8.2 铝和铝合金的崛起
1、铝和铝合金
【师】上一节讲铁的时候，何老师提到铝曾经比黄金还贵，被拿破仑用作皇冠上的装饰物，是因为什么？
【生】铝比较难冶炼。
【师】铝的冶炼是用什么方法？
【生】电解法。
【师】铝难以冶炼又是因为什么呢？
【生】铝的化学性质很活泼。
【师】铝的化学性质活泼指的是铝的什么性质活泼？
【生】还原性
【师】空气中有氧气，那么我们所处的这个环境就是一个氧化环境，所以，单质铝在自然界里面存不存在？铝在自然界里都以什么形式存在？
【生】不存在。化合态
【师】对的。铝在自然界中都是以化合态存在的，在地壳中以复硅酸盐形式存在，也就是以xAl2O3·ySiO2的形式存在于矿石中，有的矿石还含有氧化铁等杂质。主要的矿石有铝土矿、粘土、长石、云母、冰晶石等等。铝虽然是广泛存在于岩石、泥土、和动植物体内，但是人体是不能吸收太多铝元素的，不然会引起老年痴呆症。
铝以化合态存在于自然界中，要变成铝单质的话，是氧化反应还是还原反应？
【生】还原反应
【师】冶炼铝的过程是个还原反应的过程。但是一般的还原剂，比如C、H2等都很难把铝给还原出来。直到1825年丹麦化学家奥斯特用无水的氯化铝和钾反应，才第一次制得了金属铝，钾在金属活动性顺序表里排在铝之前，所以可以把铝从无水氯化铝中置换出来，必须是无水氯化铝。
铝难以制备，所以在以前还没有发明电解法制铝时，铝单质是极其稀罕、极其珍贵的物质。拿破仑拿铝做皇冠的装饰物，在和众官员进餐时，也只有拿破仑自己用铝制的餐具。另外传说在古罗马时期，有个科学家去拜见他们的皇帝，献上一只金属杯子，杯子像银子一样闪闪发光。这种金属是科学家从粘土中提炼出来的新金属。这个皇帝表面上表示很感谢，但是他心里很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。之后很长时间都没有人敢再去提炼这种金属。这种新金属就是大家非常熟悉的铝。虽然只是一个传说，但是也说明了铝在以前很难被冶炼出来，非常稀少珍贵。
在18世纪中叶，富兰克林发现并提出了电流，电学开始得以发展，科学家们把电学应用到化学中，利用电解法发现了很多种元素，这时候，铝因为利用电解法而被大量制备出来，应用得更广泛。
制备铝是电解什么？
【生】电解氧化铝
【师】什么状态的？
【生】熔融状态
【师】制备镁是电解什么呢？
【生】熔融状态的氯化镁
【师】为什么制备铝不用电解氯化铝，或者说制备镁不用电解氧化镁？
【生】氯化铝是共价化合物，熔融状态时没有离子，不会导电。而氧化镁的熔点太高，会消
耗更多能量。
【师】对的。只有离子化合物才会在熔融状态时电解出离子。所以氯化铝在熔融状态时是没有离子的，也就不会导电，所以只能用氧化铝。但是氧化铝熔点太高，所以还需要加冰晶石Na3AlF6，降低氧化铝的熔点。制备镁时，氯化镁和氧化镁都是离子化合物，所以熔融时都可以导电，氯化镁的熔点在800℃左右，而氧化镁的熔点在2800℃左右，要把氧化镁熔融需要消耗更多的能量。所以制备镁时用电解氯化镁。
【师】制备铝和镁的电解方程式怎么写的？**和**，你们上来写一下电解方程式。
【学生在黑板上写电解方程式】
【师】写的时候要注意在氧化铝和氯化镁后面加上（熔融）。
【师】铝在我们的生活中已经运用的很广泛了，物质的性质决定物质的用途，我们先来看看铝有些什么物理性质。
物质的物理性质从哪几个方面来看啊？
【生】颜色、密度、熔点、沸点、硬度
【师】铝是什么颜色？
【生】银白色
【师】铝的密度只有2.7g/cm3，小于5g/cm3 。所以铝属于什么金属？
【生】轻金属
【师】对的，按密度来分，密度小于5g/cm3 的都属于轻金属。因为铝很常见，所以铝也属于常见金属。
铝的熔点在660.4℃，沸点在2467℃。铝的硬度很小，也就是说质软。大家喝过碳酸饮料的应该知道，铝制的易拉罐很软的对吧，用手就可以捏扁掉了。
铝作为金属，还应该有金属的通性对吧，所以，铝还具有什么性质？
【生】导电性、导热性、延展性、金属光泽
【师】铝具有导电性，所以铝可以作导线、做电缆。看到第5页图8.5，铜的导电性比铝更好，导电性好说明电流利用率高，但是为什么曾经用作高压电缆的时候，选择铝线而不选择铜线呢？
【生】……
【师】有没有人知道？**，你知道吗？
【生】铝的密度小，电线杆承受的重量小，同样粗细和质量的铝线比铜线长，输电距离长。而且铝比铜更便宜。
【师】铝的密度在2.7g/cm3，而铜的密度在8点多，同样质量的铝线比铜线更长，可以输电的距离也就相应的长。密度小，所以电线杆承受的重量小，架空的成本也就降低了。还有铝比铜便宜。
但是铝有一个缺点就是，铝太活泼，在空气中易形成一层致密氧化膜，氧化膜不导电，而铜即使生锈，变成氧化物，铜的氧化物具有导电能力，所以铜导线即使生锈老化了，也不会影响用电安全。所以说是曾经铝被用作高压电缆。近年来，铜的价格猛涨，而且我国本来就缺铜，加上现在我国科研能力增强，所以，现在已开始较多地把铜线改为铜包铝线。 再看这个图，铝的导热性比铁要好对吧。所以铝锅和铁锅相比较的话，有什么好处？
【生】导热性好，可以节省热能，轻便、耐用……（学生或许说不出）
【师】铝的导热性比铁好，所以可以节省很多热能对吧。而且铝的密度只有铁的三分之一，所以很轻便。
铝的表面易形成致密氧化膜，很耐用。你们回家可以看看电饭煲，铝制的。铝是银白色的，但是看到锅的表面却是很暗的，就是锅的表面形成了致密氧化膜。用钢丝球擦擦，可以看到擦过的地方很亮，但是用一段时间后，锅的表面又会变暗。其实这一层氧化膜呢，是很好的
保护层，烧汤的时候，氧化铝不会溶解，保护了内层的铝，人体吸收的铝就少一点，所以，不用太有洁癖，不要看到锅的表面暗淡了，就用钢丝球去擦。每次都用钢丝球去擦，擦完之后，暴露在外面的铝会和热水反应，烧汤的时候会溶解在汤里面，人体吸收铝过多的话，可能会老年痴呆症的。而且铝暴露在空气里，很快就又氧化了，所以每次都擦的话，越擦越薄，最后，你家的锅就爆底了。
那铝锅和铁锅相比，有什么不好的地方？我刚刚已经提到过了，所以，谁来说一下铝锅不好的地方。
【生】铝会和热水反应，溶解后，人体吸收可能导致老年痴呆~
【师】对的。是否还需加其他内容？？铝还具有延展性，所以，铝可以压制成铝箔。铝箔你们应该都有见过，你们吃过那个台湾特产99能量棒吧？把东西吃了之后，包装翻过来，看看包装的内侧是什么，那个包装的内侧就是银白色的铝箔了，包装内侧贴上铝箔之后，可以防潮，保存得更久一点。牛奶的包装袋内侧也是有铝箔的，哪天你们有兴趣，喝完牛奶了可以把包装撕开看看内侧是什么样子的。
包装袋的内侧的铝箔不仅薄，而且看上去很亮，这是因为铝具有银白色金属光泽。铝板对光的反射性能很好，反射紫外线比银强，所以铝板常用来制作高质量的反射镜，比如太阳灶反射镜。而且铝粉也具有银白色光泽，所以铝粉常用来作涂料。铝可以用来作防锈油漆，大家知道防锈是因为铝的什么性质吗？铝为什么能防锈啊？
【生】铝的表面会形成致密氧化膜
【师】对了，这是利用到了铝的化学性质了。铝在空气中极易形成一层致密的氧化膜，保护内层的铝不再腐蚀，也保护了油漆下面的金属不被腐蚀，所以铝可以做防锈油漆。
这些都是铝的单质的一些性质的利用，我们知道合金有时候比金属单质有更多优良的性能，下面我们来看看铝的合金的优良性能。看到第14页的资料库。20世纪初，德国冶金学家维尔姆把铜、镁、锰等加到铝中，得到了强度比铝高得多的合金，并获得了专利，人们将这种新型铝合金称为硬铝。下面的拓展视野，硬铝具有坚硬、美观、轻巧、耐用、长久不锈的优点，是制造飞机的理想材料。一架飞机上大约有50万个硬铝做的铆钉，铝和铝合金的材料制造的飞机元件质量占到飞机总质量的70%，宇宙飞船上面的铝合金成分更多，占到75%。 但是硬铝还不是最好的铝合金，铝-锂合金具有低密度、高强度的特点，用它代替常规的铝合金，可使构件的质量减轻10-20%，强度可提高15-20%，具有较高的工作温度、较好的高温韧性与加工性能，价格比先进复合材料便宜的多，所以铝-锂合金是21世纪航空飞行器较理想的结构材料之一。没有说铝-锂合金是21世纪航空飞行器理想的结构材料，而是加了个较理想的结构材料之一。所以，话不能说的太满哦，还有其他很多理想的材料可以应用到航天器上，也许还有更好的材料，只是暂时没有发现。
从铝的历史讲到我们今天的发展，我们可以看到，因为化学的发展，促进了铝在我们生活中的应用，而铝在生活中应用广泛之后，又促进了我们的生活的发展，生产能力的提高，人类文明的进步。反过来人类文明进步了，我们的生产能力也提高了，又使得我们可以有更多资金注入科研，提高科研能力，从而促进科技的发展、化学的发展。化学的发展和人类文明的进步就是个互相促进的过程。
【师】我们高一的时候在打开原子世界的大门那一章已经学过铝的原子结构示意图了，铝的原子结构示意图是怎么样的？铝是几号元素？
【生】13号
【师】所以原子核是+13。核外电子应该怎么排布？
【生】2 8 3
【师】铝的最外层电子数很容易失去，变成铝离子对吧。铝在金属活动性顺序表里排在铁的前面，所以铁可以发生的反应，铝肯定也可以发生，我们来看看铝的化学性质怎么样
【师】铁可以和非金属单质发生反应，类比的，铝应该也可以和非金属单质发生反应？对吧。
【生】可以
【师】书上有一副铝在氯气中燃烧的图片，**，你来给大家描述一下铝燃烧的现象
【生】发出耀眼光芒，火星四射
【师】对的。铝在氯气中剧烈燃烧，并发出耀眼的白光，火星四射。铝和氧气点燃反应会生成什么？
【生】形成致密氧化膜
【师】我们刚刚讲到铝在空气中容易形成致密的氧化膜，所以铝和氧气的反应在常温下就可以进行了，只是没有点燃反应得那么迅速。把铝放在酒精灯上面烧的话，会迅速形成致密氧化膜。氧化铝的熔点在2000多度，不会在酒精灯上融化，但是铝的熔点在600多度，加热后会融化，所以如果把铝箔放在酒精灯上烧的话，可以看到铝箔变软却不会滴落下来，就是因为铝点燃后和氧气形成致密氧化膜，氧化膜把融化的铝给兜在里面了。（铝箔燃烧的这个实验要不要做？）
【师】铁还可以和非强氧化性酸反应生成氢气，铝和非强氧化性酸也会反应生成氢气对吧，铝和较不活泼的金属盐溶液也可以发生置换反应，这两个反应大家已经很熟悉了，这里就不写了。（大家应该对铝和酸、铝和盐的反应很熟悉了吧？）
我们下面看一个实验，书本上第15页的课堂实验。铝的氧化，我们先看看步骤是怎么样的。用砂皮擦去铝条表面的氧化膜，把铝条插入硝酸汞溶液里。几秒钟后，取出铝条，用滤纸轻轻把表面吸干，再把铝条放在干燥的滤纸上。
我们来做一下这个实验。（边做边讲）先把铝条插入硝酸汞溶液里，几秒钟拿出来。……轻轻擦干，不要太用力，把表面的铝汞齐给擦掉了。然后放在干燥滤纸上。我们先继续讲，过一会儿来看反应成什么样了。
铁还有什么化学性质啊？
【生】在冷的浓硫酸和浓硝酸中发生钝化
【师】对的。铝也可以在冷的浓硫酸和浓硝酸中发生钝化，钝化是说铝和浓硫酸或者浓硝酸不发生反应吗？
【生】不是
【师】那钝化是指什么？
【生】铝在冷的浓硝酸或浓硫酸中迅速被氧化，形成致密氧化膜，阻止了进一步反应，所以称之为钝化。
【师】对的。浓硫酸和浓硝酸具有很强的氧化性，铝在冷的浓硫酸和浓硝酸中迅速被氧化形成致密氧化膜，阻止了进一步的反应，所以就把这种反应称之为钝化，而不是说铝在冷的浓硫酸和浓硝酸中不反应。铁也是同样的，在冷的浓硫酸和浓硝酸中钝化，形成致密氧化膜，铁形成的致密氧化膜是什么物质？
【生】四氧化三铁
【师】铁钝化形成四氧化三铁，铝钝化形成氧化铝。 铝在浓硫酸或者浓硝酸中，如果加热的话，也会发生反应。**和**，你上来写一下反应方程式。（铝在浓硝酸和浓硫酸中加热的反应要讲吗？）
好，我们来看看刚刚的铝条怎么样了。（拿起来，到下面巡视一圈，让学生看实验现象） 可以看到铝条表面长了白色绒状物对吧，像胡须一样。这个反应的产物也是氧化铝，但是和铝在空气中形成致密氧化物是不是有点矛盾呢？因为这个实验中，铝条先是打磨之后插入到了硝酸汞中，铝把汞给置换出来，铝溶解在汞当中，所以铝和氧气反应后生成的氧化物不能很好地贴在铝的表面，就不能形成致密氧化膜，而是形成了这种毛状物。
和铁相比的话，铝的还原性更强对吧，铝在金属活动性顺序表里面，排在铁的前面。铝具有
强还原性，所以铝可以和其他比铝更不活泼的金属氧化物发生置换反应。
我们来做做这个实验，第15页学生实验第二个。（这个需要做课堂实验）
两张圆形滤纸，折成漏斗，然后把5g氧化铁粉末和2g铝粉混合均匀，这是我事先称好的。放在纸漏斗上，剪一个洞，然后用水润湿。放在硬纸做的三角漏斗里，放在铁圈上。下面要放一个盛砂的蒸发皿。然后在纸漏斗中加入少量的氯酸钾，在混合物中间插上一根镁带，小木条引火点燃。
注意观察现象。（做完实验之后，把蒸发皿拿着到下面巡视一圈）
谁来给我们描述一下实验现象？**，你在前面看的比较清楚，你来描述一下。
【生】镁带燃烧，发出耀眼白光，混合物剧烈燃烧，发出耀眼光芒，漏斗被烧穿，有熔融物落入蒸发皿，熔融物呈红热状态。
【师】大家对这个实验有没有什么问题？
【生】……
【师】没有问题的话，那我来问大家几个问题。
为什么要用镁条和氯酸钾？
【生】……
【师】铝置换金属氧化物中的金属，需要很高的能量才能使反应开始发生。镁条和氧气反应会放出大量热，使得氯酸钾分解放出氧气，又反过来支持插入粉末中的镁条燃烧，放出大量热，为铝发生置换反应提供能量。所以镁条和氯酸钾又叫做引燃剂。
铝和氧化铁发生置换反应，需要镁条和氯酸钾作引燃剂提供能量，那是不是说这个反应就是吸热反应？
【生】是
【师】是吗？但是镁条很快就燃烧完了，氯酸钾也分解完了，那还怎么提供能量给铝和氧化铁呢？如果是吸热反应的话，等镁和氯酸钾反应完的时候，这个反应就没有能量来源了，还能继续反应吗？
【生】不能
【师】对的，所以铝和氧化铁的置换反应是个放热反应，放出的热量足以支持铝和氧化铁继续反应下去。
反应前需要镁条和氯酸钾作引燃剂，只是因为这个反应发生需要很高的能量，所以需要镁条燃烧和氯酸钾分解来提供高能量，但是一旦这个反应发生，就不再需要外界提供能量了，铝和氧化铁发生反应放出的热量可以支持自身继续反应下去。
铝和氧化铁发生的这个反应称为铝热反应。铝和氧化铁的混合物叫做铝热剂。我们看看书上对铝热反应的定义：当加热反应时，反应中会放出大量的热，使混合物达到很高的温度，生成氧化铝和液态铁，这个反应叫做铝热反应。
某些金属氧化物，比如五氧化二钒、三氧化二铬、二氧化锰等等，跟氧化铁很相似，也可以发生铝热反应，所以，工业上利用这些反应来冶炼某些难熔的金属。所以铝热反应不是说铝和氧化铁发生的反应，而是铝和一系列金属氧化物发生的置换反应，产生一些难熔的金属。 对铝热反应或者是反应的步骤，你们还有没有什么问题？
【生】……没有
【师】没有吗？那我再问你们一个问题。
我们以前学的氯酸钾分解需要用二氧化锰作催化剂，这里没有二氧化锰，为什么氯酸钾也可以迅速分解呢？
【生】……（学生或许说不出来）有氧化铁
【师】二氧化锰在氯酸钾分解反应中作为催化剂，是不是可以有别的物质作为氯酸钾分解的催化剂呢？
【生】可以，这里面有氧化铁
【师】对的，因为铝热剂里面有氧化铁，氧化铁也可以作为氯酸钾分解的催化剂，而且氧化铁催化氯酸钾的分解速率比二氧化锰还要快。但是我们做氯酸钾分解实验时需要收集气体，所以如果氯酸钾分解太快，也不是好事儿，氯酸钾很快就分解掉了，来不及收集。
【好了，这节课就下课了】