材料科学的那些事儿(二)——来自粘土的白银

二、来自粘土的白银

 

    让我们首先把目光拉到古罗马。

 

    某天,有个陌生人去拜见罗马皇帝泰比里厄斯,他向这位尊贵的王献上一只杯子。王初见这杯子闪闪发光,但一提却发现分量极轻。他又羡又怕,羡的是这种杯子见所未见,怕的是这种光彩夺目的新金属会使他的金银财宝贬值。最终喜爱没能战胜恐惧,他下令将这位进献者斩首,以掩盖他内心的懦弱。从此,再也没有人动过提炼这种“危险金属”的念头,这种新金属就是现在大家非常熟悉的铝。不必留恋,哥只是个传说。

 

    人类进入19世纪以后,西方科学家们对于世界的探索从未停止。尽管结果是喜人的,但过程却是蜿蜒曲折。但铝的发现和大量生产正好为人类科学探索的精神作了{zh0}的明证。

 

    其实早在十八世纪初,燃素说的提出者施塔尔发现明矾里含有一种与普通金属不同的物质,这里的普通金属当然指得就是金银铜铁了。但是他却无能为力,这也是没办法的事,铝这种元素极为活泼,他就不出来,你就只能望洋兴叹了。之后的许多科学家前赴后继地投身到提炼铝的事业中去,其中就有英国化学家戴维(这个人了不得,笑气、钾钠钙镁钡锶碘的问世都是他的功劳。他的身影同时还出现在电化学、酸学说、矿用安全灯发明以及电弧灯等领域。作为一个化学家,他几乎以一人之力提取了最为活泼的多种元素。至于他后来栽培法拉第,更是为现代文明带来了电的花火)。他首先使用了电解法去提炼铝,但却未能成功。可是前人的经验积累不论是成功的还是失败的都是有借鉴意义的,后来科学家们正是沿着这条路开创了如今发达的铝工业。

 

    1824年丹麦科学家厄斯泰德将氧化铝与木炭的混合物加强热至白炽状态(什么是白炽状态呢?物体温度达到某个温度以上就发白光,所以这种状态又叫白炽状态。通常钨灯丝的白炽状态在2000℃以上。),然后通入氯气得到液态的氯化铝,之后将之与钾汞齐作用制成铝汞齐,{zh1}隔绝空气蒸馏除去汞,得到一些灰色金属粉末(那什么又是铝汞齐呢?其实就是铝溶解在汞中形成的一种溶液,那么钾汞齐就是钾溶解在汞中的溶液,真聪明,赏你个小红花。这样就好理解了,就像盐溶解在水中一样,将水蒸发了,盐自然就剩下了。通过铝汞齐制铝的道理也是一样的)。这种金属粉末的颜色和光泽看起来像锡(就是说有些灰暗),后来证明他得到的是一些不纯净的铝。由于他的实验结果发表在丹麦一个不xx的刊物上,没有引起科学界的重视。(怎么证明的它是不纯净的铝的呢?请通过数据库检索他的原始文献,谢谢!额。。。你这不是玩我吗?是的,玩你没商量。)

 

    他的朋友德国化学家维勒在1827年到丹麦首都拜访他时,厄斯泰德把制备金属铝的实验过程和结果告诉了维勒(看,那个时候就存在国际学术交流了,内牛满面啊!)。维勒回国后,本着你行我也行的原则,立即重复了厄斯泰德的实验。他发现钾汞齐与氯化铝反应生成灰色的熔渣,除去汞后得到的金属加热时还能产生钾燃烧时的现象(啥现象?淡淡的紫色),这时他已经意识到这并不是制备金属铝的好办法。必须承认,维勒是个不达目的誓不罢休的人,实验的失败激起了他的好胜心理。他重新设计方案,从头做起。他用热的碳酸钾溶液与沸腾的明矾溶液作用,得到了氢氧化铝,经过洗涤和干燥以后又与木炭、糖、油(用这两个干嘛?我想可能是用来保护生成的氧化铝不被水解吧!)等混合,调成糊状,然后放在密闭的坩埚中加热,得到了氧化铝和木炭的烧结物。然后,他又将这些烧结物加热到红热的程度,通入干燥的氯气,就得到了无水氯化铝(这次的氯化铝可比上次干净多了)。维勒将少量金属钾放在铂坩埚中,然后在它的上面覆盖一层过量的无水氯化铝,并用坩埚盖将反应物盖住(哼!你不是还原性强吗?我比你更强,看你还敢不出来)。当认为反应已经完成时停止了加热,待坩埚冷却后将埚中之物投进水中,发现这些混合物并不与水发生反应,水溶液也不显碱性。说明金属钾已反应xx,此时维勒xx可以断定剩余的银灰色粉末就是金属铝了。是不是看晕了?别急,人家维勒费了老半天劲,才制出了这么点铝粉,那是相当地不满意。通过不断改进制取方法,维勒终于于1836年分离出了小粒状的铝。1849年他又制得了黄豆大的致密的铝,前后共经历了18个年头。然而,如果从厄斯泰德的实验算起,却是整整25年。今天,当你打开易拉罐的一瞬间,是否也想起了百年多前的那些孜孜以求的前人了呢?肯定没有,因为老子太渴了,逝者已矣,老兄你想这么多干嘛!

 

    1854年,法国化学家德维尔改进了维勒的方法,用钠做还原剂(换汤不换药),成功地制得成铸块的金属铝(没啥创新,但意义不小)。但由于钠价格非常昂贵,用钠做还原剂生产的铝成本比黄金还贵得多。拿破仑三世为显示自己的富有和尊贵,甚至还曾经订做了一个铝xx呢!由此,足见当时铝的尊贵地位。大家看到了吧,如今这些普通地再普通的东西,曾经也有过贵族的历史,比如几千年前的铁,比如一百多年前的铝。但随着科技的发展,平民们也能得以用上曾经只能是贵族甚至是皇帝才能用的东西。如今的空间站,除了宇航员以外只能若干数得上的富豪有机会一览宇宙外景,但你看过了铁铝的历史后,想必又多了一些美好的憧憬了吧。尽管制取如此昂贵,德维尔还是铸造了一枚铝质纪念勋章,上面铸上维勒的名字、头像和“1827” 的字样,以纪念维勒对铝的制备的历史功绩。他将这枚勋章送给了维勒,以表敬意。从此,两人成为了亲密朋友。如果你送我一堆黄金,拿我也和你做兄弟。但其实不是这样的,他俩必定是惺惺相惜情不自禁,便如高山流水的俞伯牙和钟子期,世间知音,惟有你我。

 

    俄罗斯作家车尔尼雪夫斯基曾在他的小说《怎么办》中写到:终有{yt},铝将代替木材,甚至可能代替石头。看,这一切是多么xx,到处都是铝。浪漫的文学家的美好幻想却终于成为现实,然而这一切的功劳除了厄斯泰德、维勒和德维尔以外,还有另外两位科学家的份,他们是美国的豪尔和法国的海朗特。这次他们并非国际合作,而是独立完成。那个时候,电话刚刚发明,尚未普及,网络更是无从谈起,可以排除两人中任何一人学术作假的嫌疑。他们分别电解(想起戴维了吗?)熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝,奠定了今天大规模生产铝的基础。为什么会有这么巧合的事呢?因为当科学发展到一定阶段,技术的实现只是个时间问题。以至于后来德国冶金学家维尔姆在铝中加入少量镁、铜,制得了坚韧的铝合金,从而为制造业添砖加瓦,这都是在前人铺好的道路上继续修路的结果。但无疑地是,铝合金的出现又是铝工业上一个大的发展,就像烤熟的东西上再撒些盐和味精,怕是更有味道吧。

 

    回首1855年的巴黎国际博览会,我们发现有一样标着“来自粘土的白银”的展品,与当时最珍贵的珠宝并排而列。若是现代人有机会去观光的话,怕是会惊讶地尖叫:竟然是铝!是的,他的学名叫铝。

 

小贴士:

 

铝在地壳中元素含量排行第三,仅次于氧和硅。它是地壳中含量{zg}的金属元素。

 

氢氧化铝:忘了“胃舒平”了吗?它有中和胃酸和xx溃疡的作用哦。

 

明矾:一种重要的净水剂、染媒剂,医药上还用作收敛剂。

 

硫糖铝:胃溃宁。它能和胃蛋白酶络合,直接抑制蛋白分解活性,形成一种保护膜,故而对胃粘膜有较强的保护作用和制酸作用。他又能帮助粘膜再生,促进溃疡愈合,毒性低,是一种良好的胃肠道溃疡xx剂。

 

刚玉:学名是α氧化铝,硬度仅次于金刚石。若是含有不同的杂质则呈现不同的颜色,如含微量三价铬则呈红色,称为红宝石;含有微量的二价铁或四价钛则称为蓝宝石。

 

铝对人体的危害:经研究,摄入过量的铝会引发老年痴呆症。同时还发现,铝对人体的脑、心、肝、肾的功能和免疫功能都有损害。因此,世界卫生组织于1989年正式将铝确定为食品污染物而加以控制,并建议成年人每天允许铝摄入量为60 mg。

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