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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 [:1700542029]
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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 关于铝的科学知识
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正如前文所述，铝在众多金属元素中是一支绽放异彩的奇葩。轻而牢固、性质稳定、价格低廉能进行大规模冶炼，没有其他金属能与铝比肩。由于铝处处可见，我们一般不觉得它有什么特别之处。然而，当仔细研究铝的性质时，我们肯定会惊叹它是种奇迹般的金属。
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铝之所以会如此轻巧，关键在于它的原子量较小。以氢原子为标准进行比较的话，铝原子的重量约为氢原子的27倍，铁原子的重量约为氢原子的56倍，铜原子的重量约为氢原子的63倍，金原子的重量约为氢原子的197倍，从中可以看出铝原子是何等轻巧。
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当然，还有一些金属也很轻，例如锂（铝的0.53倍）、钠（铝的0.97倍）、钾（铝的1.55倍）等。但是这些金属极易氧化，已经不单单是生锈这种温和的程度了，甚至遇到水会燃烧、爆炸，根本无法作为材料使用。
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说到这里肯定有读者会觉得奇怪：“前文曾经提到过铝是一种极易氧化的金属，那也就是说，铝很容易生锈吧。”不过，铝制品很容易生锈这个说法，似乎并不符合常识。
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实际上，虽然铝元素没有钠元素和钾元素那么活泼，但是金属铝一接触空气很快就会发生锈蚀现象。奇妙的是，氧化铝会在金属铝表面形成一层致密的保护层，阻绝了氧气，从而终止氧化的进程。由于保护层很薄，在外观上很难看出异样。
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此外，金属铝具有易于切削加工、导热性和导电性优良等特点，在电器产品上的应用极为广泛。在延展性方面，铝也不亚于其他金属，可以压延成具有美丽的银白色光泽的铝箔。真可以说，铝是一种具备了美感和多种加工特性的优良金属。
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虽然铝具备如此之多的优点，但是如果无法切断铝元素与氧元素的结合，对人类来说金属铝永远只能是一种高不可攀的稀有物质。反过来说，谁最先解决这个难题，谁就能通过铝的量产技术获得巨额的财富。
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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 青年科学家们创造的奇迹
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在19世纪80年代，美国俄亥俄州奥柏林学院的弗兰克·朱厄特（1844—1926）教授为了激励学生的探索精神引发他们的科研兴趣，有意介绍了铝元素的特性，并强调说能够发明规模化精炼铝技术的人必然会成为富可敌国的富翁。其中有位学生受到激励，立志开发规模化铝精炼技术，他就是查尔斯·马丁·霍尔（1863—1914）。
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当时生产精炼铝的方法是用金属钠还原氯化铝，原理是用金属钠直接与氯元素结合而析出金属铝。但是，由于这种方法使用了危险性很高的金属钠，因此风险大、成本高，不能实现规模化生产。
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查尔斯·马丁·霍尔
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另外一种生产精炼铝的方法是利用电解技术将铝原子与氧原子分离。这种方法可以参考氯化铜电解法。在氯化铜的水溶液中插入两个电极并接上电流，在阳极上产生氯气，在阴极上产生铜，这就是利用电解法分离铜原子与氯原子的原理。
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电解法用于生产铜没有问题，可是用于生产铝就不太合适了。直接电解氯化铝溶液时，阴极上不会产生铝，只会产生氢气。这是因为氢原子争夺电子的能力远远强于铝原子，这是无法克服的现实问题，而且电解法离不开导电性液体。
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在那个时代，从铝土矿中提取高纯度氧化铝的工艺已经成熟。为了规避氢原子的干扰，曾经有人考虑过用高温熔解氧化铝，在熔融液中加入电极进行电解的做法。
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这种做法在理论上没有问题，可是在实际操作中难度很大。因为氧化铝的熔点超过2 000℃，耐受这个温度的材料本身就极为稀有，而且消耗能量巨大，生产成本非常高。
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为了突破这个悖论，霍尔屡败屡战、百般尝试，最终找到解决问题的关键，即一种熔点只有1 000℃的铝化合物矿——冰晶石（Na3AlF6）。用熔融的冰晶石代替电解液，添加氧化铝之后再用碳电极电解，便可以获得金属铝。当年，年仅23岁的霍尔解决了困扰历代化学家的难题，成功实现了金属铝的量产。
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不过，想到这个方法的人不仅仅是霍尔。在大西洋的彼岸，法国化学家保罗·埃鲁（1863—1914）也在1886年发明了类似的铝精炼技术。为了纪念两人的功绩，这种工艺被命名为“霍尔-埃鲁法”，现代的铝精炼生产工艺基本上脱胎于这一工艺。
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科学的世界如此奇妙，不同的人在不同的国度却几乎在同时发明了相同的技术，这样的巧合并不罕见。因为在那个时代，人们对于铝元素有了足够的了解，发电厂的建设与普及使电力供应有了保障。当这些条件都具备的时候，催生这项技术的基础条件就成熟了。因此，在那个时代实现金属铝的工业化生产也是历史的必然趋势。
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保罗·埃鲁