鋁的基本知識：密度、結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及應(yīng)用?

　　鋁是一種輕金屬，其化合物在自然界中分布極廣，鋁在地殼中的含量僅次于氧和硅。金屬品種中，鋁僅次于鋼鐵，為第二大類金屬。鋁具有特殊的化學(xué)、物理特性，當(dāng)今最常用的工業(yè)金屬之一，不只重量輕，質(zhì)地堅，而且具有良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性和耐核輻射性，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料。

　　鋁業(yè)密度與結(jié)構(gòu)

　　鋁的密度是2.7約為一般金屬的1/3而常用鋁導(dǎo)線的導(dǎo)電度約為銅61％，導(dǎo)熱度為銀的一半。雖然純鋁極軟且富延展性，但仍可通過冷加工及做成合金來使它硬化。鋁土礦是鋁的重要來源，制造一鎊氧化鋁約需要兩磅鋁土礦，而制造一磅金屬鋁需要兩磅氧化鋁。

　　鋁在自然界中多以氧化物、氫氧化物和含氧的鋁硅酸鹽存在極少發(fā)現(xiàn)鋁的自然金屬。目前已知的含鋁礦物有258種，其中罕見的礦物約43種。實際上，由純礦物組成的鋁礦床是沒有的一般都是共生分布，并混有雜質(zhì)。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)觀點出發(fā)，并不是所有的含鋁礦物都能成為工業(yè)原料。用于提煉金屬鋁的主要是由一水硬鋁石、一水軟鋁石或三水鋁石組成的鋁土礦。

　　一水硬鋁石又名水鋁石，結(jié)構(gòu)式和分子式分別為AlOOH和Al2O3?H2O斜方晶系，結(jié)晶完好者呈柱狀、板狀、鱗片狀、針狀、棱狀等。礦石中的水鋁石一般均含有TiO2SiO2Fe2O3Ga2O3Nb2O5Ta2O5P2O3等不同量類質(zhì)同象混入物。水鋁石溶于酸和堿，但在常溫常壓下溶解甚弱，需在高溫高壓和強(qiáng)酸或強(qiáng)堿濃度下才能完全分解。一水硬鋁石形成于酸性介質(zhì)，與一水軟鋁石、赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、綠泥石、黃鐵礦等共生。其水化可變成三水鋁石，脫水可變成α剛玉，可被高嶺石、黃鐵礦、菱鐵礦、綠泥石等交代。

　　一水軟鋁石又名勃姆石、軟水鋁石，結(jié)構(gòu)式為AlOOH分子式為Al2O3?H2O斜方晶系，結(jié)晶完好者呈菱形體、棱面狀、棱狀、針狀、纖維狀和六角板狀。礦石中的一水軟鋁石常含F(xiàn)e2O3TiO2Cr2OGa2O3等類質(zhì)同象。一水軟鋁石可溶于酸和堿。該礦物形成于酸性介質(zhì)，主要產(chǎn)在堆積鋁土礦中，其特征是與菱鐵礦共生。可被一水硬鋁石、三水鋁石、高嶺石等交代，脫水可轉(zhuǎn)變成一水硬鋁石和α剛玉，水化可變成三水鋁石。

　　三水鋁石又名水鋁氧石、氫氧鋁石，結(jié)構(gòu)式AlOH分子式為Al2O3?3H2O單斜晶系，結(jié)晶完好者呈六角板狀、棱鏡狀，常有呈細(xì)晶狀集合體或雙晶，礦石中三水鋁石多呈不規(guī)則狀集合體，均含有不同量的TiO2SiO2Fe2O3Nb2O5Ta2O5Ga2O3等類質(zhì)同象或機(jī)械混入物。三水鋁石溶于酸和堿，其粉末加熱到100℃經(jīng)2h即可完全溶解。三水鋁石形成于酸性介質(zhì)，風(fēng)化殼礦床中是原生礦物，與高嶺石、針鐵礦、赤鐵礦、伊利石等共生。三水鋁石脫水可變成一水軟鋁石、一水硬鋁石和α剛玉，可被高嶺石、多水高嶺石等交代。

　　鋁的化學(xué)成分

　　鋁土礦的化學(xué)成分主要為Al2O3SiO2Fe2O3TiO2H2O+五者總量占成分的95%以上，一般＞98%主要成分有SCaOMgOK2ONa2OCO2MnO2有機(jī)質(zhì)、碳質(zhì)等，微量成分有GaGeNbTaPCoZrVPCrNi等。Al2O3主要賦存于鋁礦物—水鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石中，其次賦存于硅礦物中(主要是高嶺石類礦物)。

　　內(nèi)生條件下，由于有二氧化硅的廣泛存在Al2O3與SiO2常緊密結(jié)合成各類鋁硅酸礦物，這些礦物一般鋁硅比小于1而工業(yè)上對鋁礦石一般要求Al2O3≥40%Al/Si＞1.82.6因此內(nèi)生條件下很少形成工業(yè)鋁礦床。

　　目前，已知的國內(nèi)外工業(yè)鋁土礦多是表生條件下形成的表生條件下鋁土礦的生成主要有兩種形式：即風(fēng)化-殘積(余)成礦(紅土成礦)和風(fēng)化-搬運-堆積成礦或風(fēng)化-改造-再沉積成礦(堆積成礦)風(fēng)化-殘積(余)成礦是含鋁母巖在濕熱氣候條件下，具排泄良好的有利地形(如殘丘、低山和臺地)由于水、CO2和生物等的風(fēng)化分解作用，母巖中易溶物質(zhì)KNaCaMg和SiO2被淋失排出，活動性小的物質(zhì)AlFeTi殘留原地形成紅土型鋁土礦。風(fēng)化-搬運-堆積成礦是含鋁巖石、紅土風(fēng)化殼或已形成的紅土礦床，重力、水和自然酸(硫酸、碳酸、有機(jī)酸)等作用下，經(jīng)機(jī)械的或化學(xué)的風(fēng)化、剝蝕、搬運等物理、化學(xué)改造作用，于山坡凹地、谷地、近海湖盆地或濱海湖、局限海盆內(nèi)形成鋁土礦，水介質(zhì)環(huán)境中形成沉積鋁土礦。

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　　鋁土礦礦石含有鎵、釩、鈮、鉭、鈦、鈰及放射性元素等有用組分，這些有價值的伴生組分可綜合回收。而礦石中的硫、CO2MgOP2O5則是有害組分，有利于鋁的冶煉回收。

　　鋁土礦礦石根據(jù)其所含的主要含鋁礦物分為：三水鋁石型、一水軟鋁石型和一水硬鋁石型。國外鋁土礦礦石主要是三水鋁石型，次為一水軟鋁石型，而一水硬鋁石型鋁土礦極少。但我國則主要是一水硬鋁石型鋁土礦，三水鋁石型鋁土礦極少。

　　國外的三水鋁石型鋁土礦具高鋁、低硅、高鐵的特點，礦石質(zhì)量好，適合耗能低的拜耳法處理。國的一水硬鋁石型鋁土礦，總體特征是高鋁、高硅、低硫低鐵、中低鋁硅比，礦石質(zhì)量差，加工難度大，氧化鋁生產(chǎn)多用耗能高的聯(lián)合法。

　　鋁的制取包括由礦石生產(chǎn)氧化鋁，再由氧化鋁生產(chǎn)金屬鋁兩大部分。氧化鋁生產(chǎn)方法主要有拜耳法、堿石灰燒結(jié)法、拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法等。金屬鋁的生產(chǎn)方法主要是冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。

　　鋁的應(yīng)用

　　鋁的主要應(yīng)用形態(tài)是鋁合金而不是純鋁金屬。這是因為將鋁配制成鋁合金后，可以明顯改善其性能，如提高強(qiáng)度和耐腐蝕性等。根據(jù)成形方法的不同，可將鋁合金分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。鑄造鋁合金是用鑄造的方法生產(chǎn)的鑄件，變形鋁合金是用壓力加工方法生產(chǎn)的板、帶、箔材和管、棒、型、線材等。

　　由于鋁具有優(yōu)良的性能，鋁在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)和國防工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。鋁作為輕型結(jié)構(gòu)材料，重量輕、強(qiáng)度大，海、陸、空各種運載工具，特別是飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造地球衛(wèi)星等，均使用大量的鋁，一架超音速飛機(jī)的用鋁量占其自身重量的70%一枚導(dǎo)彈用鋁量占其總重量的10%以上；用鋁和鋁合金制造的各種車輛，可以減少能耗，其所節(jié)省的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)逾越煉鋁時所消耗的能量；建筑工業(yè)中用鋁合金做房屋的門窗及結(jié)構(gòu)材料；電力輸送方面，鋁的用量居首位，90%高壓電導(dǎo)線是用鋁制作的食品工業(yè)，從儲槽到罐頭盒，以至飲料容器大多用鋁制成；鋁粉可做難熔金屬（如鉬等）還原劑和做煉鋼中的脫氧劑，日常生活中所用的鍋、盆等大多由鋁制成。

　　鋁的化合物如氫氧化鋁可用來制備鋁鹽、吸附劑、媒染劑和離子交換劑，也可作為瓷釉、耐火資料等的原料，醫(yī)藥上有中和胃酸和治療潰瘍的作用；無水氯化鋁是石油工業(yè)和有機(jī)合成中常用的催化劑；六水合氯化鋁可用于制備除臭劑、平安消毒劑；六氟合鋁酸鈉(即冰晶石)農(nóng)業(yè)上常用作殺蟲劑；磷化鋁遇潮濕或酸放出劇毒的磷化氫氣體，可毒死害蟲，農(nóng)業(yè)上用作谷倉殺蟲的熏蒸劑；硅酸鋁常用于制造玻璃、陶瓷、油漆的顏料以及油漆、橡膠和塑料的填料。近些年來，人們又開發(fā)了一些新的含鋁化合物，如用作復(fù)合木地板耐磨層的三氧化二鋁，還有烷基鋁、納米氧化鋁等。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們將會更多更好地利用鋁及化合物造福人類。

　　由于鋁具有優(yōu)良的性能，鋁在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)和國防工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。鋁作為輕型結(jié)構(gòu)材料，重量輕、強(qiáng)度大，海、陸、空各種運載工具，特別是飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、人造地球衛(wèi)星等，均使用大量的鋁，一架超音速飛機(jī)的用鋁量占其自身重量的70%一枚導(dǎo)彈用鋁量占其總重量的10%以上；用鋁和鋁合金制造的各種車輛，可以減少能耗，其所節(jié)省的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)逾越煉鋁時所消耗的能量；建筑工業(yè)中用鋁合金做房屋的門窗及結(jié)構(gòu)材料；電力輸送方面，鋁的用量居首位，90%高壓電導(dǎo)線是用鋁制作的食品工業(yè)，從儲槽到罐頭盒，以至飲料容器大多用鋁制成；鋁粉可做難熔金屬（如鉬等）還原劑和做煉鋼中的脫氧劑，日常生活中所用的鍋、盆等大多由鋁制成。

　　鋁的化合物如氫氧化鋁可用來制備鋁鹽、吸附劑、媒染劑和離子交換劑，也可作為瓷釉、耐火資料等的原料，醫(yī)藥上有中和胃酸和治療潰瘍的作用；無水氯化鋁是石油工業(yè)和有機(jī)合成中常用的催化劑；六水合氯化鋁可用于制備除臭劑、平安消毒劑；六氟合鋁酸鈉(即冰晶石)農(nóng)業(yè)上常用作殺蟲劑；磷化鋁遇潮濕或酸放出劇毒的磷化氫氣體，可毒死害蟲，農(nóng)業(yè)上用作谷倉殺蟲的熏蒸劑；硅酸鋁常用于制造玻璃、陶瓷、油漆的顏料以及油漆、橡膠和塑料的填料。近些年來，人們又開發(fā)了一些新的含鋁化合物，如用作復(fù)合木地板耐磨層的三氧化二鋁，還有烷基鋁、納米氧化鋁等。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們將會更多更好地利用鋁及化合物造福人類。