从人们接触到含铝化合物,到工业上能够大规模生产铝,所经历的时间和路程,要比其他金属的都长而艰难。最早的手工制陶器,必然要用硅铝酸盐的黏土,明矾则是早就被用作药物的含铝硫酸盐,后又广泛在民间用作食物的发泡剂。在欧洲,化学形成科学的当初,就认识到氧化铝是一种特别稳定的物质,叫它矾土,误认为它是元素。
氧化铝也是多种“宝石”中的主要成分,如玛瑙、刚玉、翡翠等,它们经磨琢成装饰品后,被陈列、佩带而当成珍品。当化学家们发现上述等物质中必有一种新的金属元素时,没有待它降生,就已起好了名字,叫做“铝”,这铝字是后来经中国人翻译时创造的,原文是媒染剂和矾的意思。19世纪初就有人想用电解的方法制金属铝,没有成功。其后的几十年中,有人试图用化学方法制铝,几经失败到了1854年,才有人制得了别针头那样小的几粒铝珠。这时有人在拿破仑第三政府的资助下,也只能少量生产价格比银子还贵的铝,供一些达官显贵们享用。1886年有两位年轻的大学生,在两个不同的国度里,不约而同的发明了一种电解质铝的方法,从此工业制铝投入了大量生产,使铝成了三大工业用金属的成员,和铜、铁一起走入了千家万户。
综上所述,不由地要问;人们为了要把铝从化合物中提取出来,开始就用了电解的方法为什么不成功?后来转用化学方法为什么反能制出铝?为什么要实现铝的工业生产,又要用电解的方法?为了回答这一串的问题,必须围绕着铝的化学性质来谈,铝是一种较活泼的金属,但化学活动性并不如钾、钙、钠、镁强。钾、钙、钠、镁先后在1807-1808年间,由电解的方法制了出来,而且主要是由英国化学家戴维一人完成的。当他把铝的化合物放到电解的装置中,本以为能够容易的得到金属铝,可结果却使他非常失望。
戴维得到的钾和钠,是从电解熔融的氢氧化钾或氢氧化钠中制出来的。在制钙和镁时,钙、镁的氢氧化物就不好用了。这是因为在加热时,钙、镁的氢氧化物会分解成水和氧化物,而且钙、镁氧化物的熔点特别高,戴维的加热措施是无能为力的。为了得到钙、镁,用钙、镁氧化物和氧化汞混合,加一些水湿润一下,并用水银做阴极来进行电解,结果得到钙或镁跟水银形成的合金,这种合金统称“汞齐”。汞就是俗称的水银,加热汞齐,汞气化蒸发,就会剩下汞齐中所含的另一种金属。戴维就是在这一情况下,得到了金属的钙和镁。
戴维用了同样的方法电解氧化铝(当时叫矾土),却没有能够得到铝汞齐,原因又在哪里呢?其一,由于氧化铝的特殊结构,非常稳定,我们可以从它能形成坚硬的宝石这一点上得到体会。其二,由+3价铝原子(Al3+)要得到三个电子才能变成零价的铝原子,这一过程发生在铝的氧化物中,必须要有很大的能量变化。没有高温或强大电流情况下,这一变化是不能完成的。戴维所用的是最原始的电池,他在不能高温加热,又不能提供强大电流的状况下,当然制不出金属的铝。若不改变原料的配方,这一电解的做法,根本就行不通。
电解质铝的路子一时受阻,人们又纷纷转回寻求化学反应来炼铝。为什么人们又会对此抱有希望呢?主要是因为有了强力的还原剂钾和钠。
钾和钠比木炭等有更强的还原能力,由电解的方法能够制出钾和钠,再用钾和钠去还原铝的化合物制铝,就明显是可行的又一条道路。有人用了大量的金属钾、钠跟氧化铝、氯化钠、木炭、氯气、氧化汞、水银等物质做了无数次的实验,最后以氯化铝、氯化钠的混合物跟金属钠反应,使得到的铝能够作为贵重的商品出售了。但是,这一制铝的做法,成本实在太高,没有推广的价值。
随着工业的逐渐发达,各种机械如蒸汽机发电机等的产生,人们能由强大动力得到强大的电力。电池作为电源,经过一再的改进,也能产生强大的电流。只要能够找到制铝原料的新配方,直接电解质铝的目的就能实现。
我们知道,电解质必须在溶液中或熔化的状态下才能被电解。制金属钾和钠时,用的是氢氧化钾和氢氧化钠,这是因为它们熔点较低,受热又不分解,这种条件有利于工业生产。后来也有用氯化钾或氯化钠来做原料的,但它们溶点太高,加了一些其他的盐,熔点能有所降低,生产成本也就较低了。
氢氧化铝受热易分解成水和氧化铝,氧化铝有很高的熔点,无法在大规模生产情况下将它熔化。氯化铝的熔点较低,但同时沸点也较低,加热时容易气化,不好控制。另外氯化铝有很强的吸水性,有了一点水,电解时就得不到金属铝。化学家们找来找去,结果还是以氧化铝为原料,把它放进熔化了的冰晶石中,形成一种混合的“熔体”,用强大的电流进行电解,这就是工业电解质铝的基本做法。
冰晶石的化学成分是AlNaF4或写成AlF3·NaF,在进行电解时,放入的氧化铝中的氧在阳极上变成氧气,氟的成分不发生变化。混合物中有钠和铝,电解时阴极上产生金属铝,钠的成分不发生变化。只要不时地向电解槽中添加纯净的氧化铝,就可连续生产金属铝了。