世纪的金属

20世纪的金属——铝

铝是最有趣的化学元素之一。说他有趣，不只是因为它在短短几十年里面，在我们的日常生活中、技术上、国民经济的一些最重要部门里起了非常巨大的作用;不只是因为这种轻金属跟镁在一起可以用来制造强大的飞机，而是因为它的特性，特别是它在地球化学上所起的作用。铝这种金属，尽管文明的人类直到不久以前才初识它，然而它却是最重要而又分布最广的化学元素之一。

我们大家都很清楚，在各个期里由于岩块的风化和破坏而生成的粘土和沙的下面，有一层包着整个地球的岩石地层，也就是通常所说的地壳。

这层岩石很厚，它的厚度不会小于几百公里，而根据最近的推算，可能还比这个要厚得多。从这一层再深入下去，就逐渐转到另一个地层，那就是含铁和其他金属的矿层，再下去，到最后就是地球中心，那儿显然是一个铁核。

包着地球外表的岩石在地面上生成巨大的隆起部分，就是大陆或洲。在这些凸出的大陆上又隆起更凸出的褶皱，就是长条的山脉。

广西平果铝基地

组成大陆和山脉的基础的这层地壳，是由铝硅酸盐和硅酸盐构成的。不言而喻，就能知道铝硅酸盐的成分是硅、铝和氧。这就是为什么这层地壳常叫做“硅铝层”的原因。

硅铝层的主要成分是花岗岩，拿其所占质量百分比来说，含氧大约50%、硅25%、铝10%。可见，铝在地球上的分布量，在所有化学元素里占第3位，在全部金属元素里占首位。铝在地球上含量比铁还多。

铝、硅和氧是构成地壳的最主要的元素，这3种元素在这层岩石里生成了多种多样的矿物。这些矿物里的原子都排列得很有规则:1个四面体，要不1个硅原子在中央，要不1个铝原子在中央，4个氧原子老老实实地分布在4个角上。

可见，除了硅氧四面体以外还有铝氧四面体。而且铝在这些四面体里起着双重的作用:或者像其他金属似的，分布在各个硅氧四面体的当中来把这些四面体连结起来;或者在有几个四面体里就有着硅的位置。

以下就是硅和铝的四面体互相搭配的图形，搭配的结果生成了含在地壳里的多种多样的重要矿物，这些矿物总称铝硅酸盐。初看，铝、硅和氧的原子搭配成的这个复杂的图形像是精美的花边，或者毯子的花纹。要用X射线才能确定出来这些图形，X射线仿佛给矿物的内部结构照了像。

请回想一下，我们小的时候觉得石头多么枯燥无味，可是现在我们钻进石头的内部去看看它的结构，这幅图画又是多么复杂。

一些铝硅酸盐分布得非常广。这只要说一下长石这类矿物就够了，地壳里有五成以上就是长石。花岗岩、片麻岩和另一些岩石里都有长石，这些岩石像石头造的盔甲似的披在整个地球的外面，还在地面上凸起成高大的山脉。

由于长石在千百万年里不断地进行风化，结果地面上形成了大量的粘土，粘土含铝15%～20%。地面上随处可见粘土，而铝又是在粘土里发现的。因此，有过一个时期甚至把铝叫做“粘土素”。确实，用这个名称来称呼铝很不习惯，所以后来把这个名称稍稍改变——把氧化铝叫做矾土。

粘土的成分十分复杂，从它里面提炼出铝来相当困难，幸亏自然界里含铝的物质不止粘土一种。矾土里就有大量的铝，矾土是铝和氧生成的天然化合物。这种化合物在自然界里有多种多样的形态。

自然界里有一种无水的氧化铝(Al₂O₃)，这种矿物叫做刚玉，它异常坚硬，而且还非常漂亮。各种矾土的透明度各不相同，这是因为它们除了含铝和氧以外还夹杂极微量的染色物质——铬、铁、钛，这类有色的矾土都是上等漂亮的宝石。同样是矾土，里面掺上了微不足道的一点杂质，就可以使矾土的颜色变得多么丰富多彩啊!这些就是闪着鲜艳色彩的红宝石和蓝宝石，人们自古以来就喜爱着这两种宝石。关于这些宝石还产生了多少故事啊!古代人已经学会使用不太纯净的、不透明的、褐色的、灰色的、浅蓝色的和浅红色的刚玉晶体，刚玉的硬度只比金刚石稍低。

利用刚玉能够加工各种坚硬的材料，包括制造刀具、武器、机床和机器用的各种钢。

刚玉的小晶体里混入了磁铁矿和别的矿物，就形成大家都很熟悉的“金刚砂”;朋友们，我想你们都不止一次地用金刚砂去磨过铅笔刀吧!

当然，从刚玉里提取金属铝也很方便，只是刚玉本身的价值太高，在自然界里的产量又很少。

从远古时代起，早在人类刚开始有文化的那个时候，从石器时代一直到今天，人们始终在广泛地使用着花岗石、玄武石、斑岩、粘土以及由铝硅酸盐生成的别种岩石，利用它们来建造整座城市，建筑房子，加工艺术品和器皿，烧制陶瓷器。

但是几千年来，人从未想到过铝这种金属的一些宝贵而奇异的性质，从来没有想到过躲在这些石头里的这种金属。

在自然界里铝从未生成金属状态，它一直是和别种元素生成很多的化合物，这些化合物在性质上和外表上跟金属铝完全不同。

人们进行了顽强的努力，才得到了这种奇异的金属，才使这种金属有了生气。

最开始是在125年前左右，有人提炼出来了少量的有银色光泽的金属铝。当时谁也没有想到，它在人类生活上会起如此重大的作用，况且它的制备又非常困难。直到19世纪初，科学家用电解法制铝成功，他们在高温下电解熔化的铝的化合物，铝就在阴极上析出来，被埋在一层渣滓下面。这样提炼出来的铝是纯净的银色金属，所以当时称它为“粘土里提出来的银”。

后来工厂也用这个方法制铝，于是铝的用途就飞快地扩展起来。铝的颜色跟银的差不多，但是铝的性质实在奇怪得很。

现在已经不是从粘土里来提取纯净的氧化铝。自然界对我们提供了一种复合的铝矿石，是含水的氧化铝(矾土的水化物)，生成一水硬铝石或三水铝石。这两种矿物通常跟铁的氧化物和二氧化硅混在一起，并且生成粘土状的或石头似的矿层——铝土矿，这种矿主要含在滨海沉积物里。

铝土矿含有大量的氧化铝(50%～70%)，是工业上制铝用的主要原料。前苏联化学家研究并且掌握了一种新的方法来把希宾山所产的矿物——霞石(Na₂Al₂Si₂O₈)转化成氧化铝。蓝晶石页岩含有50%～60%的氧化铝，白榴石和钠明矾石也含有氧化铝，目前科学家正在试验从这些矿物里提炼出氧化铝来。可是到目前为止，除了霞石以外，这些矿物还没有一种能代替铝土矿的。

金属铝的提炼要经过两步独立的步骤。第一步是先把铝土矿进行十分复杂的处理，从里面提炼出纯净的无水氧化铝——矾土。第二步是把氧化铝置在特制的电解槽里拿来电解，这种电解槽里放着石墨板。

把矾土粉末和冰晶石粉末混合好以后就放在电解槽里。一通入很强的电流，槽里就产生高温(大约1000摄氏度)，冰晶石很快熔化，矾土也就熔融在冰晶石里面。接着，矾土受到电流的作用就电解成铝和氧。通过的时候，槽的底部就是负极，熔化的铝就在阴极上面聚集起来。槽底有一个特制的能够开关的出口，能够让铝流出去流到模型里去，液态的铝在模型里就冷凝成银色光泽的铝块。

在100年前要制取这种白色的轻金属是一件不简单事情，因此那时候1磅铝值40个金卢布。如今由于利用巨大的水力来发电，铝也就可以大量地制取了。

铝的一些性质众所周知。它是一种非常轻的金属，质量只有铁的1/3。铝的延展性极大，而且相当坚韧:可以抽成丝，也可以压成极薄的片。铝的化学性质也很奇特。一方面，它好像不怕氧化，这一点我们看了锅、罐等等铝制的器皿就能知道;但是另一方面，铝跟氧的亲和力又非常大。这种好像自相矛盾的性质，俄罗斯伟大的化学家门捷列夫早就指出过。问题是在于，银色光泽的铝刚一提炼出来，很快在空气里蒙上一层没有光泽的氧化铝的薄膜，这层薄膜可以防止铝继续受到氧化。并非每一种金属都有这种自卫能力的。例如谁都知道，铁的氧化物——铁锈，就丝毫不能防止铁受到进一步的氧化:因为这层氧化物太松脆，很容易让空气和水钻过去。反过来，包着铝的这层氧化物薄膜却十分致密有弹性，是铝的可靠的保护层。

铝一受热就跟氧气剧烈化合而变成氧化铝，同时放出大量的热。铝燃烧时放热的这个性质，在技术上可用来从其他金属的氧化物里提炼那种金属，办法就是把金属铝的粉末和那种金属氧化物混在一起。这种方法称为铝热法，金属铝在这种作用过程当中从别种金属的氧化物里夺取氧而使这些金属还原出来。

如果你把氧化铁的粉末跟铝粉混在一起，再用镁条来点燃这种混合物，你就会亲眼看见氧化铁和铝发生剧烈反应，放出大量的热，这时候的温度会高达3000摄氏度。在这样的高温下，被铝还原出来的铁为液态，而生成的氧化铝就像渣滓似的漂在铁的表面上。人们就利用铝的这种活泼的特性来制取某些难熔的而在技术上很有价值的金属。

钛、钒、铬、锰和另一些金属就是用这种办法来提炼的。由于在使用铝热法的过程当中温度升得很高，因此氧化铁和铝的混合物(所谓铝热剂)就能够用来焊接钢铁。你们大概都见过怎样焊接电车的铁轨吧，铝热剂一燃烧，液态的铁就流到两段铁轨接头的地方，而把它们焊接在一起。

像铝这样在很短的时期里面就很快地飞黄腾达起来的元素，实在少见!

铝很快地走进了汽车工业、机器制造业和其他的工业部门，在许多地方代替了钢铁。军舰制造业正因为用铝而发生了一个很大的革命，譬如用铝就可以建造“袖珍战舰”(这种战舰只有轻巡洋舰那样大，但是有大型战舰的威力)。

人已经学会了从天然产的矿物里大规模地提炼这种“银”的方法。“粘土里提出来的银”使人能够彻底征服天空。

制造坚固的飞艇、机身、机翼或者全金属飞机，铝或者含铝的轻合金是首选材料。

铝在这门新的工业里得到了非常广泛的应用，我们眼看着这门工业在迅速地发展起来。

我们看看天空里的飞机就会想起来，不计发动机，飞机的材料中有69%是铝和铝的合金，即使飞机的发动机里，铝和镁这两种极轻的金属也占到25%。

铝在重工业上的需求量非常大，有些火车车皮差不多完全用铝来制造，铝在机器制造业尤其是航空工业上用得非常多，为了制造铝丝和电气工业上的零件，每年也要使用几十万吨的铝。

但是所有这些还不能全部说明这种金属的用途。

铝的用途我们还能够说出几种:探照灯上的反射镜，炮弹和机关枪子弹带上主要的零件，照明弹、燃烧弹里所用的铝粉和氧化铁的混合物。我们还可以联想人造结晶矾土(电刚玉、刚铝石)的重大意义，现代这种物质就是用前面说过的那种铝土矿来制造的，它们用做研磨料，主要是用在金属加工上。

纯净的氧化铝掺上一点染色物质以后让它结晶，我们就得到非常漂亮的红宝石和蓝宝石，这种人造的宝石不论在硬度上和美观上都不比天然产的逊色。这种宝石不怕磨损，所以它们的主要用途是在精密仪器里用做支承关键部分的“钻”，例如用在钟表、天平、电表、电流计等等仪器里面。

我们把很细的铝粉涂在铁的表面上，就能得到一种特殊的不会生锈的铝铁片。细的铝粉还可以用来制造精美的石印油墨。在不久以前，木板画这种民间艺术的作家还很重视铝粉，木板面上擦了油，随后用柔软的蛹似的东西把铝粉撒在板面上。这样，板面上就形成了华丽的、有银色光泽的底子，最后艺术家可以在这个底子上画出千奇百怪的复杂花纹来。

为什么我们说铝是20世纪的金属呢?

因为铝有优良的性质，它的用途在逐年增大，它的储藏量又是巨大的，所以我们有充分的理由相信，现在人类使用铝的情形正像过去人类使用铁的情形一样。

再过几百年以后，也许后人将称我们这个时代做铝器时代了!