曾經有一段時期,鋁是比黃金還貴重的金屬。在法國皇帝拿破崙三世的宴會上,只有王室成員和貴族來賓才能榮幸地用鋁匙和鋁叉進餐,而地位較低的客人只能使用普通的金制和銀制餐具。拿破崙三世為顯示自己的富有和尊貴,還令人給他製造了一頂比黃金冠更名貴的王冠——鋁王冠。
「危險金屬」一度令金銀貶值
古代歷史學家普利尼講過一個驚人的故事。大約兩千年前的一天,一個陌生人來拜見羅馬皇帝泰比裡厄斯,獻上一隻金屬杯子,杯子像銀子一樣閃閃發光,但是分量很輕。這個人說,這種新的金屬是他從黏土中提煉出來的。
泰比裡厄斯是一個飽食終日、無所用心、目光短淺的暴君。表面上他表示感謝,但實際上他害怕這種光彩奪目的新金屬會使他的金銀財寶貶值,就下令把這位發明家斬首並毀掉了工廠,從此再也沒有人動過提煉這種「危險金屬」的念頭。
這種「危險金屬」就是鋁。
這個故事的真實性十分值得懷疑。然而在過去相當長的一段時間裡,鋁是十分罕見的,也是十分珍貴的,這確實是事實。
實際上,鋁是地殼上含量最豐富的金屬,佔整個地殼總質量的7.45%,在全部元素中也僅次於氧和矽,是地殼上鐵含量的1.5倍,銅含量的近4倍。
但是,鋁太容易被氧化了,所以在自然界裡,鋁都是以氧化鋁的狀態存在,而氧化鋁的熔點非常高,大約是2000多攝氏度,在以前的冶煉狀態下很難達到這個熔點,因此雖然鋁在自然界中含量十分豐富,人們卻無法把它冶煉出來。
到了19世紀,人們開始摸索出一些冶煉鋁的方法。
1807年,英國人戴維用電解法分離出了礬土中的鈉和鉀,卻沒有能用同樣的方法分解氧化鋁。幾年後,瑞典化學家伯齊利厄斯進行了類似的試驗,但也失敗了。不過,科學家們還是給這種含糊不清的金屬取了一個名字。開始,伯齊利厄斯稱它為「鋁土」,後來,戴維又改稱它為鋁。
1827年,德國化學家維勒通過金屬鉀與無水氯化鋁反應而製得了鋁。但是鉀太昂貴了!所以根本沒有辦法用這種方法大規模地製造鋁。
到了1854年,法國人德維爾在維勒的思路上繼續改進,用金屬鈉與無水氯化鋁一起加熱,獲得了閃耀金屬光澤的小鋁球。鈉雖然比鉀要便宜不少,大大降低了鋁的生產費用,但這仍然是非常昂貴的方法。1857年,全世界鋁的年產量僅有750千克,並且只有法國可以生產。
1855年,從黏土中提煉出來的鋁在巴黎舉辦的世界博覽會上展出,並引起了轟動,它被稱為「德維爾的白銀」。
當時的法國皇帝拿破崙三世,為顯示自己的富有和尊貴,命令官員給自己製造一頂比黃金冠更名貴的王冠——鋁王冠。他戴上鋁王冠,神氣十足地接受百官的朝拜,這曾是轟動一時的新聞。
拿破崙三世在舉行盛大宴會時,只有王室成員和貴族來賓能榮幸地用鋁匙和鋁叉進餐,而地位較低的客人則只能使用普通的金制和銀制餐具。那個時候,即使是皇帝也無法給每個來賓提供貴重的鋁餐具。
當俄羅斯作家尼古拉·車爾尼雪夫斯基第一次看到鋁時,他大聲讚嘆說:「偉大的未來屬於這種金屬!朋友,你看看你面前的這種社會主義的金屬!」在他的小說《怎麼辦?》(1863年)中有一段話:
「……這間內室的建築是那麼輕,窗戶之間的支柱是那麼小,窗戶本身則非常大、寬而高,幾乎達到天花板上……但是,這些地板和天花板是什麼材料做的呢?這些門和窗戶的框架又是什麼做的呢?是銀?鉑?噢!我現在知道了,薩沙給我看一塊用鋁做的像玻璃一樣光亮的厚板。現在他們還戴著這種鋁製耳環和飾針,是的,薩沙說,終有一天,鋁將代替木材,甚至可能代替石頭。看,這一切是多麼奢侈,到處都是鋁!」
當然,那個時候這一切都是想像,只有最尊貴的地方才用得起金屬鋁。1885年建成的華盛頓紀念碑,其頂端就是一塊當時很昂貴的金屬鋁。
而1889年,當門捷列夫在倫敦時,英國皇家學會為了表彰他對化學的傑出貢獻,不惜重金製作了一隻鋁杯,贈送給門捷列夫。
兩個年輕人同年發明了廉價煉鋁法
1884年,在美國奧伯林學院化學系,有一位叫作查爾斯·馬丁·霍爾的青年學生,當時他只有21歲。一次,他聽一位教授說:「不管誰能發明一種低成本的煉鋁法,都會出人頭地。」
這句話給霍爾留下了深刻的印象。大學畢業後的第一年,他就開始了第一次實驗。他必須自己準備大部分的儀器和化學品,霍爾的姐姐尤利婭資助了他。
霍爾打算繼續應用英國人戴維早期的思路:把電流通到熔融的金屬鹽中,可以使金屬的離子在陰極上沉積下來,從而使金屬離子分離出來。
問題的難點在於,氧化鋁的熔點很高,大約在2050℃。經過反覆嘗試,霍爾發現,向氧化鋁中添加冰晶石,可以將純氧化鋁的熔點降低到950℃。冰晶石在電解溫度下不被分解,並有足夠的流動性。這樣就有利於電解的進行。
因此,霍爾發明的基本思路就是,用電子流通過一個含有氧化鋁和冰晶石的電解池,由此可以在蒸餾管的底部分離出金屬鋁。
幾年繁複的工作後,霍爾在1886年2月23日得到了他的第一個樣本。開始他只能製備出球粒狀的鋁,後經不懈努力,最終得到了鋁錠。1886年7月9日,霍爾為他的方法申請了第一個專利。
廉價煉鋁方法的發明,使鋁這種在地殼中含量豐富的元素,從此成了為人類提供多方面重要用途的材料。而發明家霍爾,當時還不滿23周歲,這年12月6日才是他的23歲生日。非常巧合,一位與霍爾同齡的法國化學家埃魯,也在這年稍晚些時候發明了相同的煉鋁法。
霍爾與埃魯在遙遠的兩大洲,同年來到人世(1863年)又同年發明了電解煉鋁法(1886年)。雖然他們之間曾一度發生了專利權的糾紛,但後來卻成為莫逆之交。1911年,當美國化學工業協會授予霍爾著名的佩琴獎章時,埃魯還特意遠涉重洋到美國參加了授獎儀式,親自向霍爾表示祝賀。或許是上天的旨意,1914年,這兩位科學家又同一年相繼去世。難怪當後人們一提起電解煉鋁法的時候,便總把霍爾和埃魯的名字聯在一起。
後來,奧地利人卡爾·約瑟夫·拜爾改進了霍爾-埃魯法,用氧化物和矽酸鹽再次清洗鋁土礦,成為目前工業制鋁的拜爾法。
電解法需要消耗大量的電,歐洲第一個用電解法生產鋁的工廠建造在瑞士諾伊豪森附近的萊茵瀑布旁邊。因為瀑布是一種廉價的動力。
淬火後的偶然事件發現了硬鋁
鋁這種「從黏土中提煉出來的銀」的出色性能早已人所共知。鋁是最輕的金屬之一(銅的比重是鋁的3倍,鐵的比重是鋁的2.9倍),其導熱和導電性僅次於銀、金和銅。在通常條件下,這種金屬有良好的化學穩定性。它還具有良好的塑性,能被輾壓成僅僅3微米厚的鋁箔,或拉成比蜘蛛絲還要細的絲。例如,27克鋁就可以拉成1000米長的細絲,並且可以繞起來放進一個火柴盒裡。不過,鋁的強度性能不太好,這一弱點促使科學家們去探尋如何使它變得更強韌而又不削弱其良好性能的方法。
許多合金的強度往往比製造這種合金的純金屬要高得多,這一點早已為實踐所證明,許多冶金學家們根據這一點開始為鋁尋找合適的「盟友」,因為這些「盟友」能使鋁更堅強。科學家們很快就取得了成功,而且正像科學史上所遇到的許多次事件一樣,偶然性幾乎起著關鍵作用。
那是在20世紀初的一天,德國化學家威姆試製了一種比鋁堅硬的含銅、鎂和錳的鋁基合金,他認為淬火能使這種合金更堅硬。他把幾個合金試樣加熱到6000℃左右,然後投入水中淬火。合金的強度是增加了,但由於用不同的試樣得到的實驗結果有差異,威姆開始懷疑他所用的儀器和測量精度有問題。
他花了幾天時間檢查儀器。在這段時間裡,他把無暇過問的試樣一直放在工作檯上。當儀器再次準備停當時,試樣變得比以前硬多了。威姆繼續進行他的試驗,但他幾乎不相信自己的眼睛:儀器顯示出的合金強度幾乎比以前翻了一番!
威姆一次次地重複他的試驗,他發現合金的強度都是在淬火後的五至七天連續增加的。就這樣,他偶然地發現了一種令人驚愕的鋁合金淬火後的自然時效現象。
威姆當時並不知道時效期間金屬內部發生了什麼變化,但是,他通過試驗發現了合金的最佳成分,並擬訂出了熱處理的條件。他的方法也取得了專利權。不久他把專利權賣給了一家德國公司,這家公司在1911年生產了第一批新合金,命名為「杜拉鋁」。這是用杜萊恩鎮命名的,因為這個城鎮最早從事鋁合金的工業性生產。後來,這種合金被稱之為「硬鋁」。
1919年,用鋁造出了第一架飛機,從此以後,鋁的命運就牢固地與飛機製造業聯繫在一起了。鋁被譽為「帶翼的金屬」是當之無愧的。鋁把原來的「飛行書櫃」一舉變成了現代的巨型客機。但是,在那些年裡,硬鋁仍然供不應求,因此,許多輕型飛機仍然用木材製造。
不可思議
西晉古墓發現鋁製品?
在一百多年後的今天,用電解法以外的其它方法生產鋁仍是不可思議的。然而有個奧秘卻使科學家們幾乎絞盡了腦汁。
1953年3月,南京博物館在江蘇宜興發掘了西晉周處墓。墓的主人周處死於西晉元康七年(公元297年)。周處是西晉的著名軍事將領,年少時縱情肆欲,為禍鄉裡,後來浪子回頭,改過自新,留下「周處除三害」的傳說。周處的墳墓中出土了一件金屬帶飾。1957年第4期《考古》學報公布了這件金屬帶飾的化學分析結果。分析報告中說:「金屬帶飾內層合金的成分為,鋁85%,錳5%,是以鋁為主要成分的合金。」
這件事簡直令人不可思議,公元3世紀,人們從哪裡得來的鋁?那時候的人所掌握的唯一有關電的知識只有大自然的閃電,而把閃電付諸應用是不可想像的。當時有人認為,對此唯一可能的假設是:早在那個遙遠的時代,人們就已經掌握了某種生產鋁的方法,遺憾的是這種方法後來失傳了。
不過,1972年第4期《考古》雜誌發表了夏鼐的文章。文章認為,周處墓中的金屬帶飾是後人帶入的混入物,不是西晉墓中的原物。其理由是,周處墓在公元1350年和公元1860年先後兩次被盜。1952年初此墓打開時也有閒人進去過,都可能混進近代物品,而且除這件金屬帶飾外,周處墓中其它的十七件完整的金屬飾帶,經化學分析後都證明是銀。因此,周處墓中的小塊鋁片不能作為晉代已能生產鋁的證據。
雖然科學分析可能不那麼浪漫,但這則故事也不失為一個有趣的小插曲。
你知道嗎
性能優良 身邊處處都有鋁
地殼中元素含量前八位:氧矽鋁鐵鈣鈉鉀鎂,其中鋁排第三名,在金屬元素中排第一名。鋁以化合態的形式存在於各種巖石或礦石裡,如長石、雲母、高嶺石、鋁土礦、明礬石等等。
單質鋁以其輕、良好的導電和導熱性能、高反射性和耐氧化而著稱。由於鋁有多種優良性能,因而鋁有著極為廣泛的用途。
鋁的密度很小,僅為2.7克/立方釐米。雖然它比較軟,但可製成各種鋁合金,如硬鋁、超硬鋁、防鏽鋁、鑄鋁等。這些鋁合金廣泛應用於飛機、汽車、火車、船舶等製造工業。此外,宇宙火箭、太空梭、人造衛星也使用大量的鋁及其合金。例如,一架超音速飛機約由70%的鋁及其合金構成。船舶建造中也大量使用鋁,一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。
鋁的導電性僅次於銀、銅,雖然它的導電率只有銅的2/3,但密度只有銅的1/3,所以輸送同量的電,鋁線的質量只有銅線的一半。鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力,而且有一定的絕緣性,所以鋁在電器製造工業、電線電纜工業和無線電工業中有廣泛的用途。
鋁是熱的良導體,它的導熱能力比鐵大3倍,工業上可用鋁製造各種熱交換器、散熱材料和炊具等。
鋁有較好的延展性(僅次於金和銀),在100℃-150℃時可製成薄於0.01毫米的鋁箔。這些鋁箔廣泛用於包裝香菸、糖果等,還可製成鋁絲、鋁條,並能軋制各種鋁製品。
鋁的表面因有緻密的氧化物保護膜,不易受到腐蝕,常被用來製造化學反應器、醫療器械、冷凍裝置、石油精煉裝置、石油和天然氣管道等。
鋁粉具有銀白色光澤(一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色),常用來做塗料,俗稱銀粉、銀漆,以保護鐵製品不被腐蝕,而且美觀。
鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光,常用於製造爆炸混合物,如銨鋁炸藥、燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈,可用來攻擊難以著火的目標或坦克、大炮等)和照明混合物。
鋁板對光的反射性能也很好,反射紫外線比銀強,鋁越純,其反射能力越好,因此常用來製造高質量的反射鏡,如太陽灶反射鏡等。
鋁具有吸音性能,音響效果也較好,所以廣播室、現代化大型建築室內的天花板等也採用鋁。