鋁的自述

 
2018/06/07 蘇明德 | 嘉義大學應用化學系     1,621
我「鋁」是一種很重要的商用金屬元素,其應用小到鋁製的易開罐或鋁箔包,大到飛機的機翼上,都可看到我「鋁」的存在。我「鋁」在地殼中的含量排在第三位,僅次於氧和矽,也可說是地殼中含量最高的金屬元素。今天,在這世界上,除了鐵以外,我「鋁」是最廣泛使用的金屬,主要的理由是因為我「鋁」可以熔化和再利用或回收。

 

現今全世界有三大金屬(銅、鐵、鋁),其中產量最大的鋼鐵已有五千多年的歷史,資格最老的銅以現在的資源來說,其開採期限不長了,不少國家不得不開始利用含銅1%以下的貧礦以取得銅。只有我「鋁」是地球上儲存最多的金屬之一,占地殼重量的7.65%,占全部金屬的三分之一,比鐵還要多一倍,也比其他金屬的總和還多,地球上我「鋁」礦的儲存量按目前開採量估計至少還可用15萬年。

現在我「鋁」是司空見慣的東西,可是在兩百年前,當人類第一次看到我「鋁」時,把我「鋁」當做稀有的寶貝來看。在1825年時,德國化學家維勒(Friedrich Wöhler, 1800-1882)和丹麥化學家奧斯特(Hans Christian Ørsted, 1777-1851)雖然把我從鋁礦中用還原的方法提煉出來,但這仍沒有改變我「鋁」物以稀為貴的情況。因此,那時的我「鋁」還被列入稀貴材料和藝術珍品的行列。

 

在18世紀時,我「鋁」甚至比黃金還珍貴。當時我「鋁」的售價是多少呢?根據1845年巴黎有關部門的一項記載,每公斤我「鋁」的售價是6千法郎,這在當時比黃金還貴的多。因此當時人們稱我「鋁」為「銀色的金子」,或叫「輕銀」。

 

法國的皇帝拿破侖三世(Charles Louis Napoléon Bonaparte, 1808-1873)是一位負盛名的鋁品收藏家,他甚至衣著上的鈕釦和懷錶殼都要用我來製造,藉以顯示他的尊貴和闊綽。他還把將軍旗上的銀鷹換成鋁鷹,每逢盛大國宴,只有他和王室成員才能榮幸享用我「鋁」製的餐具,而且只有在招待最尊貴的客人時才肯使用,一般客人只能使用普通的金製、銀製器具。

 

無獨有偶,當90年前我「鋁」初次傳入中國時,有許多人不識我「鋁」為何物,誤以為我「鋁」是從鋼中精煉出來的,因此又叫我「鋁」為「鋼精」。

 

純態的我「鋁」較軟,成銀白色、無磁性。前面說過,儘管我「鋁」是地殼中含量第三多的元素,但我「鋁」在自然界通常以氧化物的形式存在。我「鋁」與氧的結合十分牢固,難以用普通冶煉的方式分離,只能採用昂貴的金屬鈉來替換,用這種方法製得的我「鋁」當然不會便宜。這種狀況一直持續到19世紀後期有了生產我「鋁」的電解法後才得以改變。

美國的霍爾(Charles Martin Hall, 1863-1914)和法國的海羅爾特(Paul L. T. Heroult, 1863-1914)於1886年各自獨立地用電解的方法,從熔融的鋁礬土中提煉出我「鋁」。目前,世界上幾乎所有的我「鋁」都是由這種方法生產的。我「鋁」的產量因而猛增,但也正因如此,我「鋁」價一落千丈,在此之前一件價值500美元的鋁製餐匙,瞬間跌到只值幾美分而已。但也因為要用電解法才能大量得到我「鋁」,因而像在美國,如今生產我「鋁」所耗的電能占其國內總耗電量的5%。

我「鋁」的主要來源是鋁土礦(bauxite  ore),它是依據法國地名「里斯保克斯」(Les Baux)命名的,因為1821年在這地方發現鋁土礦。這種礦物中含有水合氧化鋁,即氧化鋁分子還結合水分子。氧化鋁的商品名稱叫鋁礬土(alumina),我「鋁」的英文名字據說就是由它衍生而來的。

 

純氧化鋁呈白色,異常堅硬,它的結晶體稱為剛玉,是最堅硬的材料之一。剛玉常做為耐磨劑,用於砂紙及一系列研磨工具,也常用來製成耐火磚鋪在高溫壁上,以及做為絕緣材料像是摩托車火星塞。除上述用途外,剛玉還用做晶體管的表面保護層,在化妝品工業中用來製作乳脂和洗劑。剛玉晶體通常含有雜質,而呈現出多種色彩,可加工成寶石提高其價值。例如含鉻的剛玉是紅寶石,含鐵和鈦的剛玉是綠寶石。

 

我「鋁」具有不易生鏽的特性(因為我「鋁」易和氧結合生成薄膜,反而可保護我「鋁」本身)。雖然我純「鋁」質地比較軟,但是只要與其他金屬混合,就能提高硬度,因而我「鋁」以合金的型態廣被運用。

 

20世紀初,德國冶金學家維爾姆(Alfred  Wilm, 1869-1937)把銅、鎂、錳等加入到我「鋁」中,得到了強度比我「鋁」本身高得多的合金,簡稱鋁合金,並獲得了專利。後來,德國一家公司買下了這項專利,並於1911年生產出第一批新型的鋁合金。為了紀念最早工業生產鋁合金的地方─杜拉市(Düren),便把這種鋁合金稱為「杜拉鋁」,後來又稱為「硬鋁」。從此,我「鋁」有了硬度上的保證。於是,我「鋁」重量輕的優點便開始在航空工業中顯示威力。

 

鋁合金的基本特點是比重小(2.7克∕(公分)3)和比強度(抗拉強度與比重的比)高,其強度甚至已經超過了普通的鋼,因此用鋁合金代替鋼可以大大減輕重量,增加結構鋼硬度,這是我「鋁」和鋁合金得以迅速發展的根本原因。我「鋁」和鋁合金的開發從一開始就和航空工業發展緊密相連,這是我「鋁」在應用上的一個顯著特點。比如說,一架現代飛機的鋁合金用量占其全部金屬的30~70%。光是鋁鉚釘,一架飛機就有幾十萬個。

 

1903年,美國的萊特兄弟(Wilbur Wright,  1867-1912;Orville Wright, 1871-1948)發明了世界上第一架飛機(發動機是12馬力)。緊接著,一些國家迅速發展了一批軍用飛機。但是,當時由於強度高、重量輕的我「鋁」材尚未問世,那時候的飛機主要採用木材和帆布結構。飛機的問世也促進了鋁合金的誕生。

 

我「鋁」除了用於製造日用品外,主要用在交通運輸和電力電器工業上。一輛小轎車用我「鋁」30公斤,一輛大轎車用我「鋁」300公斤。一架協和式飛機這樣的大型飛機,用我「鋁」220公噸。德國人漢斯.雷斯涅耳開發了第一架單翼金屬鋁質飛機,後來在這架單翼金屬飛機的基礎上,才出現了震動世界的容克式、多涅耳式飛機,創造了每小時400公里飛行速度的世界紀錄。

 

1903~1915年,Alfred Wilm等人先後發明和研究了鋁合金的物理現象,即一種硬鋁合金經淬火後,軟而強度低,容易在這時製成各種形狀的零件,而在室溫下放置時,幾晝夜之內硬度又自動地大幅度增高。這是鋁合金發展史上重大的發現,各國在這基礎上製作了一批硬鋁合金。

 

1915年,德國首次採用這種硬鋁合金製作飛機的蒙皮和骨架,生產了全金屬飛機,使飛行速度增加十餘倍,而載重量猛增100倍,各國因而迅速發展了多種類型的飛機。硬鋁合金的使用引起了航空工業的一次飛躍。

 

最早用鋁合金製造飛行器的是德國人。1914年,第一次世界大戰正在法國北部激烈進行。一天拂曉,德國的「齊格林飛艇部隊」(Zeppelin)疾風般掠過天空,給英法聯軍帶來了極度的恐慌。聯軍司令要求高射炮部隊不惜一切代價也要把飛艇擊落,因為它的出現,向英法兩國的科學家提出了一系列問題:為什麼這種飛艇能攜帶那麼多炸彈,又能飛得那麼高、那麼遠?製造這種飛艇用的是什麼材料?

 

後來,聯軍擊落下一架飛艇。科學家對殘骸的研究獲得了寶貴的第一手資料:原來製造飛艇用的金屬材料是鋁合金。從此,我「鋁」以技壓群雄的優勢,一舉摘取了飛行材料霸主的桂冠。

 

隨著飛機工業的發展,「鋁」工業呈現空前繁榮的局面。我「鋁」的產量跳躍式增加,各種新型、價廉的我「鋁」材應運而生。目前,一架現代化超音速飛機中,鋁合金的重量占到總重量的70%左右。

 

同樣地,在航空飛行器中,鋁合金也有廣泛的應用。蘇聯第一顆人造衛星的外殼就是用鋁合金製造的;美國的阿波羅11號太空船用的金屬材料中,鋁合金占了75%。我「鋁」還可以用來製造航空裝置的零件,如支架、緊固件、框架殼體等。難怪人們把我「鋁」稱做「飛行金屬」。

 

飛彈若用鋁合金可減重約10~50%。美國的戰斧式巡航飛彈號稱輕重量的鋁飛彈,為了獲得最大的飛行速度,其主要結構幾乎鋁合金化了。

 

鋁合金沒有鋼的低溫脆性,當溫度降到攝氏零下196度時,有的鋼甚至脆如玻璃,而鋁合金的強度和韌性不僅沒有降低,還有所提高(至少韌性不降低)。因此,它是便宜而輕巧的低溫材料,可用作火箭的液氫、液氧儲箱等零件。

 

從地球上發射的人造衛星已有數萬個(包括已墜毀的七千多個),據估計,一顆人造衛星若能減輕一公斤,就可以節省發射費用幾萬元,因此人造衛星都使用了鋁合金。

 

鋁合金材料在空中飛行的同時,也在地上忙碌地飛奔著。20世紀50年代,科學家們經由我「鋁」裝甲材料與鋼裝甲防護性能的實驗得出結論:在相同重量的情況下,對榴彈破片的防護能力,鋁裝甲優於鋼裝甲。而且,鋁合金具有強、硬、韌的特點,與同等防護能力的鋼裝甲相比,重量可減少60%以上。於是世界各國紛紛在輕型坦克、步兵戰車中使用鋁裝甲,並隨之推廣到坦克的其他零件。坦克重要部位的鋁化大大減輕了重量,提高了速度並節約了能耗。

 

同樣地,在運輸領域,我「鋁」在汽車工業上的應用也席捲全世界。各國都千方百計地增加我「鋁」在汽車中的比率,以減輕重量、提高速度,並降低能耗。比如說,1975年美國平均每輛汽車用我「鋁」僅25公斤,到了1985年,則增加到了200公斤左右。世界名牌─德國的保時捷小汽車,每輛用我「鋁」可高達236公斤!

 

1983年,英國工程師諾貝爾(Richard James Anthony Noble, 1946-)設計的「雪茄型火箭賽車」裝有噴氣式發動機,創下了時速一千多公里的世界紀錄。這賽車的車輪就是鋁製的,汽車內的大部分零件也是我「鋁」製的。由這些實例,可見金屬的我「鋁」材料正在向21世紀「飛奔」!

 

發展最快、最有前途的特種鋁合金是「鋁基纖」的複合材料。它是仿照混凝土裡加鋼筋的方式,把彈性模量高十倍的難熔金屬、半金屬、非金屬及化合物的晶體或纖維加入鋁合金,使其強度比一般鋁合金提高10~100倍,其比強度、比剛度(正彈性模量與比重的比)分別是我純「鋁」的二、三倍,並有很高的耐熱性,可用於攝氏500度以上的飛機耐熱零件,且它的質量比鈦合金還輕。

 

泡沫鋁合金是仿照製作饅頭的工藝,把發泡劑(如氫化鈦、氫化鋯等)與熔融的或固態粉末狀的鋁合金混合,在一定溫度下,發泡劑分解出氣體使鋁像饅頭一樣發起來。它的比重只有0.16~0.5克∕(公分)3,比木材還輕,可以浮在水上,並有很大的剛硬性、吸音性、抗衝擊性,而有廣泛的用途。

 

常用鋁合金的可塑性有限,其延伸性只有1~20%。但含某些成分的鋁合金,例如混有一定成分的鋁─鋅、鋁─銅─鋯等合金,在晶粒很細、變形速度很低、變形溫度在材料熔點一半以上的條件下,其延伸性可高達1,000~1,500%,具備了所謂「超塑性」的性質。鋁合金因而被人們譽為「金屬軟糖」,意思是像軟糖一樣容易變形,可以用塑料零件的低動力設備和模具生產出十分複雜的零件,甚至可以吹製成型,這已應用在手機零件和電子計算機上。

 

幾十年來,全世界我「鋁」的產量平均每年以10%的速度增長。現在我「鋁」的年產量早已超過出世幾千年的銅,躍居有色金屬第一位,僅次於鋼鐵。

 

我「鋁」對熱中子吸收截面比鐵小10倍,經輻射線照射後,我「鋁」的性能不會變壞。因此我「鋁」及某些鋁合金已用於原子反應堆的包覆材料、輻射裝置材料、屏蔽和控制棒材料。

 

我純「鋁」由於質輕,且有良好的導電、導熱、抗腐蝕性和對光的反射性,因而應用愈來愈廣泛。過去由於石油危機,許多國家要求汽車、大卡車要減輕重量、提高速度、節省燃料,這是國外鋁合金擴大應用的一個重要里程碑。據統計,美國1974年每台小汽車使用36公斤鋁合金,可年節省汽油總量是70萬噸。再加上我「鋁」有價廉的優點,雖然導電性只有銅的65%,我「鋁」仍然是高壓線路的理想材料。

 

我「鋁」還是良好的抗輻射材料,在各種天線、熱反射器及太陽鏡上廣為採用。在能源短缺的今天,各國對太陽能的利用十分重視。但是太陽能利用的發展主要關鍵在於材料,包括反光材料、吸收材料、光電轉換材料等。

 

試驗證明,我「鋁」對波長0.2~12微米(0.00002 cm~0.0012 cm)的光有90%以上的反射率,因此我「鋁」是重要的反光材料。於是科學家採用真空鍍鋁法在聚酯薄膜上鍍上一層我「鋁」,成為一種用途廣泛的反光材料。在國外,已建成別開生面大型冶金爐─太陽能高溫冶金爐,面積是2,500平方公尺,高度達到九層樓的拋物線面板上就貼有上述含我「鋁」的反光材料,可在短時間內產生攝氏4,000度的高溫,並可瞬間去掉高溫,達到快速加熱、快速冷卻的效果。這冶金爐已應用在生產超純材料和難熔材料上。

 

在本世紀內,估計在天空將可能建成幾個「人造小月亮」,實際上是面積達數十萬平方公里的巨大反射鏡,其鏡面上就要鍍一層我「鋁」,經由這些反射鏡可把太陽光反射到地球。如此一來,即使在晚上的地面,人們可以在不用照明燈的情況下在室外活動、娛樂。若反射鏡愈大,由於光照時間延長,農作物生長也可加速成長,人們更可以進行其他野外活動,以避開烈日曝曬。據估計,這項投資的經濟效益很大,幾年之內便可以回收成本。

我「鋁」的導熱能力比鈦(Ti)大3倍,因此可用於太陽能的吸收裝置。在我「鋁」的表面塗上一層不反光的黑色材料,吸收的熱通過我「鋁」的傳導可以把水加熱,用於室內取暖和淋浴。英國新出售的太陽能熱水器,由兩塊2米×1米的模壓鋁板組成吸收太陽能器材,每天用太陽能可加熱得到攝氏60度的水300公升。預計再過幾年,各國將陸續普及家庭用的太陽能集熱器,屆時肯定會大量使用我「鋁」。

 

質輕是我「鋁」做為建築材料的一個重要原因,缺點之一是我「鋁」質地太軟,這可經由在我「鋁」中添加少量銅或鎂加以改善,因為這可使我「鋁」的強度大幅提高。又金屬的我「鋁」極易與稀酸反應放出氫氣,甚至我「鋁」碰到氫氧化鈉等強鹼溶液,也能生成「偏鋁酸鹽」和氫氣。這一性質在其他金屬中是比較特別的。

 

原先人們誤以為我「鋁」不像鐵那樣愛生鏽,其實不然,我「鋁」是個很容易被氧化的金屬。在常溫下,我「鋁」就能與空氣中的氧反應生成一層緻密而堅固的氧化物薄膜,進而使我「鋁」金屬失去光澤。但是,這層氧化膜能阻止金屬繼續氧化,因此雖然我「鋁」比鐵活潑,卻具有比鐵強得多的抗腐蝕性能。

 

我「鋁」若在空氣中生鏽,會在外壁上生成薄薄的鋁鏽膜,鋁鏽膜分為兩層,外層是可視膜,內層是不可視膜。內層也是一層活性膜,它經過二次氧化才成外膜。外層是穩定的,因此我「鋁」氧化生鏽後,生成的鋁鏽膜就起了保護內部金屬的作用。

 

特別是在酸液中通電生成的氧化膜,因為它所有的微孔都被封住,形成「伽碼相三氧化二鋁」,它就像外衣一樣對我「鋁」起了更好的保護作用。這種方法就是日本科學家瀨藤和宮田二人在1923年所發明的鋁陽極電化法,市場上俗稱的電化鋁就是經過陽極化處理過的我「鋁」製品,這種經過特別處理的「鋁」製品比一般的「鋁」製品更為耐用。

 

那麼,我「鋁」製品的鏽蝕速度如何呢?說起來也微不足道,放一年之久鏽蝕也不到十萬分之一公分,就是放在海面上也不超過千分之一公分的厚度。因此人們通常認為我「鋁」的抗腐蝕性強。

 

我「鋁」罐不像一般的鐵罐易腐蝕,飲料罐的原料首選是我「鋁」罐。我「鋁」無毒、無臭、無味、導熱性能好,因此鋁罐飲料可快速冷卻。由於我「鋁」耐氧化,因此是製造飲料罐的理想材料。但從某種角度來看,這也帶來一些負面影響,在公路邊、鐵路旁、海灘上及樹林裡到處可見我「鋁」質飲料罐,我「鋁」已成為一種主要的汙染源。目前不少地方已採取措施回收我「鋁」罐,以避免我「鋁」帶來的汙染問題。

 

我「鋁」製品髒了,用一點醋就可以洗乾淨。可是常有人用鹼水洗,那就不行了,因為氧化鋁(AlO3)會溶解在鹼中,生成氫氧化鋁(Al(OH)3),這就等於給我「鋁」脫去了保護層,使我「鋁」容易腐蝕。

 

以我「鋁」的氧化物(即AlO3)為主的高溫無機噴塗材料,具有耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化等特點。AlO3在充氧環境下,能耐長時攝氏1,000度高溫或瞬間攝氏2,000度高溫,因此可用做噴氣發動機的渦輪葉片等須耐高溫零件的表面噴塗材料。美國也用鋁合金做步槍槍管,其表面塗有AlO3塗層和耐熔蝕的固態潤滑油,減輕了步槍的重量,並保證使用性能。

 

我「鋁」易被腐蝕,這是我的一大缺點。善用其短,使其在某些特定的場合變為長處,也是一門學問。從1930年就有人利用我「鋁」易氧化的特性脫掉鋼水中有害的氫氣,以提高鋼的品質。

 

我「鋁」是可以染成各種顏色的少數幾種金屬之一。電鍍槽液中有硫酸銅,就可得到染成銅色表面的我「鋁」製品,若用硫酸錫就染成青銅色,用高錳酸鉀就成黃色了。

 

金屬的我「鋁」在現在工業中大顯身手的同時,也滲入到了人們的家庭。為此有人開始研究我「鋁」對人體健康的影響。

 

人們之所以無法避免攝取我「鋁」,是因為我「鋁」在地球上的含量太豐富了(前面說過,我「鋁」在地球上的含量占第三名),而且,奇怪的是,我「鋁」沒有可以新陳代謝的替換角色。人們消化我「鋁」後,通常直接從體內排出,因此,任何進入血液中的我「鋁」也會很快排出體外。雖是如此,我「鋁」可以自行附著在血液中的含鐵蛋白分子上,含鐵蛋白會把人體需要的基本金屬元素運送到身體各部位,我「鋁」就是以這種方式進入腦部。

 

長期以來,人們一直認為我「鋁」是一種對人體無害的金屬元素,治療胃酸過多的藥中常用的主要成分就是氫氧化鋁(Al(OH)3)。然而,近代科技的發展對鋁無害論提出了強烈異議。

 

1975年,美國醫學人員用電子顯微鏡和X射線衍射光譜測定法分析了多名老年癡呆症患者的神經元,發現這些人神經元中,我「鋁」的含量比正常人多了2~4倍。後來,美國科學家用原子吸收光譜分析了老年癡呆症患者的大腦,發現他們腦中我「鋁」的含量竟是正常人的5倍。美國的一個醫療小組到世界飲水含我「鋁」量最高的關島調查,發現那裡患老年癡呆症的人數比正常地區多了3~5倍。這些都證實我「鋁」很可能是老年癡呆症的罪魁禍首之一,但這仍未有國際定論。

 

我「鋁」為什麼會導致老年癡呆症呢?這個問題還在爭論中。一般的觀點認為因三價鋁離子(Al 3)有空的電子軌域,易與鹼基對中未成對的電子結合,並進入神經元細胞中,使神經細胞釋放的傳遞物質如乙醯膽鹼等不能順利通過,從而導致神經傳遞系統受阻,引起老年癡呆症。

 

含我「鋁」元素的一個常見化合物就是明礬。明礬是鋁、鉀、硫和氧的化合物,化學式是KAl (SO42。在台灣,人們愛吃的粉絲、冬粉、米粉和油條,為了增加韌性,往往添加明礬。明礬在台灣是屬於合法添加物,但由於明礬含有我「鋁」元素,因此若是經常多吃,則得老年癡呆症的風險可能會增加。

 

有一點必須注意的是,市面上有很多胃藥的主成分含有氫氧化鋁,但不可以和牛奶一起搭配吃,嚴重時甚至會造成所謂的代謝性的「牛奶鹼性中毒」。首先會頭痛、呼吸急促,再來就是高血鈣中毒,然後造成我「鋁」元素沉積於人體,最後是腎功能不全,進而可能造成老人癡呆症。

 

我「鋁」過量攝入往往是由於不正確使用我「鋁」製品引起的。大家知道:我「鋁」在空氣中會形成一層緻密的氧化鋁,保護我免受進一步的腐蝕,但這層保護膜並非無堅不摧,因此平時應養成使用我「鋁」製品的良好習慣。例如:不用我「鋁」製的容器存放酸、鹼食物;儘量縮短食物在我「鋁」製品中的存放時間;儘量不用「鋁」鍋炒菜;少讓比我「鋁」硬的金屬製品(如鐵勺)與我「鋁」製品接觸;不用硬質抹布擦洗我「鋁」製品等。當然,平時加強體育鍛鍊,增強身體活力,也是防止我「鋁」元素在體內存積的好辦法。

 

介紹了這麼多我「鋁」的優點與缺點,我「鋁」和鋁合金是20世紀才進入工業,因此,我「鋁」的應用還在幼年時期,可以想見其成本、性能、品種和應用發展的潛力仍有很大的改善空間。我「鋁」及鋁合金已經為人類做出了巨大貢獻,可以肯定在未來生活中,我「鋁」將綻放出更加絢麗的光彩!

 

深度閱讀

  1. 蘇明德(2007)油條裡的化學,科學發展,410,70-73。