有关铝的科学史Word文档格式.docx

1、巴格达电池 15学史探究铝的发现物以稀为贵，在100多年前，铝曾是一种稀有的贵重金属，被称为“银色的金子”，比黄金还珍贵。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。为什么铝制品在当时是那样昂贵的“稀有金属”？地壳中最丰富的金属是铝，它占整个地壳总质量的7.45，仅次于氧和硅，位居金属元素

2、的第一位，是居第二位的铁含量的1.5倍，是铜的近4倍。脚下的泥土，随意抓一把，可能都含有许多铝的化合物。但由于铝的化学性质活泼，一般的还原剂很难将它还原，因而铝的冶炼比较困难。铝从发现到制得纯铝，经过十几位科学家100多年的努力。燃素学说的创立者施塔尔最早发现明矾里含有一种与普通金属不同的物质。英国化学家戴维试图用电解法来获得这种未知金属未能成功。1824年丹麦科学家厄斯泰德将氧化铝与木炭的混合物加强热至白炽状态，再通入氯气，得到液态的氯化铝，然后同钾汞齐作用制成铝汞齐，最后隔绝空气蒸馏除去汞，得到一些灰色金属粉末。它的颜色和光泽看起来像锡，后来证明他得到的是一些不纯净的铝。由于他的实验结果发

3、表在丹麦一个不著名的刊物上，没有引起科学界的重视。厄斯泰德是德国化学家维勒的朋友。1827年维勒到丹麦首都拜访厄斯泰德时，厄斯泰德把制备金属铝的实验过程和结果告诉维勒。维勒回国后立即重复厄斯泰德的实验，发现钾汞齐与氯化铝反应生成灰色的熔渣，除去汞后得到的金属加热时还能产生钾燃烧时的现象，他意识到这不是制备金属铝的好办法。维勒重新设计方案，从头做起。他用热的碳酸钾溶液与沸腾的明矾溶液作用，用现在离子方程式表示该反应为：3CO32-+2Al3+3H2O=2Al（OH）3+3CO2，将所得到的氢氧化铝经过洗涤和干燥以后，与木炭、糖、油等混合，调成糊状，然后放在密闭的坩埚中加热，得到了氧化铝和木炭的烧

4、结物，将这些烧结物加热到红热的程度，通入干燥的氯气，就得到了无水氯化铝。维勒将少量金属钾放在铂坩埚中，然后在它的上面覆盖一层过量的无水氯化铝，并用坩埚盖将反应物盖住。对坩埚加热以后，很快就达到白热的程度。当认为反应已经完成，停止加热，待坩埚冷却后投进水中，发现坩埚中的混合物并不与水发生反应，水溶液也不显碱性。说明金属钾已反应完全，剩余的银灰色粉末就是金属铝。维勒对制出的少量铝粉并不满意，他坚持把实验进行下去，不断改进制取方法。1836年维勒分离出小粒状铝。1849年又制得黄豆大的致密的铝，前后共经历了18个年头。1854年，法国化学家改进维勒的方法，用钠做还原剂，成功地制得成铸块的金属铝。但由

5、于钠价格昂贵，用钠做还原剂生产的铝成本比黄金还贵得多。得维尔实现了铝的工业化生产，尽管价格不菲，但他还是铸造了一枚铝质纪念勋章，上面铸上维勒的名字、头像和“1827” 的字样，以纪念维勒对铝的制备的历史功绩。得维尔将这枚勋章送给维勒，以表示敬意。后来他们两人成为亲密朋友。1886年，在铝的历史上又是一个里程碑。这一年美国的大学生霍尔和法国大学生埃罗，都各自独立地研究出电解制铝法。在美国制铝公司的展柜里，至今还陈列着霍尔第一次制得的电解铝粒；在霍尔的母校校园里，也矗立着他的铝铸像。法国大学生埃罗几乎在同时也制得铝，当他知道霍尔的发明后，毫不嫉妒，主动交流经验、切磋学问，两人也成了亲密朋友。 铝的

6、冶炼史传说拿破仑三世的刀叉具是用铝制造的。筵席上，他为多数客人提供金餐具，而只让少数客人使用铝餐具，是为了让用铝餐具的客人留下更深刻印象。1885年，在美国首都华盛顿特区落成的华盛顿纪念碑上的顶帽也是用金属铝制造的。因为在19世纪，铝是一种珍贵的金属。人们最初得到的铝粒如同珍宝，它的价格同黄金相当。因为从铝矿石中把铝提炼出来，是极其困难的。1825年，丹麦的奥斯特分离出少量的纯铝。1827年，德国化学家维勒用金属钾与无水氯化铝反应而制得了铝。但是钾太昂贵了，所以不允许大规模地生产。又过了27年，法国化学家德维尔用金属钠与无水氯化铝一起加热而获得闪耀金属光泽的小铝球。改用金属钠虽然极大地降低了铝

7、的生产费用，但显然没有达到能使人们普遍应用铝的程度。1884年，在美国奥伯林学院化学系，有一位叫做查尔斯马丁霍尔的青年学生。当时他只有二十一岁。一次，他听一位教授（这位教授正是维勒的学生）说：“不管谁能发明一种低成本的炼铝法，都会出人头地。”这使霍尔意识到只有探索廉价的炼铝方法，才能使铝被普遍应用。霍尔决定在自己家里的柴房中办一个家庭实验室。他打算应用戴维早期的一项发明：把电流通到熔融的金属盐中，可以使金属的离子在阴极上沉积下来，从而使金属离子分离出来。因为氧化铝的熔点很高（2050），他必须物色一种能够溶解氧化铝而又能降低其熔点的材料，偶然发现了冰晶石（Na3AlF6）。冰晶石一氧化铝熔盐的

8、熔点仅在9301000之间，冰晶石在电解温度下不被分解，并有足够的流动性。这样就有利于电解的进行。霍尔采用瓷坩埚，碳棒（阳极）和自制电池，对氧化铝，即精制的氧化铝矿进行电解。把氧化铝溶在10%15%的熔融的冰晶石里，再通以电流，结果观察到有气泡出现，然而却没有金属铝析出。他推测，电流使坩埚中的二氧化硅分解了，因此游离出硅。于是他对电池进行改装，用碳作坩埚衬里，又将碳作为阴极，从而解决了这一难题。1886年2月的一天，他终于看到小球状的铝聚集在阴极上。霍尔此时异常激动，带着他第一次获得的一把金属铝球去见他的教授。后来，这些铝球竟成为“王冠宝石”，至今仍珍存在美国制铝公司的陈列厅中。廉价炼铝方法的

9、发明，使铝这种在地壳中含量占8%的元素，从此成了为人类提供多方面重要用途的材料。而发明家霍尔，当时还不满23周岁，这年12月6日才是他的23岁生日。还有一件值得提及的事，非常巧合，一位与霍尔同龄的年轻的法国化学家埃鲁也在这年稍晚些时候发明了相同的炼铝法。霍尔与埃鲁在遥远的两大洲，同年来到人世（1863年）又同年发明了电解炼铝法（1886年）。虽然他们之间曾一度发生了专利权的纠纷，但后来却成为莫逆之交。1911年，当美国化学工业协会授予霍尔著名的佩琴奖章时，埃鲁还特意远涉重洋到美国参加了授奖仪式，亲自向霍尔表示祝贺。或许是上天的旨意，1914年，这两位科学家又都相继去世。难怪当后人们一提起电解炼

10、铝法的时候，便总把霍尔和埃鲁的名字联在一起。古代的炼钢术“百炼成钢”的由来与世界其他地区和民族相比，中国不仅较早的有了冶炼生铁的技术，而且是最早掌握炼钢技术的国家之一。大约在春秋晚期已经有了炼钢的实践活动，到了战国时代，钢已广泛应用于工具和兵器的制作。我国民间传说中的许多具有“斩金断玉”和“吹毛断发”之利的名剑，不少都和这个时期的历史事件或人物有关。如吴王阖闾时铸成的干将、莫邪；荆轲刺秦王时用的鱼肠剑等，这些以名人名剑为背景的民间传说一直流传至今。当时炼钢用的原料是块炼铁，通过在炭火中加热渗碳而成。利用锻打的办法使钢片伸长后，折叠在一起再继续锻打，钢片在锻打时局部因受到强大的冲击和延伸时钢片间

11、的摩擦而产生高温（属于现在的力化学的研究范畴），以至于熔合而成为一体。但折断后在断口处仍可清晰地见到层状的组织。1976年，湖南长沙杨家山一座春秋晚期古墓出土的一把钢剑，长30.4cm、宽22.6cm，含碳0.5，金相组织均匀。剑身断处可见原来是由79层叠打而成的。这是一件了解古代炼钢术的非常有价值的文物。由于当时还没有发明出使铁熔化成液态并借以调节其中所含其他元素浓度的技术，所以只能靠对赤热状态下的固态铁的反复煅烧与锻打的方法，来完成由铁变钢时的渗碳与除碳过程。北宋沈括在梦溪笔谈中对此曾有过很细致的描写：“取铁精锻之百余火，每锻称之，一锻一轻，至累锻而斤不减，则纯钢也。虽百炼不耗矣。此乃铁之

12、精纯者，其色精明，磨莹之则黯然青且黑，与常铁迥异。”沈括在这里抓住了这种技术的本质，亦即通过百余次的锻打，可以逐步除去铁中的其他杂质元素（铁也有一部分会损耗掉），所以会一锻一轻。最后得到的应是纯铁即熟铁，才会表现为累锻不减。锻打之所以可以除去铁中的杂质，就是因为锻打时局部产生的高温使铁中包含的杂质容易发生氧化而成为不溶于铁的氧化物。锻打时的冲击和铁在延伸时内部晶体间发生的挤压，也有利于挤出存在于晶间的杂质。到了百炼不耗时，说明杂质已基本除尽。以当时的称量技术，对再锻时铁的质量的变化可能已难以测出，所以认为“不耗”了。沈括把这样得到的制品称为纯钢是不确切的，说明当时还不懂得钢与铁的主要区别是其中

13、碳的百分含量，以至于人们常把钢与铁合起来称为钢铁。沈括在梦溪笔谈中有关纯钢是否就是熟铁这一问题的叙述，让人难以完全确定他的观点，从他所描写的“其色清明，磨莹之则黯然青且黑”，有人认为这就是钢。这个问题还是留给考古学家和金属学家去研究吧。以熟铁为基础，经过长时间在炭火中加热和反复锻打后，就会有少量的碳渗入铁内，只要含碳量达到0.21.7之间，就成为钢。由于当时缺少化验铁中碳含量的技术，反复锻炼和操作者的经验成了成败的关键。读者从以上的简单介绍中，应当可以想到，“百炼成钢”不仅如实地表现出了古代人们制取钢材时所用工艺的最主要特征，而且深刻地体现出在百炼过程中人们除去得到有优良性能的钢材外，人本身也

14、因为经受了艰苦的劳动和多次失败后的磨炼而变得像钢一样坚强而又有韧性。百炼过程中通过智慧、力量和自然规律的结合，人们用简单的工具、重复的加热与锻打操作，竟然完成了在固态铁中化学元素含量的精细调节！钢的出现使人类社会生产力产生了质的飞跃，钢已成为现代物质文明的基础之一。如今，我们已经拥有年产以百万吨计的大型炼钢厂，用转炉法炼几十吨钢不过10分钟的时间。此时此刻，回顾一下古人在“百炼成钢”时期所留给我们的技术方面和思想品质方面的遗产，有着深远的现实意义。同时，再来体会晋朝刘琨的著名诗句“何意百炼刚（即钢），化为绕指柔”的意境和启示，更有意味无穷之感。青铜冶炼冶金技术的萌芽在新石器时代的晚期，人类已开

15、始加工和使用金属，最先使用和加工的金属是铜。关于冶铜技术发明的具体过程，人们作过不同的推测。有的认为可能与森林失火有关，有的认为与火爆法取石有关，更多的认为铜的冶炼是从熔铸夹杂铜矿的自然铜开始的，这些说法的共同点都认为“焙烧”了矿石后，铜从矿石中还原出来。从化学的角度看，要把金属从矿石中还原出来，必须有两个基本的技术条件，即足够高的温度和足够强的还原性气氛。到新石器中晚期，人们已从制陶技术中掌握了一些高温技术以及火焰的气氛控制技术，所以发明人工冶炼金属的基本条件是具备的。铜的冶炼包括采矿、冶炼、熔铸等主要工序。在采矿之前，首先要探矿。战国时期的著作管子地数篇曾载有古时探矿的知识。1974年在湖北大冶铜绿山发掘出了春秋晚期规模颇大的采矿和冶铜遗址，就地采集矿石，就地冶炼，是十分合理的。当时用于炼铜的主要矿石是孔雀石，主要燃料是木炭。木炭不仅是燃料，在冶炼中还充当还原剂。冶炼主要是在熔锅或熔炉中进行。炼铜时，在炉内放置孔雀石和木炭，让木炭在里面燃烧，用吹管往里面送风，产生高温，熔化矿石，同时产生一氧化碳使铜析出。这种内熔法，冶炼温度较高，说明冶铸的技术也达到相当高的水平。这是我国古代