贵金属铝的炼制过程及其关键发现

铝，俗称“钢精”，在我们日常生活中是随处可见的：锅勺瓢盆、螺丝铆钉、冰箱摩托，甚至飞机飞船，哪个身上没有铝的影子？

然而，如果说铝曾经像黄金一样贵重，你一定不会相信，但这确是事实。就在100多年以前，如果谁说要用铝来制造一只锅或一只盆，那他一定会被人耻笑，被人视为“空想家”，因为那时候，铝是一种十分稀罕的贵金属，“物以稀为贵”嘛！

当时，铝的贵重我们从拿破仑三世的头盔上便可见一斑。拿破仑三世是声名显赫的拿破仑一世的侄子，是当时的法国国王，也是极其奢侈的一个人。19世纪中叶的一天，巴黎凡尔赛宫内正在举行规模盛大的宴会，庆祝法国将其势力范围扩大到了印度支那和西非。作为国王的拿破仑三世自然是众目睽睽的“伟大人物”。

在众人的欢呼声中，拿破仑三世红光满面，神采奕奕。人们惊讶地发现，国王头上并没有戴金皇冠，而戴了一顶银光闪闪的新皇冠，这是用什么材料制作的呢？人们议论纷纷。

原来，为了这次宴会，也为了显示他的荣华富贵，拿破仑三世特地叫工匠们制造了一顶铝盔；同时，他还特地让人打制了一套铝的餐具，当然，这套餐具也仅在盛大的宴会上，他才舍得拿出来使用。

其时，除了拿破仑三世，泰国国王也用过铝制的表链。1855年，在巴黎举行的世界博览会，有一小块铝被放在最珍贵的珠宝旁边，它的标签上写着：“来自粘土的白银。”直到1889年，“元素周期律”的发现者门捷列夫还曾得到由伦敦化学学会送给他的用铝和金制成的贵重花瓶和杯子作为礼物呢！由此可知，铝在当时是珠宝店里的宠儿，也是帝王贵族的珍宝。我们从铝的价格上也可得知它当时的身价：每千克铝的价格为30000金法郎，而每千克黄金的价格却只有它的1／3。现在我们不难理解拿破仑三世的得意和伦敦化学学会的苦心了吧！

为什么到了19世纪中后期，铝还如此稀罕呢？原因是铝的提炼实在太困难了。

其实，地球上的铝是十分丰富的，我们脚下的泥土就是蕴藏丰富的铝矿，铝占整个地壳重量的8．23%，差不多比铁的含量多一倍！

早在17世纪，德国化学家斯塔尔就察觉到明矾内含有一种与普通金属迥然不同的物质，斯塔尔的学生马格拉夫终于在1754年从明矾中分离出了“矾土”，就是氧化铝。当时，许多有名的化学家都认为矾土是一种不能再分的元素，英国化学家戴维和贝齐里乌斯都曾经企图利用电流从铝矾土中分离出金属来，但均没能成功。但贝齐里乌斯为铝所起的英文名字却一直沿用至今。从矾土中炼出金属铝，成了许多化学家追求的目标，丹麦科学家奥斯特便是其中之一。

奥斯特曾以他“电流的磁效应”而闻名于世。1820年，他便把自己的科研兴趣转移到了化学方面。这一年，他发现了胡椒中刺激性成份之一的胡椒碱，这大大激发了奥斯特从事化学研究的兴趣，他决心将矾土中的金属铝提炼出来。可是，如何提炼呢？

铅是用木炭从铜矿石中炼出来的，铁也是用木炭从铁矿石中炼出来的，那么，用同样的方法能不能从矾土中出铝来呢？”奥斯特一边翻阅着有关书籍，一边思考着实验的步骤。

于是，他先把木炭成粉末，将它和矾土混合在一起，架起火来烧。然而，木炭烧尽了，矾土照样还是矾土。

“这种办法看来不行。”奥斯特又陷入了沉思，“会不会是存在空气的原因遭致失败的呢？不让它们在空中燃烧会产生怎样的结果呢？”

他又重新将木炭粉末和矾土混合起来，并装在密封容器内，外面燃火猛烧。几个小时过去了，奥特斯将容器打开时，结果仍旧让他感到失望。“用氯气来代替氧气行不行呢？或许，氯气比氧气更容易与铝发生化学反应呢！”奥斯特又沿着他的思路干开了。他把矾土和木炭混合，加热烧到通红，再通进氯气。嘿！终于有了变化。奥斯特发现有一些液体流了出来。

后来，他才了解到这种液体原来是氯化铝。他小心翼翼地将氯化铝收集起来，用钾汞齐来和它发生反应，他得到了氯化钾，同时产生的则是铝汞齐。奥斯特又如法炮制，对铝汞齐进行加热，希望将汞蒸发掉，提炼出金属铝。可惜的是，在汞蒸发的同时，铝却又回到了矾土。为此，奥斯特白白浪费了许多时间。

吃一堑，长一智，奥斯特决心重新再来。这次他打算让铝汞齐在隔绝空气的情况下进行蒸馏。果然，在除去汞之后，他得到了一种具有金属光泽的、和锡相似的金属。

奥斯特高兴极了，他把自己的实验结果写成论文，寄给丹麦的一份化学杂志。然而，很少有人注意到奥斯特和他的论文，这使奥斯特感到了十分失望，转而去研究其他项目了。1827年，奥斯特在他哥本哈根住宅的花园里，接待了一位来自德国柏林的化学家维勒，两个人在一棵枝繁叶茂的橡树下进行了亲切的交谈。“奥斯特先生，我虽然是一个外科医学博士，但我对化学很感兴趣，决心献身于化学。”维勒坐在奥斯特的对面面含微笑地说，“不久前，我在柏林工艺学校图书馆里，偶然翻到一本丹麦杂志，其中有您的一篇论文。不知您现在是否还在研究矾土。”

“啊，年轻人，欢迎你来到哥本哈根。那篇论文是我几年前写的，我早就停止了这项研究。哎，请喝咖啡。”奥斯特端起桌上的一杯咖啡，呷了一口，“说实话，那或许是一次不成功的尝试而已。后来，由于我在电磁学方面还有许多工作要做，只得停止了对矾土的研究。如果你愿意，我可以把我的资料送给你。”

“那太好了，奥斯特先生！我真不知如何感谢您才好。”

“不必不必！只要你将成功的消息告诉我就行了。”

从哥本哈根回到柏林，维勒便全身心地投入到矾土的研究中去了。他白天在工艺学校教化学，晚上还要为成年人授课，只有在授课以后，他才有时间走进实验室，对矾土进行研究。

开始，维勒照着奥斯特的方法进行，但很快，他便发现此路不通，因为对铝汞齐进行蒸发产生的蒸汽有毒，不可能用于大规模的生产上，他决定另辟蹊径。

到了这一年的冬天，维勒的研究终于有了进展。他将明矾溶液煮沸，然后将热的碳酸钾溶液慢慢地倒进去，眼看着有白色沉淀产生，而且越来越多，在煤气灯的加热下翻腾不息。

维勒仔细地把沉淀物过滤出来，冲洗干净，和木炭粉、糖、油等混合成糊状物，放进坩埚内加热，同时通入氯气，这样，他得到了氯化铅。下一步怎么走呢？用什么方能将金属铅提炼出来呢？维勒用了各种方法，如空气、木炭，但都以失败而告终。

最后，维勒想到了金属钾。他把钾和氯化铅混合后，放在用白金做的坩埚里，严密封盖后加热，坩埚内反应激烈。等了一段时间以后，维勒将坩埚冷却，将里面的东西倒入水中。嗨！水中有了一些银灰色的金属粉末。

“这肯定就是我日思夜想的铝！”当然，这些铝很不纯净。为了获得纯净的铝，维勒化了一年又一年的时间。一晃18年过去了，1845年，维勒在给他的朋友、德国化学家李比希的一封信中这样写道：

“我找到了制取铝的方法，制得别针头大小的粒状。这种金属容易弯曲，锌白色，易溶于碱，特别易溶于盐酸。”

但是，维勒的这种炼铝方法也不可能应用于大规模的生产，他只是给炼铝的方法领到了一张“出生证”。

在发明炼铝方法的漫长过程中，德国化学家本生和法国化学家德维尔也作出不可磨灭的贡献。

本生的方法比较简单而且独特，他利用当时已经被人广泛使用的电池对氯化铝和氯化钠组成的复盐进行分解，果然获得了铝，时间是在1854年。只是由于电池的功率太小，不可能利用它进行大量的生产。本生发明的这种方法其实为以后大规模的生产奠定了基础，指明了方向。

也是在1854年，法国的德维尔殊途同归，炼得了成块的金属铝，事情的经过是这样的。

德维尔出生在美国，10岁那年与哥哥远涉重洋，回到了父母的故乡——法国巴黎，接受正规的教育。

在大学，德维尔学的是医学，但他并不满足，还广泛涉猎其他学科，尤其是化学。(www.xing528.com)

1851年，德维尔在了解了一些有关炼铝的情况以后，提出了这样一个问题：“既然书上说铝和铁的性质非常相似，为什么会有亚铁化合物而没有亚铝化合物呢？我能不能制取它呢？”

这一念头激起了德维尔深入研究的热情。当他知道维勒已成功地制取过金属铝珠时，他信心大增了：“利用维勒的方法，稍加改进，我或许就能制取亚铝化合物呢！”

德维尔比维勒的研究时间要晚20多年，实验条件自然也要好得多，首先实验所需的金属钾就要多得多。他在一支白金管内装满了钾，并让管的一端与装有氯化铝的陶瓷容器相通，加热陶瓷容器，氯化铝的蒸汽就进入了白金管，与钾发生化学反应，结果他获得的还是铝，并没有什么亚铝化合物。

多次的不成功使德维尔放弃了原先的念头，转而研究起了铝。他希望法国政府能出资帮助他发明大量生产铝的方法，但是除了国王的科学顾问杜马的口头支持以外，他一无所获。德维尔决心依靠自己的力量，生产出铝块，让事实说服国王。

经过3年的反复研究，1854年，德维尔终于找到了一种较快制取金属铝的方法了，他能在一天时间内制造出一块大铝锭了。

德维尔将他的这种轻而贵的金属通过法国科学院转给了国王拿破仑三世。国王欣喜万分，叮嘱工匠们为他打制了一顶铝盔和一套餐具，出现了本章开头的那种金碧辉煌的场面。

为了用这种“贵金属”制造兵器，国王希望德维尔在热维利亚兵工厂进行试验，并答应用第一批生产出来的铝制造一枚奖章，奖给德维尔。1855年7月18日，热维利亚兵工厂终于生产出了第一批铝锭。在德维尔的劝说下，这枚铝质奖章上刻了“弗里德里希·维勒，1827”几个字，以示他对维勒的尊敬。

虽然，德维尔为批量生产金属铝作出了重要贡献，但当时铝的价格还贵得惊人，根本不可能用来制造兵器，只能用来打制珍贵的首饰。直到1886年，两位年轻人终于实现了人类梦寐以求的理想，发明了价廉量大的炼铝新方法，他俩便是美国的豪尔和法国的埃罗。当然，他们是各自独立发明的，这一年，他俩都只有23岁。

豪尔是美国俄亥俄州奥柏林学院化学系的学生，他在课堂上就听老师介绍过金属铝的优良性能、提炼铝的艰难以及它价格的昂贵。

“如何才能制得价格低、批量大的金属铝呢？”这一问题始终在豪尔脑海里萦回，“能不能用电试一试呢？不是有人已用电制取了钾、钠等金属吗？”

于是，豪尔开始对矾土进行通电电解，结果却大失所望：矾土根本不导电，通再长时间的电也是白费劲。怎么办？

偶尔，豪尔在一本旧文献中读到了德维尔的一份实验记录，上面写着：“格陵兰伊维图特生产一种矿物，外形与冰相似，叫作冰晶石，冰晶石中含铝，熔点较低，可用来炼铝。”

这真是“踏破铁鞋无觅处，得来全不费功夫”啊！豪尔马上找来了冰晶石，并和矾土一起加热熔融，居然成功了。他立刻插进电极通电，电极上出现了一层薄薄的闪着银白色光泽的金属，豪尔立刻兴奋了起来。可惜，好景不长，电极一会儿就熔化了，原因是温度太高。

“如何才能降低熔点呢？”豪尔陷入了深深的沉思。

1886年2月23日，豪尔手握着一个银光闪闪的铝球冲进了他老师的办公室，一时激动得说不出话来。老师看着这一切，心里全明白了。

原来，这一天豪尔做第103次实验时，在冰晶石里加进了氯化钙，再加入矾土，终于把熔点降了下来，通电以后，成功地提炼出了日思夜想的金属铝。

无独有偶，几乎同时，在大洋彼岸的法国桑特一巴比学院里，青年化学家埃罗在电解冰晶石时发现，电解槽内的铁阴极突然熔化了，按当时的温度，铁是不会熔化的。埃罗断定，铁一定是变成了某种合金。

几天以后，埃罗又把氯化铝钠加到电解槽内，希望能降低温度，不料他又发现，碳电极被腐蚀了。他推断这可能是由于氯化铝钠吸收了潮湿空气，生成了氧化铝，氧化铝又被电解成铝和氧气的缘故。埃罗也异曲同工地发明了电解法炼铝的新工艺。

豪尔和埃罗的成功，加上电力工业的迅速发展，使金属铝终于走出了深宅大院，来到了平民百姓家，成了人们日常生活中的一个好伙伴。

自1886年埃罗等人发明了电解法炼铝以后，世界各国几乎都应用这一方法。然而，人是不知足的，总要想方设法发明新的炼铝方法，日本的桑原谦之便是其中之一。

1981年4月，日本专利公报公布了一个令人振奋的消息：日本三井氧化铝制造株式会社经理桑原谦之发明了一种高炉炼铝法。

消息传开，人们纷纷打听：桑原谦之是何许人？他怎么会想到用高炉炼铝的？他又是如何发明高炉炼铝法的？……

不久，新闻记者就在报上公布了桑原谦之发明高炉炼铝法的前前后后。原来，桑原是一个壮实的中年人，大学毕业，曾获得过冶金和经营管理方面的大学学历，他精力充沛，好发奇想，常常做出普通人想不到的事情。大学毕业以后，桑原进入了三井集团的氧化铝制造株式会社工作，他的干劲和能力很快获得了上司的赏识，没过几年，就被提升担任经理要职。

三井氧化铝制造株式会社主要是从澳大利亚进口铝土矿，经过精炼加工制成氧化铝粉末，然后再卖给制铝厂炼铝。为了洽谈生意，桑原经理常常出差去各地。有一次，他路过一家规模庞大的钢铁厂，看到巨人般的炼铁高炉巍然矗立，一个新的念头便油然而起：“能不能用炼铁高炉来炼铝呢？一个高炉每天能炼上万吨铁，相比之下，炼铝厂实在太小了，全日本的炼铝厂产量还抵不过一座大型炼铁高炉呢！而地球上铝的含量却比铁要多，要是能用炼铁炉炼铝那就好了。”

回到公司，桑原经理立刻通过电子计算机调集了有关资料，原来高炉炼铝存在几大难处：一是铝土矿熔点远比铁矿石高，难以熔化；二是铝土矿内除了氧化铝，还含有氧化铁和石英砂，分离比较困难。

原来如此！桑原经理决定建造一座小型耐高温高炉，进行炼铝试验。不久，高炉建好了，铝土矿和焦炭从高炉顶部加进去、强大的热风从炉底一个劲往上吹……测量仪表传来信息：高炉上层温度已达500～1200℃，中层已达1600℃，下层达到了1900～2100℃．

“继续加料，继续鼓风。”桑原经理下令道。

几小时以后，他一声令下：“开炉出铝！”

炉门打开来了，一股闪着银光的熔液奔流而出，冷却以后，迅速送去分析：这是一种含有铁和硅的铝金属，含铝约60%。

第一次试验成功了，以后便是如何进一步提纯。桑原决定先用铅将铝从铁和硅的束缚下“解放”出来，因为铅的熔点低，容易和铝结合成合金，更重要的是，美国和法国具有分离铅铝合金的成功经验。经过多次试验，这一方法终于成功了，而且他在铝镜制造法的启发下，发现铅在高温下不易蒸发，而铝则很易蒸发，这样便轻而易举地解决了从铅铝合金中提炼高纯度铝的难题。一座专门用来分离铅、铝的真空炉造了出来，提炼出的铝纯度达到99．9%。

高炉炼铝法节省了许多人力物力，为人类进一步开发利用铝资源开辟了一个新天地。