铝单质
    铝单质
  铝,是一种化学元素。它的化学符号是Al,它的原子序数是13。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅,居第三位,是地壳中含量最丰富的金属元素。在金属品种中,仅次于钢铁,为第二大类金属。至19世纪末,铝才崭露头角,成为在工程应用中具有竞争力的金属,且风行一时。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展,要求材料特性具有铝及其合金的独特性质,这就大大有利于这种
金属铝的生产和应用。
铝的应用极为广泛。
  

基本信息

  中文名称:铝
  英文名称:Aluminum
  元素符号:Al
  相对分子质量:26.98  

物理性质

  外观:银白色轻金属
铝合金
     铝合金
  相对分子质量:26.98
  熔点:660.5℃
  沸点:2467℃
  硬度:2~2.9
  密度:2.7g/cm3
  原子半径:1.43x10-10米
  常见化合价:+3
  丰度(质量%):8.05%,在地壳中居第三位
  核内质子数:13
  核外电子数:13
  核电荷数:13
  质子质量:2.1749E-26
  所属周期:3
  所属族数:IIIA
  氢化物:AlH?
  氧化物:Al?O?
  最高价氧化物化学式:Al2O?
  热导率W/(m·K):237
  化学键能:(kJ /mol)
  Al-H 285
  Al-C 225
  Al-O 585
  Al-F 665
  Al-Cl 498
  Al-Al 200
  声音在其中的传播速率:(m/s) 5000
  电离能 (kJ/ mol):
  M - M+ 577.4
  M+ - M2+ 1816.6
  M2+ - M3+ 2744.6
  M3+ - M4+ 11575
  M4+ - M5+ 14839
  M5+ - M6+ 18376
  M6+ - M7+ 23293
  M7+ - M8+ 27457
  M8+ - M9+ 31857
  M9+ - M10+ 38459
  莫氏硬度:2.75
  外围电子排布:3s2 3p1
  核外电子排布:2,8,3
  晶体结构:晶胞为面心立方晶胞,每个晶胞含有4个金属原子
  晶胞参数:
  a = 404.95 pm
  b = 404.95 pm
  c = 404.95 pm
  α = 90°
  β = 90°
  γ = 90°  

化学性质

  铝的化学性质是让铝成为主要工业生产原料的一大原因之一。
  铝是化学性质较活泼的金属。常温下在空气中金属表面发生缓慢氧化生成一薄层致密氧化物膜,阻止氧气、水继续跟铝反应,但可透过光线,这层膜对铝起保护作用,因此铝有一定抗锈蚀能力。若去掉这层氧化膜,并使铝跟汞形成铝汞齐,则很易被空气中氧气氧化,也能跟水剧烈反应放出氢气生成氢氧化铝。铝在加热时可在氧气中燃烧生成氧化铝发强白光并放出大量的热。由于铝跟氧有较强的亲合力,因此铝有强还原性,冶金工业上用做还原剂,冶炼高熔点金属如镍、、钒等,粉跟上述金属氧化物粉末的混合物叫铝热剂。用铝还原金属的方法,称为铝热还原法。铝也用做炼钢中的脱氧剂。加热时铝可跟卤素、氮气、、硫、碳等化合。高纯铝不跟一般酸反应,只溶于王水。一般铝可溶于盐酸、稀硫酸并放出氢气。常温时在浓硫酸或浓硝酸中发生钝化,因此,可用铝容器储运这些浓酸。铝可跟热硫酸反应放出二氧化硫
  铝可溶于强碱溶液中生成偏铝酸盐并放出氢气:2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑  

制备

  铝以化合态的形式存在于各种岩石或矿石里,如长石、云母、高岭石、铝土矿、明矾时,等等。有铝的氧化物与冰晶石(3NaF·AlF3)共熔电解制得。 铝的工业制备方法是从铝土矿中提取得来的。
  反应过程
  ①溶解:将铝土矿溶于NaOH(aq) :Al2O3+ 2NaOH ==== 2NaAlO2(偏铝酸钠)+ H2O
  ②过滤:除去残渣氧化亚铁(FeO)、硅铝酸钠等
  ③酸化:向滤液中通入过量CO2:NaAlO2+ CO2+ 2H2O ==== Al(OH)3↓+ NaHCO3
  ④过滤、灼烧 Al(OH)3:2Al(OH)3==高温== Al2O3+ 3H2O   注:电解时为使氧化铝熔融温度降低,在Al2O3中添加冰晶石(3NaF·AlF3)
  ⑤电解:2Al2O3(l)==通电== 4Al + 3O2↑   注:不电解熔融AlCl3炼Al 原因:AlCl3是共价化合物,其熔融态不导电。
  1、从整个工艺流程看,可分成提纯和冶炼两个阶段
  2、NaOH溶解铝土矿的目的是溶解氧化铝
  3、两次过滤的作用是除去杂质和分离Al(OH)3
  4、把滤液酸化的作用是生成Al(OH)3
  5、流程中用二氧化碳而不用盐酸的原因是Al(OH)3可溶解在过量的HCl中
  6、将过滤后的白色固体灼烧,生成了Al2O3。  

发现

  1827年,德国的韦勒把钾和无水氯化铝共热,制得铝。
  传说在古罗马,一天,一个陌生人去拜见罗马皇帝泰比里厄斯,献上一只金属杯子,杯子像银子一样闪闪发光,但是分量很轻。它是这个人从黏土中提炼出的新金属。但这个皇帝表面上表示感谢,心里却害怕这种光彩夺目的新金属会使他的金银财宝贬值,就下令把这位发明家斩首。从此,再也没有人动过提炼这种“危险金属”的念头,这种新金属就是现在大家非常熟悉的铝。aluminum一词就是从古罗马语alumen(明矾)衍生而来的。 而法国皇帝拿破仑三世,为显示自己的富有和尊贵,命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠——铝王冠。他戴上铝王冠,神气十足地接受百官的朝拜,这曾是轰动一时的新闻。拿破仑三世在举行盛大宴会时,只有他使用一套铝质餐具,而他人只能用金制、银制餐具。即使在化学界,铝也被看成最贵重的。英国皇家学会为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献,不惜重金制作了一只铝杯,赠送给门捷列夫。俄罗斯作家车尔尼雪夫斯基曾在他的小说《怎么办》中写到:终有一天,铝将代替木材,甚至可能代替石头。看,这一切是多么奢侈,到处都是铝。
  我们都知道地壳中最丰富的金属是铝,它占整个地壳总质量的7.45%,仅次于氧和,位居金属元素的第一位,是居第二位的铁含量的1.5倍,是铜的近4倍。  

用途

  物质的用途在很大程度上取决于物质的性质。因为铝有多种优良性能,所以铝有着极为广泛的用途。
  (1)铝的密度很小,仅为2.7 g/cm,虽然它比较软,但可制成各种铝合金,如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外,宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其铝合金。例如,一架超音速飞机约由70%的铝及其铝合金构成。船舶建造中也大量使用铝,一艘大型客船的用铝量常达几千吨。
  (2)铝的导电性仅次于银、,虽然它的导电率只有铜的2/3,但密度只有铜的1/3,所以输送同量的电,铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力,而且有一定的绝缘性,所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。
  (3)铝是热的良导体,它的导热能力比铁大3倍,工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。
  (4)铝有较好的延展性(它的延展性仅次于金和银),在100 ℃~150 ℃时可制成薄于0.01 mm的铝箔。这些铝箔广泛用于包装香烟、糖果等,还可制成铝丝、铝条,并能轧制各种铝制品。
  (5)铝的表面因有致密的氧化物保护膜,不易受到腐蚀,常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油精炼装置、石油和天然气管道等。
  (6)铝粉具有银白色光泽(一般金属在粉末状时的颜色多为黑色),常用来做涂料,俗称银粉、银漆,以保护铁制品不被腐蚀,而且美观。
  (7)铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光,常用于制造爆炸混合物,如铵铝炸药(由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其他可燃性有机物混合而成)、燃烧混合物(如用铝热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸钡68%、铝粉28%、虫胶4%)。
  (8)铝热剂常用来熔炼难熔金属和焊接钢轨等。铝还用做炼钢过程中的脱氧剂。铝粉和石墨、二氧化钛(或其他高熔点金属的氧化物)按一定比率均匀混合后,涂在金属上,经高温煅烧而制成耐高温的金属陶瓷,它在火箭及导弹技术上有重要应用。
  (9)铝板对光的反射性能也很好,反射紫外线比银强,铝越纯,其反射能力越好,因此常用来制造高质量的反射镜,如太阳灶反射镜等。
  (10)铝具有吸音性能,音响效果也较好,所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝。
  (11)耐低温,铝在温度低时,它的强度反而增加而无脆性,因此它是理想的用于低温装置材料,如冷藏库、冷冻库、南极雪上车辆、氧化氢的生产装置。
  (12)是两性氧化物。  

相关制品

  铝及其合金
  纯的铝很软,强度不大,有着良好的延展性,可拉成细丝和轧成箔片,大量用于制造电线、电缆、无线电工业以及包装业。它的导电能力约为铜的三分之二,但由于其密度仅为铜的三分之一,因而,将等质量和等长度的铝线和铜线相比,铝的导电能力约为铜的二倍,且价格较铜低,所以,野外高压线多由铝做成,节约了大量成本,缓解了铜材的紧张。
  铝的导热能力比铁大三倍,工业上常用铝制造各种热交换器、散热材料等,家庭使用的许多炊具也由铝制成。与铁相比,它还不易锈蚀,延长了使用寿命。 铝粉具有银白色的光泽,常和其它物质混合用作涂料,刷在铁制品的表面,保护铁制品免遭腐蚀,而且美观。由于铝在氧气中燃烧时能发出耀眼的白光并放出大量的热,又常被用来制造一些爆炸混合物,如铵铝炸药等。
  冶金工业中,常用铝热剂来熔炼难熔金属。如铝粉和氧化铁粉混合,引发后即发生剧烈反应,交通上常用此来焊接钢轨;炼钢工业中铝常用作脱氧剂;光洁的铝板具有良好的光反射性能,可用来制造高质量的反射镜、聚光碗等。铝还具有良好的吸音性能,根据这一特点,-些广播室,现代化大建筑内的天花板等有的采用了铝。纯的铝较软,1906年,德国冶金学家维尔姆在铝中加入少量镁、铜,制得了坚韧的铝合金,后来,这一专利为德国杜拉公司收买,所以铝又有“杜拉铝”之称,在以后几十年的发展过程中,人们根据不同的需要,研制出了许多铝合金,在许多领域起着非常重要的作用。
  在某些金属中加入少量铝,便可大大改善其性能。如青铜铝(含铝4%~15%),该合金具有高强度的耐蚀性,硬度与低碳钢接近,且有着不易变暗的金属光泽,常用于珠宝饰物和建筑工业中,制造机器的零件和工具,用于酸洗设备和其它与稀硫酸、盐酸和氢氟酸接触的设备;制作电焊机电刷和夹柄;重型齿轮和蜗轮,金属成型模、机床导轨、不发生火花的工具、无磁性链条、压力容器、热交换器、压缩机叶片、船舶螺旋桨和锚等。在铝中加入镁,便制得铝镁合金,其硬度比纯的镁和铝都大许多,而且保留了其质轻的特点,常用于制造飞机的机身,火箭的箭体;制造门窗、美化居室环境;制造船舶。
  渗铝,是钢铁化学热处理方法的一种,使普通碳钢或铸铁表面上形成耐高温的氧化铝膜以保护内部的铁。铝是一种十分重要的金属,然而,许多含铝化合物对人类的作用也是非常重大的。
  含铝化合物
  铝在地壳中的含量相高,主要以铝硅酸盐矿石存在,还有铝土矿和冰晶石.氧化铝为一种白色无定形粉末,它有多种变体,其中最为人们所熟悉的是α-Al2O3和β-Al2O3,自然界存在的刚玉即属于α一Al2O3,它的硬度仅次于金刚石,熔点高、耐酸碱,常用来制作一些轴承,制造磨料、耐火材料。如刚玉坩埚,可耐1800℃的高温。Al2O3由于含有不同的杂质而有多种颜色。例如含微量Cr(III)的呈红色,称为红宝石;含有Fe(II),Fe(III)或Ti(IV)的称为蓝宝石。
  β一Al2O3是一种多孔的物质,每克内表面 积可高达数百平方米,有很高的活性,又名活性氧化铝,能吸附水蒸气等许多气体、液体分子,常用作吸附剂、催化剂载体和干燥剂等,工业上冶炼铝也以此作为原料。
  氢氧化铝可用来制备铝盐、吸附剂、媒染剂和离子交换剂,也可用作瓷釉、耐火材料、防火布等原料,其凝胶液和千凝胶在医药上用作酸药,有中和胃酸和治疗溃疡的作用,用于治疗胃和十二脂肠溃疡病以及胃酸过多症。
  偏铝酸钠常用于印染织物,生产湖蓝色染料,制造毛玻腐、肥皂、硬化建筑石块。此外它还是一种较好的软水剂、造纸的填料、水的净化剂,人造丝的去光剂等。
  无水氯化铝是石油工业和有机合成中常用的催化剂;例如:芳烃的烷基化反应,也称为傅列德尔—克拉夫茨烷基化反应,在无水三氯化铝催化下,芳烃与卤代烃(或烯烃和醇)发生亲电取代反应,生成芳烃的烷基取代物。六水合氯化铝可用于制备除臭剂、安全消毒剂及石油精炼等。
  溴化铝是常用的有机合成和异构化的催化剂。
  磷化铝遇潮湿或酸放出剧毒的磷化氢气体,可毒死害虫,农业上用于谷仓杀虫的熏蒸剂。
  硫酸铝常用作造纸的填料、媒染剂、净水剂和灭火剂,油脂澄清剂,石油脱臭除色剂,并用于制造沉淀色料、防火布和药物等。
  冰晶石即六氟合铝酸钠,在农业上常用作杀虫剂;硅酸盐工业中用于制造玻璃和搪瓷的乳白剂。
  由明矾石经加热萃取而制得的明矾是一种重要的净水剂、染媒剂,医药上用作收敛剂。硝酸铝可用来鞣革和制白热电灯丝,也可用作媒染剂;硅酸铝常用于制玻璃、陶瓷、油漆的颜料以及油漆、橡胶和塑料的填料等,硅铝凝胶具有吸湿性,常被用作石油催化裂化或其他有机合成的催化剂载体。
  在铝的羧酸盐中;二甲酸铝、三甲酸铝常用作媒染剂,防水剂和杀菌剂等;二乙酸铝除可作媒染剂外,还被用作收剑剂和消毒剂,也用于尸体防腐液中;三乙酸铝用于制造防水防火织物、色淀;药物(含漱药、收敛药、防腐药等),并用作媒染剂等;十八酸铝(硬脂酸铝)常用于油漆的防沉淀剂、织物防水剂、润滑油的增厚剂、工具的防锈油剂、聚氯乙烯塑料的耐热稳定剂等;油酸铝除用作织物等的防水剂、润滑油的增厚剂外,还用于油漆的催干剂、塑料制品的润滑剂等。
  硫糖铝又名胃溃宁,学名蔗糖硫酸酯碱式铝盐,它能和胃蛋白酶络合,直接抑制蛋白分解活性,作用较持久,并能形成一种保护膜,对胃粘膜有较强的保护作用和制酸作用,帮助粘膜再生,促进溃疡愈合,毒性低,是口种良好的胃肠道溃疡治疗剂。
  近些年,人们又开发了一些新的含铝化合物,如烷基铝等,随着科学的发展,人们将会更好地利用铝及化合物福人类。  

对人体的影响

  世界上有数百万计的老人患老年性痴呆症。许多科学家经过研究发现,老年性痴呆症与铝有密切关系。同时还发现,铝对人体的脑、心、肝、肾的功能和免疫功能都有损害。因此,世界卫生组织于1989年正式将铝确定为食品污染物而加以控制。提出成年人每天允许铝摄入量为4 mg。
  从我国的目前情况来看,如果不加以注意,铝的摄入量会超过这个指标。除了从氢氧化铝、胃舒平、安妥明铝盐、烟酸铝盐、阿斯匹林等药物中摄人铝以外,每人每天要从食物中摄入8 mg~12 mg的铝。由于使用铝制的炊具、餐具,使铝溶在食物中而被摄入约4 mg。大量的铝还来自含铝的食品添加剂。含铝的食品添加剂经常用于炸油条、油饼等油炸食品。含铝的食品添加剂的发酵粉还常用于蒸馒头、花卷、糕点等。据有关部门抽查的结果看,每千克油饼中含铝量超过1000 mg。如果吃50 g这样的油饼,就超过了每人每天允许的铝摄入量。因此,要尽量少吃油炸食品,尽量少用含铝的膨松剂,尽量避免使用铝制的炊具及餐具。  

铝的测定

  方法名称
  硫糖铝—铝的测定—络合滴定法
  应用范围
  本方法采用络合滴定法测定硫糖铝中铝的含量。
  本方法适用于硫糖铝中铝的含量测定。
  方法原理
  取供试品适量,经溶解稀释中和处理后,加醋酸-醋酸铵缓冲液,精密加乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05mol/L),煮沸3~5分钟,放冷至室温,加二甲酚橙指示液,用锌滴定液(0.05mol/L)滴定至溶液自黄色转变为红色,并将滴定结果用空白试验校正。每1mL乙二胺四醋酸钠滴定液(0.05mol/L)相当于1.349mg的铝,计算,即得。
  试剂
  1. 水(新沸放置至室温)
  2. 醋酸-醋酸铵缓冲液(pH6.0)
  3. 二甲酚橙指示液
  4. 锌滴定液(0.05mol/L)
  5. 乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05mol/L)
  6. 基准氧化锌
  7. 稀盐酸
  8. 甲基红的乙醇溶液(0.025%)
  9. 氨试液
  10. 铬黑T指示剂
  11. 氨-氯化铵缓冲液(pH10.0)
  试样制备
  1.醋酸-醋酸铵缓冲液(pH6.0)
  取醋酸铵100g,加水300mL使溶解,加冰醋酸7mL,摇匀,即得。
  2. 二甲酚橙指示液
  取二甲酚橙0.2g,加水100mL使溶解。
  3. 锌滴定液(0.05mol/L)
  配制:取硫酸锌15g(相当于锌约3.3g)加稀盐酸10mL与水适量使溶解成1000mL,摇匀。
  标定:精密量取本液25mL,加0.025%甲基红的乙醇溶液1滴,滴加氨试液至溶液显微黄色,加水25mL,氨-氯化铵缓冲液(pH10.0)与铬黑T指示剂少量,用乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05mol/L)滴定至溶液由紫色变为纯蓝色,并将滴定的结果用空白试验校正。根据乙二胺四醋酸二钠滴定液的消耗量,计算出本液的浓度,即得。
  4. 乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05mol/L)
  配制:取乙二胺四醋酸二钠19g,加新沸过的冷水使成1000mL,摇匀。
  标定:取于800℃灼烧至恒重的基准氧化锌0.12g,精密称定,加稀盐酸3mL使溶解,加水25mL,加0.025%甲基红的乙醇溶液1滴,滴加氨试液至溶液显微黄色,加水25mL与氨-氯化铵缓冲液(pH10.0)10mL,再加铬黑T指示剂少量,用本液滴定至溶液由紫色变为纯蓝色,并将滴定结果用空白试验校正。每1mL乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05mol/L)相当于4.069mg的氧化锌。根据本液的消耗量与氧化锌的取用量,算出本液的浓度。
  贮藏:置玻璃塞瓶中,避免与橡皮塞、橡皮管等接触。
  5. 稀盐酸
  取盐酸234mL,加水稀释至1000mL,即得。本液含HCl应为9.5-10.5%。
  6. 氨试液
  取浓氨溶液400mL,加水使成1000mL,即得。
  7. 铬黑T指示剂
  取铬黑T0.1g,加氯化纳10g,研磨均匀,即得。
  8. 氨-氯化铵缓冲液(pH10.0)
  取氯化铵5.4g,加水20mL溶解后,加浓氨溶液35mL,再加水稀释至100mL,即得。
  操作步骤
  取本品约1.0g,精密称定,置200mL量瓶中,加稀盐酸10mL溶解后,加水稀释至刻度,摇匀,精密量取20mL,加氨试液中和至恰析出沉淀,再滴加稀盐酸至沉淀恰溶解为止,加醋酸-醋酸铵缓冲液(pH6.0)20mL,再精密加乙二胺四醋酸二钠滴定液(0.05mol/L)25mL,煮沸3~5分钟,放冷至室温,加二甲酚橙指示液1mL,用锌滴定液(0.05mol/L)滴定至溶液自黄色转变为红色,并将滴定结果用空白试验校正。
  注1:“精密称取”系指称取重量应准确至所称取重量的千分之一,“精密量取”系指量取体积的准确度应符合国家标准中对该体积移液管的精度要求。
  注2:“水分测定”用烘干法,取供试品2~5g,平铺于干燥至恒重的扁形称瓶中,厚度不超过5mm,疏松供试品不超过10mm,精密称取,打开瓶盖在100~105℃干燥5小时,将瓶盖盖好,移置干燥器中,冷却30分钟,精密称定重量,再在上述温度干燥1小时,冷却,称重,至连续两次称重的差异不超过5mg为止。根据减失的重量,计算供试品中含水量(%)。