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杂说生活中的铝 精选

已有 8610 次阅读 2021-11-26 08:32 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦

杂说生活中的铝

杂说铝,就先从我开始认识铝说起。

过去,苏州老百姓家里做饭烧菜都烧稻草,家家户户都有柴灶,灶上两口或三口铁锅。大概到了上世纪50年代中期,国家开始给苏州的城市居民供应煤球,于是各家各户都换成了煤球炉,同时,锅也都换用了钢精锅。钢精锅又称钢种锅,就是铝锅,一般是用薄薄的精铝冲压而成,被称为洋镬子。与铁锅相比,铝锅又轻便又漂亮,端动方便,可以放在厨房,也可以搬到吃饭的客堂间,大家盛饭就方便了。

铝的导热性能好,用铝锅做饭,热量的浪费少,节约燃料。那时候,大大小小的铝锅、铝盆被摆在百货商店的临街的大橱窗里,亮晶晶的很是显眼。

后来我到东北以后,看到东北有一种用粗铝铸造而成的铝锅,一般比较大,也很厚,强度大。这种铝锅出在东北,大概是那时候东北的铝多,有当时最大的铝厂。60年代,沈阳的工厂还用它制造了压力锅。

1958年,国家要“大跃进”,人们也都要参加工作或学习,为节约时间,参加跃进,都要从家里带饭到“单位”去吃。于是,铝饭盒成了十分紧俏的商品。一时很难买到,我读初中,我班的一位同学谎称能够买到铝饭盒,骗了不少老师和其他人的钱,最后被“劳教”去了。

在60和70年代,拿着或夹着铝饭盒去食堂吃饭成了很多青年工人的“标配”。

铝饭盒虽然轻便,但是放在书包里常常把靠着饭盒的书或本子摩擦黑了。这是因为铝很软,即使是纸,在饭盒上“蹭”几下,也能够把一些金属铝的粉末蹭下来,使得纸变黑。

也正是这个原因,用铝制餐具往往会使人吃进去不少金属铝。

铝并不是人体所必需的元素,在人体的各种正常的生物化学反应中,都不需要铝元素的参与。当人们摄入了过量的铝之后,有些正常的反应如钙和磷的吸收会被干扰,产生不良的后果。也有些研究称,摄入过量的铝对脑组织和骨骼不利,这样就会影响青少年的发育,也与老年痴呆有关。所以,如今人们也就不大用铝来制造餐具了。

过去人们摄入铝元素最多的途径之一,是在食品中含有明矾(硫酸铝钾)。

人们使用明矾的历史悠久,过去,家里从河里或井里打来的水中会有泥沙等细小的污杂物,放入一些明矾,就可以吸附和沉淀这些泥沙杂物。

最早自来水厂也用这个办法,但是由于明矾中的铝元素危害健康,现在的自来水厂已经不用这个办法了。但是,当遇到地震等严重的自然灾害,清洁水源缺乏时,这个方法仍然还有一定的用途。这是“两害相较取其轻”的道理。另外,这是短时间所用的办法,短时间少量摄入一些明矾问题不大。不像自来水厂,是日久天长的饮用水。

很多年以来,我们在炸制油条时总是要放置明矾,所谓一碱二矾三盐就是过去炸油条前配料的口诀。过去做糕点时所用泡打粉的原料中也有明矾(过去的泡打粉就是因小苏打与明矾等弱酸性盐类反应放出二氧化碳而发泡)。不过,现在由于人们发现了明矾中铝对身体的不利影响,所以都改用无铝的添加剂。泡打粉中间也把明矾改为塔塔粉(酒石酸氢钾)。现在如果再用一碱二矾三盐的配料来炸制油条出售就是违法的了。

明矾是人们最早认识铝元素的物质,铝的英语Aluminium(元素符号Al)就来自明矾aluminum。

金属铝是很轻很软的,但是,把它做成合金就硬多了,但是仍然很轻。

在日常生活中可以看到的很多窗户、橱窗等都用铝合金做成。它轻盈、漂亮,不生锈,价格低廉,深受人们欢迎。

大家知道,飞机用铝更多,因为铝合金轻而且坚固。当然,那里的铝合金更硬和韧,用到的是铝(90%以上)、铜(4%)以及少量镁和锰的合金,称为“杜拉铝”、硬质铝。五十多年前,有一个阶段,人们流行用这样的硬质铝来做像章,而且越做越大,后来被迅速制止,因为要“还我飞机”。

纯铝的硬度只与人的指甲差不多,可是铝合金的强度可比钢材。实际上所有合金的强度都比纯金属大,这是什么道理?

金属晶体是由一个个金属原子紧密堆积起来的。纯的金属,所有的原子都一样,就像一个个排列整齐的球,它们的外层电子都贡献为共有,把这些原子紧密地连在一起,成为金属晶体。当受到外力时,原子层间会产生滑动,但是,由于所有的原子都一样,所以滑动以后微观上仍然保持着原样,宏观上却产生了形变。这就是金属的塑性。

当一种金属元素中掺进了其他金属元素成为合金之后,虽然仍然有公共的电子形成金属键,但是,由于不同原子的大小不同,受到外力时,就不容易产生层间滑动,塑性差而刚性强了。这就是合金总是比纯金属强度大的主要道理。

当然,对于比较重(第四周期或更重)的过渡金属原子,由于内层d轨道的参与,会在一定程度上形成共价键,金属及其合金的强度将更大。铝合金中掺入铜原子和锰原子后其强度的大幅度提高也有这个原因。

铝是一个很活泼的金属,很容易被氧化。铝粉会燃烧,燃烧时放出大量的热量。用燃烧铝粉产生的高温去作铁路上钢轨的焊接是很成熟的技术。但是,我们用铝锅做饭,却没有发现把铝锅燃烧起来的。这是铝通常在表面被迅速氧化,形成一层致密的氧化铝,保护内层的铝原子不再接触氧气的缘故。

氧化铝是非常稳定的物质。铝在地壳中的含量非常高,在所有元素中位列第三,仅次于氧和硅,基本上都是以氧化态存在。

由于它与氧结合得非常牢固,难以用古人通常使用的冶炼办法,也就是用碳把金属从氧化物中还原出来的办法,来得到金属铝。所以,最早的金属铝非常稀有从而非常昂贵,金属铝制品曾经是欧洲帝王们使用的极其奢侈的“极品”。后来,人们发明了用电解法制造铝,才使得铝的身价一落千丈,成为最普通的金属。现在铝是除钢铁以外最大的金属产品。

除了铝土矿以外,自然界里长石、云母等岩石中都含有氧化铝,由这些岩石风化而得的黏土中也有大量的氧化铝。所以,以黏土为主要原料的传统陶瓷工业,虽然往往被称为硅酸盐工业,但是硅酸盐制品中实际上也总是含有大量的氧化铝。

高岭土中铝原子与硅原子的比例几乎是1:1,所以,优质的传统陶瓷制品中,铝和硅的原子比也是这个比例。

天然的比较纯净的氧化铝晶体称为刚玉、红宝石和蓝宝石。刚玉是极其坚硬的材料,它的刻画硬度可以达到9,在主要天然产物中仅次于金刚石。细碎的刚玉砂可以作为高级的研磨材料。红宝石是由于氧化铝晶体中含有少量的三氧化二铬,从而呈现红色。蓝宝石主要是含有少量的四价钛离子或二价铁离子,不过习惯上把除了红宝石以外的刚玉类宝石都称为蓝宝石。

漂亮的红宝石和蓝宝石都可以作昂贵的饰品。当然,它们也被用作手表和其他精密仪器中的轴承。手表中的“钻数”,往往就是指其中刚玉类宝石的轴承数。

不过,如今人们已经可以大量制造出人工的红宝石和蓝宝石了。手表等仪器中的轴承通常也都是这些人造宝石的。

实际上,人造宝石与天然宝石并没有什么差别,人工制造的甚至可以更加纯净(人工制造的金刚石也是如此)。有人追求天然宝石,以为物以稀为贵,一定要用天然宝石,而排斥和贬低人工宝石。这不过是一种心理上的自我安慰罢了。其实那真正是只要贵的,不要对的。说的不好听一点就是愿意交智商税。

就像电解法制铝使得金属铝产品的价格一落千丈一样,人工合成宝石,也将使宝石的天价掉落到地上。

现在,用纯净的氧化铝加工而成的所谓“精细陶瓷”制品,前些年还是“高科技”产品,如今已经普及到我们的日常生活中。例如,氧化铝陶瓷刀具已经是比较多的走进了千家万户。这种刀具锋利而不容易磨损。氧化铝陶瓷也已经成为了牙科的重要材料,人们把高透明的氧化铝陶瓷作为牙齿矫正器。氧化铝陶瓷作为良好的人工关节已经用来置换被损坏的各种关节。所有这些都是由于氧化铝陶瓷的极高强度和较小的质量密度所致。

当然氧化铝陶瓷作为重要的高科技材料大量用于航天事业和军工产品,这些里我们的日常生活略远一点。

1889年,门捷列夫因发现元素周期表并在表中预留了元素“类铝”(即镓)的位置,得到伦敦化学会赠送的铝合金制成的花瓶和杯子。那时候,铝还是很贵重的金属。如今132年过去了,在短短的一个多世纪里,经过包括化学家在内的科学家的努力,人们的化学知识和利用化学物的能力得到了极大的进步,人们的生活也发生了翻天覆地的变化,铝和铝的化合物也被深入地用到了人们生活的每一个角落。







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