质

铝是一种银白色金属，具有密度小（2.7g/cm³）、比强度高、导热导电性能好等特点，铝的熔点约为660℃，沸点约为2467℃，铝在常温下不易与非氧化性酸反应，但易与氢氧化钠溶液发生反应，铝还具有良好的抗大气腐蚀能力，在空气中能形成一层致密的氧化膜，保护内部金属不受腐蚀，铝的延展性也非常好，可以被压成薄片或拉成细丝，铝还具有一定的磁性，可以被磁场吸引，铝在室温下对水和空气具有良好的稳定性，但在高温下会与水蒸气反应生成氢气，铝还具有良好的反射性，能够反射大部分可见光和电磁波。

铝的分布

铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，位列第三，占比约8.2%，铝主要以铝硅酸盐矿物的形式存在于地壳中，铝土矿是提炼金属铝的主要原料，它是一种含水的铝硅酸盐矿物，主要成分是氧化铝（Al₂O₃），铝土矿通常呈红褐色或灰绿色，质地疏松多孔，除了铝土矿外，其他含有铝的矿物还包括刚玉（α-Al₂O₃）、霞石（NaAlSiO₄）、伊利石（KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂）等，铝土矿在全球范围内分布广泛，主要分布在澳大利亚、巴西、几内亚、牙买加等地，中国作为世界上最大的铝生产国和消费国之一，铝土矿资源也非常丰富，主要分布在山西、河南、贵州、广西等地。

铝的提取

铝的提取主要包括铝土矿的开采、氧化铝的提取以及金属铝的冶炼三个步骤，铝土矿开采通常采用露天开采的方式，将矿石破碎后进行选矿处理，去除杂质，得到富含氧化铝的精矿，氧化铝的提取则采用拜耳法或烧结法，前者适用于处理高品位铝土矿，后者适用于处理低品位铝土矿，金属铝的冶炼主要采用霍尔-埃鲁法，即在950-970℃的温度下，将氧化铝溶解在熔融的冰晶石（Na₃AlF₆）中，通过电解反应生成金属铝和氧气，电解槽内的阳极和阴极分别通入直流电，阳极上发生的反应为2O²⁻-4e⁻=O₂↑，阴极上发生的反应为Al³⁺+3e⁻=Al，为了降低电解质的熔点，提高电解效率，通常还会向其中添加少量的氟化铝（AlF₃）和氟化钠（NaF）。

铝的应用

铝的应用范围非常广泛，几乎涵盖了人类生活的方方面面，以下列举了几个主要的应用领域：

1、交通运输：铝材质轻且强度高，是制造汽车、飞机、火车等交通工具的理想材料，它可以显著减轻车身重量，从而降低能耗、减少排放并提高燃油经济性，据统计，目前全球超过90%的商用飞机都使用铝合金制造。

2、建筑行业：铝材具有良好的耐腐蚀性和美观性，广泛应用于建筑物的门窗、幕墙、屋顶及装饰件等部位，由于其重量较轻，还可以减轻建筑物的自重，提高抗震性能，著名的上海中心大厦就大量使用了高强度铝合金材料。

3、包装材料：铝箔具有优良的防潮、防气、遮光等性能，是食品、药品等商品包装的理想选择，铝罐也是常见的饮料包装形式，既便于携带又易于回收利用。

4、电力行业：铝导线具有良好的导电性能，而且重量轻，因此在输电线路中得到了广泛应用，与铜导线相比，铝导线的成本更低廉，更适合远距离传输电力。

5、电子设备：许多电子产品如笔记本电脑、手机等都使用铝合金外壳，这不仅提升了产品的外观质感，还能起到散热的作用，铝基板也是制造印刷电路板的重要材料之一。

6、日用品：铝制品如炊具、餐具、家具等因其美观耐用而深受消费者喜爱，铝制厨具不仅加热均匀，而且清洗方便；铝制家具则以其独特的现代感和轻便性赢得了市场的青睐。

7、航空航天：在航空航天领域，铝合金因具有高比强度和良好焊接性而被大量使用，无论是火箭壳体还是卫星结构，都可以见到铝合金的身影，随着深空探测任务的日益增多，对于更轻更强材料的需求也在不断增长，这进一步推动了高性能铝合金的研发。

8、医疗器械：一些医疗设备如轮椅、担架等也需要使用铝合金制造，以确保其在保证强度的同时尽可能减轻重量，方便医护人员操作，由于铝不会产生铁锈，因此也适合用于制作手术器械等需要严格消毒的器具。

铝作为一种重要的有色金属，已经成为现代社会不可或缺的一部分，未来随着科技的进步，铝的应用领域还将不断扩大，其在促进可持续发展方面的潜力也将得到进一步挖掘。

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铝的分布

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