史前時代,人類已經會使用含鋁化合物的黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O)製作陶器。鋁在地殼中的分佈量在所有化學元素中僅次於氧和矽,佔第3位,在全部金屬元素中佔第1位。但是由於鋁化合物的氧化性弱,鋁不易從其他化合物中被還原出來,因而遲遲不能分離出金屬鋁。
最早認識鋁從17世紀開始,德國化學家施塔爾首先察覺到明礬[K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O]裡含有一種與普通金屬迥然不同的物質。他的學生馬格拉夫(A.S.Marggraf,1709~1782)在1754年從明礬中分離出礬土,即氧化鋁,確定它和氧化鈣不同。
義大利物理學家伏打創造電池後,1808~1810年間英國化學家戴維和瑞典化學家貝齊裡烏斯都曾試圖利用電流從礬土中分離出金屬鋁,但沒有成功。貝齊裡烏斯卻給這個未能取得的金屬先起了一個名字叫alumien。這是從拉丁文alumen而來的。在中世紀的歐洲,這個詞是對具有收斂性的礬的總稱。鋁今天的拉丁名稱aluminium正是從貝齊裡烏斯的命名轉變而來的。我們從它的第二音節音譯為鋁。
到1825年,丹麥化學家厄斯泰茲(H.C.Oersted,1777~1851)利用鉀的化學活動性比鋁強,試圖將鋁從它的氯化物中置換出來。他將氯氣透過燒紅的木炭和氧化鋁的混合物,獲得無水氯化鋁(AlCl3),然後將氯化鋁與鉀汞齊(合金)混合加熱,得到氯化鉀(KCl)和鋁汞齊。再將鋁汞齊在隔絕空氣的情況下蒸餾,除去汞,得到具有金屬光澤的、與錫相似的金屬。儘管產物中含有雜質,但是金屬鋁畢竟誕生了。
1827年,德國化學家韋勒(F.W?hler,1800~1882)重複了厄斯泰茲的實驗,製得無水氯化鋁後將氯化鋁和金屬鉀混合放在鉑制的坩堝中,嚴密封蓋後加熱,發生激烈反應,獲得灰色粉末狀的鋁。
1854年,法國化學家德維爾(H.S.C.Deville,1818~1881)利用鈉代替鉀還原氯化鋁,製得金屬鋁並鑄成鋁錠。
在這以後的一段時期裡,鋁是珠寶店裡的名貴商品,是帝王貴族們享用的珍寶。法國皇帝拿破崙三世在宴會上用過鋁製的叉子;泰國國王用過鋁製的錶鏈。1855年在巴黎舉行的世界商品展覽會上,有一小塊鋁放在最珍貴的珠寶旁邊,它的標籤上註明:來自黏土的白銀。直到1884年,美國第一任總統華盛頓(G.Washington,1732~1799)的紀念碑建立完成,碑的頂端豎立一個6磅重的裝飾用的角錐體,就是用鋁製成的。1889年,俄羅斯化學家門捷列夫還曾得到倫敦化學會贈送的鋁和金製成的花瓶和杯子。
1886年,兩位青年化學家,美國的霍爾(C.M.Hall,1863~1914)和法國的埃魯(P.L.T.Héroult,1863~1914)分別獨立發明電解熔融的冰晶石(Na3AlF6)和鋁礬土(Al2O3)的混合物而製得鋁,使鋁得以大規模生產,奠定了今天世界各國電解鋁的工業方法。
冰晶石學名氟鋁酸鈉,存在自然界中,但通常用氫氧化鋁[Al(OH)3]、碳酸鈉(Na2CO3)和氫氟酸(HF)製取。它在電解氧化鋁中起、作用。由於氧化鋁很穩定,直接熔融電解需要2050℃以上的高溫,但在氧化鋁中加入冰晶石後,只要在950℃左右就能熔化電解。
霍爾進行的實驗是在1884~1886年間。當時他是美國俄亥俄(Ohio)州奧柏林城(Oberlin)奧伯林學院化學系的學生。
霍爾的成功得到他的老師、化學和礦物學教授朱伊特(F.F.Jewett)和他的姐姐朱莉亞·霍爾(Julia Hall)的鼓勵和幫助。朱伊特曾赴德國跟從韋勒學習化學,韋勒在講課時提到製取鋁的試驗,鼓勵學生們尋找一種廉價的還原鋁的方法,並指導霍爾進行化學試驗。朱莉亞·霍爾先她的弟弟畢業於奧柏林學院化學系,協助霍爾在他們的家中建立起簡陋的實驗室,幫助霍爾進行化學實驗,還儲存了霍爾的實驗筆記。顯然,霍爾堅持不懈地進行試驗和不屈不撓的精神是他取得成功的關鍵。
霍爾最初也曾重複試驗了前人制取鋁的方法,失敗後才考慮到利用電使鋁從它的化合物中被還原出來。他沒有選用氧化鋁,他知道它很難熔融。
在電解實驗中,首先需要電池。19世紀80年代,在美國奧柏林這樣的小城市中也不得不自己動手組裝電池。他首先電解氟化鋁(AlF3)的水溶液,得到的是氫氣和氫氧化鋁,沒有任何鋁的蹤跡。他選擇氟化鋁,不用前人所用的氯化鋁,是一種創新。製取氟化鋁要比製取氯化鋁困難,要用氫氟酸,這是一種劇毒並具有強烈腐蝕性的酸,能腐蝕玻璃,不能像鹽酸、硫酸那樣盛在玻璃瓶裡,而要盛在用鉛製成的容器裡。他製取氟化鋁獲得成功,闖過了實驗中的一道難關,也給了他繼續進行實驗的勇氣。
霍爾在電解氟化鋁的水溶液失敗後,遂考慮電解熔融的氟化鋁。他考慮到這樣必須具備高溫,普通的煤炭爐不能滿足這種要求,於是不得不組裝一個燃燒汽油的爐子。但是即使如此,他也未能維持氟化鋁在熔融狀態,原來氟化鋁的凝固點在1 291℃。
要解決維持電解物質熔融狀態的難題,這就迫使他找到冰晶石助熔,於是又動手製取它。1886年2月9日,他進行了電解氧化鋁和冰晶石的混合熔融體的第一次實驗,第二天又進行了一次實驗,沒有見到效果。6天后,2月16日他再次實驗,他的姐姐也在場。他用石墨棒作為電極,浸入盛有熔融氧化鋁和冰晶石混合物的黏土坩堝中,接通電流後,在陰極出現灰色的沉積物,而不是閃光的金屬鋁。霍爾認為這種灰色沉積物是來自黏土矽酸鹽中的矽。於是霍爾改用了石墨坩堝,在1886年2月23日再次實驗。當電流接通數小時後,在陰極出現銀色的小珠球,用鹽酸檢驗後確認是鋁。他立即將產品送給他的老師朱伊特,證實是鋁,霍爾獲得了成功。
霍爾在取得成功後立即給他的哥哥、一位官員喬治·霍爾(George Hall)寄去一封信,報告他的發現。2月24日又寄去第二封信,詳細敘述了他所發現的有關的技術資料。這些信件後來成為他優先發現電解鋁在法律上獲得承認的證明。
霍爾設法把他的發現投入工業生產中,一開始又遇到困難。直到1888年夏天,得到匹茲堡(Pittsburgh)還原公司建立人、工程師亨特(A.Hunt)的一筆資金,又得到工程師戴維斯(A.V.Davis)在生產技術上的幫助,更得到一座蒸汽機驅動的發電機,終於在1888年11月最後一個星期四開始了小規模的工業生產。1889年4月2日匹茲堡還原公司更名為美國製鋁公司。到1907年,美國製鋁公司已擁有幾座生產氧化鋁的礦場和三座鋁廠。鋁產品不斷增加,鋁的價格也隨之不斷下降。
霍爾在1885年大學畢業。1890年成為美國礦業、冶金和石油工程學會會員。1911年美國化學會和化學工程學會等團體聯合授予他獎章,表彰他在應用化學方面作出有價值的貢獻。不幸他在1914年12月27日因白血病逝世,享年51歲。他終身未結婚,留下500萬美元捐贈給他的母校奧柏林學院,用這筆捐款在校園內建立一座禮堂,紀念他的母親。現在,用鋁鑄成的年青的霍爾全身塑像仍豎立在奧柏林學院的校園內,留給後人景仰。
在霍爾獲得成功的同時,埃魯也獲得同樣的成功。當時埃魯是法國巴黎礦業學院的學生,也從事制鋁的研究,同樣得到他的老師、法國化學家勒沙特列(H.L.Le Chatelier,1850~1936)的鼓勵和指導。埃魯在1886年4月23日取得法國批准的關於制鋁的專利,於是引起霍爾與埃魯關於鋁的發明專利的衝突。美國法院在1893年判決霍爾優先,因為他是在1886年2月23日發現的,比埃魯早兩個月。埃魯旅行到美國時,適逢霍爾接受美國化學會等團體授予的獎章,應邀參加了典禮,兩人相遇,互相祝賀。這是一次很值得的祝賀,正是他們兩人,把這個來自黏土的“白銀”從帝王貴族們的手中傳到世界各地千萬人的手中。
在第一次世界大戰期間,出現鋁和銅、錳、鎂的合金,應用在各種工業生產中,到1930年,飛機制造中應用了鋁合金。至今各種鋁壺、鋁鍋等鋁製品已廣泛地進入千家萬戶。據國外的統計資料表明,1995年美華人均消費鋁達19.2千克,華人均消費1.5千克,印度人均消費0.6千克。
史前時代,人類已經會使用含鋁化合物的黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O)製作陶器。鋁在地殼中的分佈量在所有化學元素中僅次於氧和矽,佔第3位,在全部金屬元素中佔第1位。但是由於鋁化合物的氧化性弱,鋁不易從其他化合物中被還原出來,因而遲遲不能分離出金屬鋁。
最早認識鋁從17世紀開始,德國化學家施塔爾首先察覺到明礬[K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O]裡含有一種與普通金屬迥然不同的物質。他的學生馬格拉夫(A.S.Marggraf,1709~1782)在1754年從明礬中分離出礬土,即氧化鋁,確定它和氧化鈣不同。
義大利物理學家伏打創造電池後,1808~1810年間英國化學家戴維和瑞典化學家貝齊裡烏斯都曾試圖利用電流從礬土中分離出金屬鋁,但沒有成功。貝齊裡烏斯卻給這個未能取得的金屬先起了一個名字叫alumien。這是從拉丁文alumen而來的。在中世紀的歐洲,這個詞是對具有收斂性的礬的總稱。鋁今天的拉丁名稱aluminium正是從貝齊裡烏斯的命名轉變而來的。我們從它的第二音節音譯為鋁。
到1825年,丹麥化學家厄斯泰茲(H.C.Oersted,1777~1851)利用鉀的化學活動性比鋁強,試圖將鋁從它的氯化物中置換出來。他將氯氣透過燒紅的木炭和氧化鋁的混合物,獲得無水氯化鋁(AlCl3),然後將氯化鋁與鉀汞齊(合金)混合加熱,得到氯化鉀(KCl)和鋁汞齊。再將鋁汞齊在隔絕空氣的情況下蒸餾,除去汞,得到具有金屬光澤的、與錫相似的金屬。儘管產物中含有雜質,但是金屬鋁畢竟誕生了。
1827年,德國化學家韋勒(F.W?hler,1800~1882)重複了厄斯泰茲的實驗,製得無水氯化鋁後將氯化鋁和金屬鉀混合放在鉑制的坩堝中,嚴密封蓋後加熱,發生激烈反應,獲得灰色粉末狀的鋁。
1854年,法國化學家德維爾(H.S.C.Deville,1818~1881)利用鈉代替鉀還原氯化鋁,製得金屬鋁並鑄成鋁錠。
在這以後的一段時期裡,鋁是珠寶店裡的名貴商品,是帝王貴族們享用的珍寶。法國皇帝拿破崙三世在宴會上用過鋁製的叉子;泰國國王用過鋁製的錶鏈。1855年在巴黎舉行的世界商品展覽會上,有一小塊鋁放在最珍貴的珠寶旁邊,它的標籤上註明:來自黏土的白銀。直到1884年,美國第一任總統華盛頓(G.Washington,1732~1799)的紀念碑建立完成,碑的頂端豎立一個6磅重的裝飾用的角錐體,就是用鋁製成的。1889年,俄羅斯化學家門捷列夫還曾得到倫敦化學會贈送的鋁和金製成的花瓶和杯子。
1886年,兩位青年化學家,美國的霍爾(C.M.Hall,1863~1914)和法國的埃魯(P.L.T.Héroult,1863~1914)分別獨立發明電解熔融的冰晶石(Na3AlF6)和鋁礬土(Al2O3)的混合物而製得鋁,使鋁得以大規模生產,奠定了今天世界各國電解鋁的工業方法。
冰晶石學名氟鋁酸鈉,存在自然界中,但通常用氫氧化鋁[Al(OH)3]、碳酸鈉(Na2CO3)和氫氟酸(HF)製取。它在電解氧化鋁中起、作用。由於氧化鋁很穩定,直接熔融電解需要2050℃以上的高溫,但在氧化鋁中加入冰晶石後,只要在950℃左右就能熔化電解。
霍爾進行的實驗是在1884~1886年間。當時他是美國俄亥俄(Ohio)州奧柏林城(Oberlin)奧伯林學院化學系的學生。
霍爾的成功得到他的老師、化學和礦物學教授朱伊特(F.F.Jewett)和他的姐姐朱莉亞·霍爾(Julia Hall)的鼓勵和幫助。朱伊特曾赴德國跟從韋勒學習化學,韋勒在講課時提到製取鋁的試驗,鼓勵學生們尋找一種廉價的還原鋁的方法,並指導霍爾進行化學試驗。朱莉亞·霍爾先她的弟弟畢業於奧柏林學院化學系,協助霍爾在他們的家中建立起簡陋的實驗室,幫助霍爾進行化學實驗,還儲存了霍爾的實驗筆記。顯然,霍爾堅持不懈地進行試驗和不屈不撓的精神是他取得成功的關鍵。
霍爾最初也曾重複試驗了前人制取鋁的方法,失敗後才考慮到利用電使鋁從它的化合物中被還原出來。他沒有選用氧化鋁,他知道它很難熔融。
在電解實驗中,首先需要電池。19世紀80年代,在美國奧柏林這樣的小城市中也不得不自己動手組裝電池。他首先電解氟化鋁(AlF3)的水溶液,得到的是氫氣和氫氧化鋁,沒有任何鋁的蹤跡。他選擇氟化鋁,不用前人所用的氯化鋁,是一種創新。製取氟化鋁要比製取氯化鋁困難,要用氫氟酸,這是一種劇毒並具有強烈腐蝕性的酸,能腐蝕玻璃,不能像鹽酸、硫酸那樣盛在玻璃瓶裡,而要盛在用鉛製成的容器裡。他製取氟化鋁獲得成功,闖過了實驗中的一道難關,也給了他繼續進行實驗的勇氣。
霍爾在電解氟化鋁的水溶液失敗後,遂考慮電解熔融的氟化鋁。他考慮到這樣必須具備高溫,普通的煤炭爐不能滿足這種要求,於是不得不組裝一個燃燒汽油的爐子。但是即使如此,他也未能維持氟化鋁在熔融狀態,原來氟化鋁的凝固點在1 291℃。
要解決維持電解物質熔融狀態的難題,這就迫使他找到冰晶石助熔,於是又動手製取它。1886年2月9日,他進行了電解氧化鋁和冰晶石的混合熔融體的第一次實驗,第二天又進行了一次實驗,沒有見到效果。6天后,2月16日他再次實驗,他的姐姐也在場。他用石墨棒作為電極,浸入盛有熔融氧化鋁和冰晶石混合物的黏土坩堝中,接通電流後,在陰極出現灰色的沉積物,而不是閃光的金屬鋁。霍爾認為這種灰色沉積物是來自黏土矽酸鹽中的矽。於是霍爾改用了石墨坩堝,在1886年2月23日再次實驗。當電流接通數小時後,在陰極出現銀色的小珠球,用鹽酸檢驗後確認是鋁。他立即將產品送給他的老師朱伊特,證實是鋁,霍爾獲得了成功。
霍爾在取得成功後立即給他的哥哥、一位官員喬治·霍爾(George Hall)寄去一封信,報告他的發現。2月24日又寄去第二封信,詳細敘述了他所發現的有關的技術資料。這些信件後來成為他優先發現電解鋁在法律上獲得承認的證明。
霍爾設法把他的發現投入工業生產中,一開始又遇到困難。直到1888年夏天,得到匹茲堡(Pittsburgh)還原公司建立人、工程師亨特(A.Hunt)的一筆資金,又得到工程師戴維斯(A.V.Davis)在生產技術上的幫助,更得到一座蒸汽機驅動的發電機,終於在1888年11月最後一個星期四開始了小規模的工業生產。1889年4月2日匹茲堡還原公司更名為美國製鋁公司。到1907年,美國製鋁公司已擁有幾座生產氧化鋁的礦場和三座鋁廠。鋁產品不斷增加,鋁的價格也隨之不斷下降。
霍爾在1885年大學畢業。1890年成為美國礦業、冶金和石油工程學會會員。1911年美國化學會和化學工程學會等團體聯合授予他獎章,表彰他在應用化學方面作出有價值的貢獻。不幸他在1914年12月27日因白血病逝世,享年51歲。他終身未結婚,留下500萬美元捐贈給他的母校奧柏林學院,用這筆捐款在校園內建立一座禮堂,紀念他的母親。現在,用鋁鑄成的年青的霍爾全身塑像仍豎立在奧柏林學院的校園內,留給後人景仰。
在霍爾獲得成功的同時,埃魯也獲得同樣的成功。當時埃魯是法國巴黎礦業學院的學生,也從事制鋁的研究,同樣得到他的老師、法國化學家勒沙特列(H.L.Le Chatelier,1850~1936)的鼓勵和指導。埃魯在1886年4月23日取得法國批准的關於制鋁的專利,於是引起霍爾與埃魯關於鋁的發明專利的衝突。美國法院在1893年判決霍爾優先,因為他是在1886年2月23日發現的,比埃魯早兩個月。埃魯旅行到美國時,適逢霍爾接受美國化學會等團體授予的獎章,應邀參加了典禮,兩人相遇,互相祝賀。這是一次很值得的祝賀,正是他們兩人,把這個來自黏土的“白銀”從帝王貴族們的手中傳到世界各地千萬人的手中。
在第一次世界大戰期間,出現鋁和銅、錳、鎂的合金,應用在各種工業生產中,到1930年,飛機制造中應用了鋁合金。至今各種鋁壺、鋁鍋等鋁製品已廣泛地進入千家萬戶。據國外的統計資料表明,1995年美華人均消費鋁達19.2千克,華人均消費1.5千克,印度人均消費0.6千克。