【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第四章鋁

§4-1鋁的性質(zhì)和用途

【01】在前面兩章里，我們扼要地介紹了周期表第Ⅰ和第Ⅱ的主族元素（堿金屬和堿土金屬），現(xiàn)在順著次序，我們學(xué)習(xí)周期表第Ⅲ的主族元素（土金屬）。在這一類主族里，一共有硼B、鋁Al、鎵Ga、銦In、鉈Tl五種元素，其中鎵、銦、鉈三種元素在自然界的存在十分稀少，對這些元素的研究也不多，是屬于所謂“稀有元素”。硼是一種非金屬元素，在自然界里存在的量也很少，它的性質(zhì)在許多方面和第二冊第六章里講過的硅很相似。鋁是本族元素里最重要的一種元素，在本章里我們將專門介紹有關(guān)鋁的知識。

【02】和本族里的其他幾種元素不同，鋁是地殼里含量最多的一種金屬元素，它在自然界存在的量，僅次于氧和硅兩種元素而居第三位（參見第一冊§1-7）【山注，化1-1-07圖1·4，傳送門CV20242165】。另外，鋁具有許多可貴的、適合于現(xiàn)代技術(shù)要求的性質(zhì)，例如：比重小、導(dǎo)電傳熱性好、抗繡蝕性強(qiáng)等。因此它廣泛應(yīng)用在航空、交通運輸、電器等工業(yè)上和用來制造日常生活用具等。

【03】鋁是今天世界上有色金屬中產(chǎn)量較多的一種，我們在生產(chǎn)上和生活上經(jīng)常會接觸到用鋁（或鋁的合金）制造的器械。但是鋁和鋁的化合物的性質(zhì)，和前面學(xué)過的堿金屬和堿土金屬相比，有許多特殊的地方。掌握鋁的這些特性，對鋁制器械的制造、使用和保養(yǎng)，都是十分重要的。

鋁在元素周期表里的位置和它的原子結(jié)構(gòu)

【04】在元素周期表里，鋁處在第三周期第Ⅲ的主族。在這個周期里，鋁前面（第Ⅱ主族）的一個元素是鎂，后面（第V主族）的一個元素是硅。鎂是一種金屬元素，硅是一種非金屬元素，按照周期表里元素性質(zhì)遞變的規(guī)律來看，鋁正好處在從金屬元素過渡到非金屬元素的地位。這就決定了鋁（以及鋁的化合物）的特殊的化學(xué)性質(zhì)，即在有些方面和金屬元素相似，而在另一些方面又和非金屬元素相似。

【05】另外，從鋁的原子結(jié)構(gòu)（表4·1）來看，鋁原子核外最外電子層上有3個電子（次外層上有8個電子），在化學(xué)反應(yīng)里，它能夠失去這3個電子（變?yōu)橥鈱泳哂?個電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)），成為帶3個單位正電荷的鋁離子Al???：

【06】但是要鋁原子失去最外層上的3個電子，顯然要比堿金屬失去1個電子或堿土金屬失去2個電子要困難，所以鋁的化學(xué)活動性和金屬性都比它們?nèi)酢?/p>

【07】鋁在它的一切穩(wěn)定化合物里都顯示+3價。

鋁的物理性質(zhì)

【08】鋁是銀白色的輕金屬，它的比重、熔點、沸點、……（總稱為物理常數(shù)）如表4·2所示。

【09】鋁是熱和電的良導(dǎo)體，它的導(dǎo)電性雖然比銅差些（在以汞的導(dǎo)電性為1為標(biāo)準(zhǔn)時，銅的導(dǎo)電性是56.9)，但由于鋁的比重只有銅（比重=8.92）的大約30%，所以，傳導(dǎo)同量的電所用的鋁線的重量，比銅線可以輕得多；且由于鋁的價格比銅便宜，所以在電器工業(yè)上，有不少地方鋁正在逐漸用來代替銅。

【10】鋁有很大的延性和展性。1克鋁可以拉成長達(dá)37米的細(xì)絲，亦可以展成面積達(dá)50平方米的鋁箔（它的厚度僅0.00008毫米，即10000張這樣的鋁箔迭在一起，總的厚度還不到十分之一厘米呢?。?。

【11】純鋁的硬度不大，強(qiáng)度也較差，但若加入少量銅或其他金屬，硬度和強(qiáng)度都將大為增加，適合于用作工業(yè)材料。

鋁的化學(xué)性質(zhì)

【12】鋁雖然不如堿金屬、堿土金屬活動，但從它的化學(xué)性質(zhì)來看，還是一個相當(dāng)活動的金屬，這可以從下面這些反應(yīng)來說明。

1、鋁跟氧的反應(yīng)

【13】鋁跟氧非常容易化合。將鋁露置在空氣里，鋁表面上會很快地生成一層致密牢固的氧化鋁薄膜（簡稱氧化膜）。在電子顯微鏡下觀察，氧化膜是連續(xù)、無孔的，氣體不能透過，這就可以防止鋁內(nèi)部金屬的繼續(xù)氧化；即使在高溫下，氧化膜也能起同樣的保護(hù)作用。

【14】把鋁粉在空氣里加熱，會劇烈地燃燒，放出大量的熱（每克鋁氧化時放出7.47千卡熱，比其他許多金屬氧化時放出的熱量要多）。生成的氧化鋁微粒灼熱，發(fā)出奪目的光輝，跟鎂帶、鎂粉燃燒時的現(xiàn)象相似：

【15】如果鋁的表面含有雜質(zhì)，氧化膜跟鋁的聯(lián)結(jié)力就減弱，這時鋁就會繼續(xù)氧化而迅速銹蝕。例如當(dāng)鋁的表面有少量汞存在時，氧化膜就不能跟鋁緊密聯(lián)結(jié)，這樣的鋁在空氣里將很快地被氧化。

【16】把鋁片表面用砂皮擦凈，或把它浸入熱的堿溶液里，以除去鋁表面的氧化鋁，用水洗去鋁片上殘留的堿液。然后把鋁片浸入汞鹽溶液，取出并用水洗凈。由于鋁比汞活動，因此金屬表面上有少量汞被置換析出，并跟鋁組成鋁汞合金，它阻止了鋁片表面致密氧化膜的生成。鋁汞合金又有很多孔隙，這樣氧氣就能通過孔隙很快地跟鋁反應(yīng)，在孔隙中不斷生成白色的氧化鋁細(xì)絲，看起來好象一把毛刷（圖4·1）。這時候鋁片的溫度很快升高，用手摸可感覺到。

2、鋁跟氯氣以及其他非金屬的反應(yīng)

【17】鋁跟氯氣在微熱的條件下，能劇烈地燃燒，生成無水氯化鋁晶體：

【18】在高溫時，鋁跟硫反應(yīng)生成硫化鋁Al?S?。

【19】取硫粉約2克、鋁粉約1克充分混和，放在鐵盤內(nèi)。用玻棒燒紅一端，迅速插入混和物內(nèi)，鋁跟硫即劇烈化合，發(fā)生火花與閃光。

3、鋁跟水的反應(yīng)

【20】鋁是一種相當(dāng)活動的金屬，在金屬活動性順序里，它的位置僅次于鉀、鈉、鈣、鎂等少數(shù)幾種活動金屬。但是我們平常用鋁鍋或鋁壺盛水或煮水時，卻看不到它跟水有什么顯著的反應(yīng)，這就是因為鋁表面上覆蓋著一層極薄的但又極致密的氧化層保護(hù)膜，使金屬鋁不能和水直接接觸的緣故。如果我們用前面講過的方法，把鋁片表面的氧化膜除去，然后把鋁片投入水中，就可看到它跟水迅速反應(yīng)，置換出水里的氫：

【21】鋁跟水反應(yīng)時除有氫氣逸出外，同時有凝膠狀的氫氧化鋁生成。氫氧化鋁逐漸附著在鋁片表面，阻礙了鋁跟水的接觸，因此反應(yīng)速度逐漸減慢。

4、鋁跟酸的反應(yīng)

【22】鋁的表面雖然覆蓋有一層氧化保護(hù)膜，但氧化鋁能溶于酸，因此它對酸將不能產(chǎn)生保護(hù)作用。鋁跟鹽酸或稀硫酸的反應(yīng)非常劇烈：

【23】但是，冷的濃硝酸、濃硫酸跟鋁幾乎完全不起反應(yīng)，這種現(xiàn)象稱做“鈍化”。由于這樣的原因，鋁的容器可以用來貯存濃硝酸或濃硫酸。

5、鋁跟金屬氧化物的反應(yīng)

【24】鋁不但容易跟單質(zhì)的氧氣直接化合，而且還能奪取金屬氧化物里的氧，同時，把金屬氧化物里的金屬離子還原出來。所以鋁可用作還原劑來冶煉他種金屬。由于反應(yīng)時放出大量的熱，能使還原出來的金屬呈熔融狀態(tài)。這種冶煉金屬的方法，稱做鋁熱法，現(xiàn)在工業(yè)上常用它來冶煉高熔點的金屬，如鉻、錳等：

【25】鋁和鐵的氧化物的混和物稱做鋁熱劑。鋁熱劑可以用來焊接鋼軌。

【26】把鋁粉跟四氧化三鐵按1：3的比例混和，并加入適量的過氧化鋇作助燃劑（過氧化鋇Ba?O?受熱分解時，放出氧氣，使反應(yīng)更加劇烈）。把混和物放在坩堝里，用鎂帶引火，鋁熱劑發(fā)生如下反應(yīng)：

【27】反應(yīng)非常猛烈，有明亮的火花噴射出來，并產(chǎn)生大量的熱，使坩堝里的溫度高達(dá)3500℃。這時反應(yīng)生成的鐵呈熔融狀態(tài)，生成的氧化鋁形成熔渣，和鐵水不相混和，而浮在鐵水上面，這些熔渣能防止下面的鐵水氧化。把要焊接的鋼軌在焊接處用模子（耐火材料制成）圍住，讓鐵水從坩堝底孔流入模子（圖4·2）。待冷卻后，把模子去掉，鋼軌就焊接起來了。利用鋁熱劑焊接的方法叫做鋁焊接術(shù)。

6、鋁跟堿溶液的反應(yīng)

【28】我們知道，一般金屬和堿溶液不起反應(yīng)，可是把鋁片投入堿溶液里，反應(yīng)卻很劇烈，有氫氣放出，同時鋁片逐漸溶解。這個反應(yīng)過程可以分成三個步驟：首先鋁表面的氧化鋁被堿溶液溶解，生成偏鋁酸鈉NaAlO?：

【29】其次，當(dāng)鋁表面的氧化膜被溶解后，金屬鋁就跟溶液里的水反應(yīng)，置換出水中的氫：

【30】最后，這個反應(yīng)里生成的氫氧化鋁也能夠溶解在堿溶液里，生成偏鋁酸鈉：

【31】這樣，鋁跟水的反應(yīng)就不會受到凝膠狀氫氧化鋁的阻礙，而能繼續(xù)進(jìn)行下去。由此可以看出，鋁跟堿溶液的反應(yīng)，實質(zhì)上是鋁跟水的反應(yīng)；堿的存在，只是起了溶解氧化膜和氫氧化鋁的作用，促使鋁跟水迅速反應(yīng)。因此，鋁容器不能盛堿溶液和堿性物質(zhì)，否則易被腐蝕而損壞。

鋁的用途

【32】由于鋁和鋁的合金具有許多可貴的性質(zhì)，因此鋁在工業(yè)上有著廣泛的用途，是一種極為重要的金屬材料?，F(xiàn)在根據(jù)鋁的性質(zhì)來說明鋁的主要用途。

【33】(1)鋁合金的比重小、強(qiáng)度大，可用來制造交通運輸工具，如火車、汽車車廂，特別是用來制造飛機(jī)。用在飛機(jī)上的鋁合金，要占飛機(jī)總重量的50%左右。另外，鋁合金也用來制造機(jī)器的零件，例如內(nèi)燃機(jī)的活塞等。它可以減輕機(jī)件重量，并可提高運轉(zhuǎn)速度，減少能量的消耗。

【34】(2)鋁的導(dǎo)電、傳熱性能好，可塑性強(qiáng)，易于加工，因此純鋁可用來制造電線、電纜和無線電器材；亦可制造炊具，如鋁鍋、鋁壺等。鋁箔可用來包裝香煙、糖果，以防受潮。

【35】(3)鋁的抗蝕性強(qiáng)，可以用來制造化學(xué)工業(yè)上用的反應(yīng)器、輸送管子以及食品工業(yè)和日常生活里用的各種容器。用鋁粉制造成保護(hù)金屬的涂料（銀色油漆），可以防止其他金屬銹蝕。

【36】(4)由于鋁跟氧結(jié)合時能放出大量的熱，所以鋁粉可以用來冶煉某些高熔點的金屬，制造照明彈、信號彈和爆炸物（硝酸銨和鋁粉的混和物）等，鋁熱劑可用以焊接鋼軌。

習(xí)題4-1

1、試以鋁在元素周期表里所處的位置，和它的原子結(jié)構(gòu)來說明鋁的性質(zhì)。

2、寫出鋁跟氧、硫反應(yīng)的化學(xué)方程式，并指出在這些反應(yīng)里，哪一種物質(zhì)是氧化劑？哪一種物質(zhì)是還原劑？

3、試應(yīng)用原子結(jié)構(gòu)理論，解釋鋁的化學(xué)活動性較鈉和鎂弱，并舉出實驗事例證明。

4、鋁在金屬活動性順序里在氫之前，為什么用鋁容器盛水或煮水都沒有氫氣產(chǎn)生？

5、日常使用鋁壺或鋁鍋，為什么：

(1)不能用砂或煤渣來擦除鍋外煤煙或鍋內(nèi)鍋垢？

(2)鍋內(nèi)油膩不能用純堿溶液洗滌？

(3)不能煮酸性東西？

6、鋁（或鋁的合金）的下列各種用途，各利用它的什么性質(zhì)？

(1)制造飛機(jī)和汽車外殼；

(2)高速運轉(zhuǎn)的機(jī)器零件；

(3)電線；

(4)貯存濃硝酸或濃硫酸的容器；

(5)鍍或包在其他金屬外面；

(6)鋁熱法冶煉金屬；

(7)日常用炊具。

7、鋁熱劑是什么？用鋁熱劑焊接鋼軌，估計需用2公斤熔融鐵水，問需用鋁粉和四氧化三鐵各多少公斤？【鋁粉0.857公斤，四氧化三鐵2.76公斤】