【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第四章铝

§4-1铝的性质和用途

【01】在前面两章里，我们扼要地介绍了周期表第Ⅰ和第Ⅱ的主族元素（碱金属和碱土金属），现在顺着次序，我们学习周期表第Ⅲ的主族元素（土金属）。在这一类主族里，一共有硼B、铝Al、镓Ga、铟In、铊Tl五种元素，其中镓、铟、铊三种元素在自然界的存在十分稀少，对这些元素的研究也不多，是属于所谓“稀有元素”。硼是一种非金属元素，在自然界里存在的量也很少，它的性质在许多方面和第二册第六章里讲过的硅很相似。铝是本族元素里最重要的一种元素，在本章里我们将专门介绍有关铝的知识。

【02】和本族里的其他几种元素不同，铝是地壳里含量最多的一种金属元素，它在自然界存在的量，仅次于氧和硅两种元素而居第三位（参见第一册§1-7）【山注，化1-1-07图1·4，传送门CV20242165】。另外，铝具有许多可贵的、适合于现代技术要求的性质，例如：比重小、导电传热性好、抗绣蚀性强等。因此它广泛应用在航空、交通运输、电器等工业上和用来制造日常生活用具等。

【03】铝是今天世界上有色金属中产量较多的一种，我们在生产上和生活上经常会接触到用铝（或铝的合金）制造的器械。但是铝和铝的化合物的性质，和前面学过的碱金属和碱土金属相比，有许多特殊的地方。掌握铝的这些特性，对铝制器械的制造、使用和保养，都是十分重要的。

铝在元素周期表里的位置和它的原子结构

【04】在元素周期表里，铝处在第三周期第Ⅲ的主族。在这个周期里，铝前面（第Ⅱ主族）的一个元素是镁，后面（第V主族）的一个元素是硅。镁是一种金属元素，硅是一种非金属元素，按照周期表里元素性质递变的规律来看，铝正好处在从金属元素过渡到非金属元素的地位。这就决定了铝（以及铝的化合物）的特殊的化学性质，即在有些方面和金属元素相似，而在另一些方面又和非金属元素相似。

【05】另外，从铝的原子结构（表4·1）来看，铝原子核外最外电子层上有3个电子（次外层上有8个电子），在化学反应里，它能够失去这3个电子（变为外层具有8个电子的稳定结构），成为带3个单位正电荷的铝离子Al⁺⁺⁺：

【06】但是要铝原子失去最外层上的3个电子，显然要比碱金属失去1个电子或碱土金属失去2个电子要困难，所以铝的化学活动性和金属性都比它们弱。

【07】铝在它的一切稳定化合物里都显示+3价。

铝的物理性质

【08】铝是银白色的轻金属，它的比重、熔点、沸点、……（总称为物理常数）如表4·2所示。

【09】铝是热和电的良导体，它的导电性虽然比铜差些（在以汞的导电性为1为标准时，铜的导电性是56.9)，但由于铝的比重只有铜（比重=8.92）的大约30%，所以，传导同量的电所用的铝线的重量，比铜线可以轻得多；且由于铝的价格比铜便宜，所以在电器工业上，有不少地方铝正在逐渐用来代替铜。

【10】铝有很大的延性和展性。1克铝可以拉成长达37米的细丝，亦可以展成面积达50平方米的铝箔（它的厚度仅0.00008毫米，即10000张这样的铝箔迭在一起，总的厚度还不到十分之一厘米呢！）。

【11】纯铝的硬度不大，强度也较差，但若加入少量铜或其他金属，硬度和强度都将大为增加，适合于用作工业材料。

铝的化学性质

【12】铝虽然不如碱金属、碱土金属活动，但从它的化学性质来看，还是一个相当活动的金属，这可以从下面这些反应来说明。

1、铝跟氧的反应

【13】铝跟氧非常容易化合。将铝露置在空气里，铝表面上会很快地生成一层致密牢固的氧化铝薄膜（简称氧化膜）。在电子显微镜下观察，氧化膜是连续、无孔的，气体不能透过，这就可以防止铝内部金属的继续氧化；即使在高温下，氧化膜也能起同样的保护作用。

【14】把铝粉在空气里加热，会剧烈地燃烧，放出大量的热（每克铝氧化时放出7.47千卡热，比其他许多金属氧化时放出的热量要多）。生成的氧化铝微粒灼热，发出夺目的光辉，跟镁带、镁粉燃烧时的现象相似：

【15】如果铝的表面含有杂质，氧化膜跟铝的联结力就减弱，这时铝就会继续氧化而迅速锈蚀。例如当铝的表面有少量汞存在时，氧化膜就不能跟铝紧密联结，这样的铝在空气里将很快地被氧化。

【16】把铝片表面用砂皮擦净，或把它浸入热的碱溶液里，以除去铝表面的氧化铝，用水洗去铝片上残留的碱液。然后把铝片浸入汞盐溶液，取出并用水洗净。由于铝比汞活动，因此金属表面上有少量汞被置换析出，并跟铝组成铝汞合金，它阻止了铝片表面致密氧化膜的生成。铝汞合金又有很多孔隙，这样氧气就能通过孔隙很快地跟铝反应，在孔隙中不断生成白色的氧化铝细丝，看起来好象一把毛刷（图4·1）。这时候铝片的温度很快升高，用手摸可感觉到。

2、铝跟氯气以及其他非金属的反应

【17】铝跟氯气在微热的条件下，能剧烈地燃烧，生成无水氯化铝晶体：

【18】在高温时，铝跟硫反应生成硫化铝Al₂S₃。

【19】取硫粉约2克、铝粉约1克充分混和，放在铁盘内。用玻棒烧红一端，迅速插入混和物内，铝跟硫即剧烈化合，发生火花与闪光。

3、铝跟水的反应

【20】铝是一种相当活动的金属，在金属活动性顺序里，它的位置仅次于钾、钠、钙、镁等少数几种活动金属。但是我们平常用铝锅或铝壶盛水或煮水时，却看不到它跟水有什么显著的反应，这就是因为铝表面上覆盖着一层极薄的但又极致密的氧化层保护膜，使金属铝不能和水直接接触的缘故。如果我们用前面讲过的方法，把铝片表面的氧化膜除去，然后把铝片投入水中，就可看到它跟水迅速反应，置换出水里的氢：

【21】铝跟水反应时除有氢气逸出外，同时有凝胶状的氢氧化铝生成。氢氧化铝逐渐附着在铝片表面，阻碍了铝跟水的接触，因此反应速度逐渐减慢。

4、铝跟酸的反应

【22】铝的表面虽然覆盖有一层氧化保护膜，但氧化铝能溶于酸，因此它对酸将不能产生保护作用。铝跟盐酸或稀硫酸的反应非常剧烈：

【23】但是，冷的浓硝酸、浓硫酸跟铝几乎完全不起反应，这种现象称做“钝化”。由于这样的原因，铝的容器可以用来贮存浓硝酸或浓硫酸。

5、铝跟金属氧化物的反应

【24】铝不但容易跟单质的氧气直接化合，而且还能夺取金属氧化物里的氧，同时，把金属氧化物里的金属离子还原出来。所以铝可用作还原剂来冶炼他种金属。由于反应时放出大量的热，能使还原出来的金属呈熔融状态。这种冶炼金属的方法，称做铝热法，现在工业上常用它来冶炼高熔点的金属，如铬、锰等：

【25】铝和铁的氧化物的混和物称做铝热剂。铝热剂可以用来焊接钢轨。

【26】把铝粉跟四氧化三铁按1：3的比例混和，并加入适量的过氧化钡作助燃剂（过氧化钡Ba₂O₂受热分解时，放出氧气，使反应更加剧烈）。把混和物放在坩埚里，用镁带引火，铝热剂发生如下反应：

【27】反应非常猛烈，有明亮的火花喷射出来，并产生大量的热，使坩埚里的温度高达3500℃。这时反应生成的铁呈熔融状态，生成的氧化铝形成熔渣，和铁水不相混和，而浮在铁水上面，这些熔渣能防止下面的铁水氧化。把要焊接的钢轨在焊接处用模子（耐火材料制成）围住，让铁水从坩埚底孔流入模子（图4·2）。待冷却后，把模子去掉，钢轨就焊接起来了。利用铝热剂焊接的方法叫做铝焊接术。

6、铝跟碱溶液的反应

【28】我们知道，一般金属和碱溶液不起反应，可是把铝片投入碱溶液里，反应却很剧烈，有氢气放出，同时铝片逐渐溶解。这个反应过程可以分成三个步骤：首先铝表面的氧化铝被碱溶液溶解，生成偏铝酸钠NaAlO₂：

【29】其次，当铝表面的氧化膜被溶解后，金属铝就跟溶液里的水反应，置换出水中的氢：

【30】最后，这个反应里生成的氢氧化铝也能够溶解在碱溶液里，生成偏铝酸钠：

【31】这样，铝跟水的反应就不会受到凝胶状氢氧化铝的阻碍，而能继续进行下去。由此可以看出，铝跟碱溶液的反应，实质上是铝跟水的反应；碱的存在，只是起了溶解氧化膜和氢氧化铝的作用，促使铝跟水迅速反应。因此，铝容器不能盛碱溶液和碱性物质，否则易被腐蚀而损坏。

铝的用途

【32】由于铝和铝的合金具有许多可贵的性质，因此铝在工业上有着广泛的用途，是一种极为重要的金属材料。现在根据铝的性质来说明铝的主要用途。

【33】(1)铝合金的比重小、强度大，可用来制造交通运输工具，如火车、汽车车厢，特别是用来制造飞机。用在飞机上的铝合金，要占飞机总重量的50%左右。另外，铝合金也用来制造机器的零件，例如内燃机的活塞等。它可以减轻机件重量，并可提高运转速度，减少能量的消耗。

【34】(2)铝的导电、传热性能好，可塑性强，易于加工，因此纯铝可用来制造电线、电缆和无线电器材；亦可制造炊具，如铝锅、铝壶等。铝箔可用来包装香烟、糖果，以防受潮。

【35】(3)铝的抗蚀性强，可以用来制造化学工业上用的反应器、输送管子以及食品工业和日常生活里用的各种容器。用铝粉制造成保护金属的涂料（银色油漆），可以防止其他金属锈蚀。

【36】(4)由于铝跟氧结合时能放出大量的热，所以铝粉可以用来冶炼某些高熔点的金属，制造照明弹、信号弹和爆炸物（硝酸铵和铝粉的混和物）等，铝热剂可用以焊接钢轨。

习题4-1

1、试以铝在元素周期表里所处的位置，和它的原子结构来说明铝的性质。

2、写出铝跟氧、硫反应的化学方程式，并指出在这些反应里，哪一种物质是氧化剂？哪一种物质是还原剂？

3、试应用原子结构理论，解释铝的化学活动性较钠和镁弱，并举出实验事例证明。

4、铝在金属活动性顺序里在氢之前，为什么用铝容器盛水或煮水都没有氢气产生？

5、日常使用铝壶或铝锅，为什么：

(1)不能用砂或煤渣来擦除锅外煤烟或锅内锅垢？

(2)锅内油腻不能用纯碱溶液洗涤？

(3)不能煮酸性东西？

6、铝（或铝的合金）的下列各种用途，各利用它的什么性质？

(1)制造飞机和汽车外壳；

(2)高速运转的机器零件；

(3)电线；

(4)贮存浓硝酸或浓硫酸的容器；

(5)镀或包在其他金属外面；

(6)铝热法冶炼金属；

(7)日常用炊具。

7、铝热剂是什么？用铝热剂焊接钢轨，估计需用2公斤熔融铁水，问需用铝粉和四氧化三铁各多少公斤？【铝粉0.857公斤，四氧化三铁2.76公斤】