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1、学史探究 .1铝的发现 .1铝的冶炼史 .2古代的炼钢术 “百炼成钢”的由来 .3青铜冶炼冶金技术的萌芽 .4湿法炼铜 .5我国古代高超的合金生产技术 .6化工生产推动了时代的发展 .6不锈钢会生锈吗? .7铝热焊法简介 .8“未来的钢铁” 钛 .9电池发展历史 .11巴格达电池 .15学史探究铝的发现物以稀为贵，在 100 多年前，铝曾是一种稀有的贵重金属，被称为“银色的金子” ，比黄金还珍贵。法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠铝王冠。他戴上铝王冠，神气十足地接受百官的朝拜，这曾是轰动一时的新闻。拿破仑三世在举行盛大宴会时，只有他使用一套铝质
2、餐具，而他人只能用金制、银制餐具。即使在化学界，铝也被看成最贵重的。英国皇家学会为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。为什么铝制品在当时是那样昂贵的“稀有金属”？地壳中最丰富的金属是铝，它占整个地壳总质量的 7.45，仅次于氧和硅，位居金属元素的第一位，是居第二位的铁含量的 1.5 倍，是铜的近 4 倍。脚下的泥土，随意抓一把，可能都含有许多铝的化合物。但由于铝的化学性质活泼，一般的还原剂很难将它还原，因而铝的冶炼比较困难。铝从发现到制得纯铝，经过十几位科学家 100多年的努力。燃素学说的创立者施塔尔最早发现明矾里含有一种与普通金属不同的物质。英国化学家戴维
3、试图用电解法来获得这种未知金属未能成功。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，再通入氯气，得到液态的氯化铝，然后同钾汞齐作用制成铝汞齐，最后隔绝空气蒸馏除去汞，得到一些灰色金属粉末。它的颜色和光泽看起来像锡，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著名的刊物上，没有引起科学界的重视。厄斯泰德是德国化学家维勒的朋友。1827 年维勒到丹麦首都拜访厄斯泰德时，厄斯泰德把制备金属铝的实验过程和结果告诉维勒。维勒回国后立即重复厄斯泰德的实验，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，他意识到这不是制备
4、金属铝的好办法。维勒重新设计方案，从头做起。他用热的碳酸钾溶液与沸腾的明矾溶液作用，用现在离子方程式表示该反应为：3CO32-+2Al3+3H2O=2Al（OH）3+3CO2，将所得到的氢氧化铝经过洗涤和干燥以后，与木炭、糖、油等混合，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，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。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。对坩埚加热以后，很快就达到白热的程度。当认为反应已经完成，停止加热，待坩埚冷却后投进水中，发现坩埚中的混合物并不与水发生反应，水溶液也不显碱
5、性。说明金属钾已反应完全，剩余的银灰色粉末就是金属铝。维勒对制出的少量铝粉并不满意，他坚持把实验进行下去，不断改进制取方法。1836 年维勒分离出小粒状铝。1849 年又制得黄豆大的致密的铝，前后共经历了 18 个年头。1854 年，法国化学家改进维勒的方法，用钠做还原剂，成功地制得成铸块的金属铝。但由于钠价格昂贵，用钠做还原剂生产的铝成本比黄金还贵得多。得维尔实现了铝的工业化生产，尽管价格不菲，但他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。得维尔将这枚勋章送给维勒，以表示敬意。后来他们两人成为亲密朋友。1886 年，在铝的历史
6、上又是一个里程碑。这一年美国的大学生霍尔和法国大学生埃罗，都各自独立地研究出电解制铝法。在美国制铝公司的展柜里，至今还陈列着霍尔第一次制得的电解铝粒；在霍尔的母校校园里，也矗立着他的铝铸像。法国大学生埃罗几乎在同时也制得铝，当他知道霍尔的发明后，毫不嫉妒，主动交流经验、切磋学问，两人也成了亲密朋友。铝的冶炼史传说拿破仑三世的刀叉具是用铝制造的。筵席上，他为多数客人提供金餐具，而只让少数客人使用铝餐具，是为了让用铝餐具的客人留下更深刻印象。1885 年，在美国首都华盛顿特区落成的华盛顿纪念碑上的顶帽也是用金属铝制造的。因为在 19 世纪，铝是一种珍贵的金属。人们最初得到的铝粒如同珍宝，它的价格同
7、黄金相当。因为从铝矿石中把铝提炼出来，是极其困难的。1825 年，丹麦的奥斯特分离出少量的纯铝。1827 年，德国化学家维勒用金属钾与无水氯化铝反应而制得了铝。但是钾太昂贵了，所以不允许大规模地生产。又过了 27 年，法国化学家德维尔用金属钠与无水氯化铝一起加热而获得闪耀金属光泽的小铝球。改用金属钠虽然极大地降低了铝的生产费用，但显然没有达到能使人们普遍应用铝的程度。1884 年，在美国奥伯林学院化学系，有一位叫做查尔斯马丁霍尔的青年学生。当时他只有二十一岁。一次，他听一位教授（这位教授正是维勒的学生）说：“不管谁能发明一种低成本的炼铝法，都会出人头地。 ”这使霍尔意识到只有探索廉价的炼铝方法
8、，才能使铝被普遍应用。霍尔决定在自己家里的柴房中办一个家庭实验室。他打算应用戴维早期的一项发明：把电流通到熔融的金属盐中，可以使金属的离子在阴极上沉积下来，从而使金属离子分离出来。因为氧化铝的熔点很高（2050） ，他必须物色一种能够溶解氧化铝而又能降低其熔点的材料，偶然发现了冰晶石（Na3AlF6） 。冰晶石一氧化铝熔盐的熔点仅在 9301000之间，冰晶石在电解温度下不被分解，并有足够的流动性。这样就有利于电解的进行。霍尔采用瓷坩埚，碳棒（阳极）和自制电池，对氧化铝，即精制的氧化铝矿进行电解。把氧化铝溶在 10%15%的熔融的冰晶石里，再通以电流，结果观察到有气泡出现，然而却没有金属铝析出
9、。他推测，电流使坩埚中的二氧化硅分解了，因此游离出硅。于是他对电池进行改装，用碳作坩埚衬里，又将碳作为阴极，从而解决了这一难题。1886 年 2 月的一天，他终于看到小球状的铝聚集在阴极上。霍尔此时异常激动，带着他第一次获得的一把金属铝球去见他的教授。后来，这些铝球竟成为“王冠宝石” ，至今仍珍存在美国制铝公司的陈列厅中。廉价炼铝方法的发明，使铝这种在地壳中含量占 8%的元素，从此成了为人类提供多方面重要用途的材料。而发明家霍尔，当时还不满 23 周岁，这年 12月 6 日才是他的 23 岁生日。还有一件值得提及的事，非常巧合，一位与霍尔同龄的年轻的法国化学家埃鲁也在这年稍晚些时候发明了相同的
10、炼铝法。霍尔与埃鲁在遥远的两大洲，同年来到人世（1863 年）又同年发明了电解炼铝法（1886 年） 。虽然他们之间曾一度发生了专利权的纠纷，但后来却成为莫逆之交。1911 年，当美国化学工业协会授予霍尔著名的佩琴奖章时，埃鲁还特意远涉重洋到美国参加了授奖仪式，亲自向霍尔表示祝贺。或许是上天的旨意，1914 年，这两位科学家又都相继去世。难怪当后人们一提起电解炼铝法的时候，便总把霍尔和埃鲁的名字联在一起。古代的炼钢术“百炼成钢”的由来与世界其他地区和民族相比，中国不仅较早的有了冶炼生铁的技术，而且是最早掌握炼钢技术的国家之一。大约在春秋晚期已经有了炼钢的实践活动，到了战国时代，钢已广泛应用于工
11、具和兵器的制作。我国民间传说中的许多具有“斩金断玉”和“吹毛断发”之利的名剑，不少都和这个时期的历史事件或人物有关。如吴王阖闾时铸成的干将、莫邪；荆轲刺秦王时用的鱼肠剑等，这些以名人名剑为背景的民间传说一直流传至今。当时炼钢用的原料是块炼铁，通过在炭火中加热渗碳而成。利用锻打的办法使钢片伸长后，折叠在一起再继续锻打，钢片在锻打时局部因受到强大的冲击和延伸时钢片间的摩擦而产生高温（属于现在的力化学的研究范畴） ，以至于熔合而成为一体。但折断后在断口处仍可清晰地见到层状的组织。1976 年，湖南长沙杨家山一座春秋晚期古墓出土的一把钢剑，长 30.4cm、宽 22.6cm，含碳 0.5，金相组织均匀。剑身断处可见原来是由 79 层叠打而成的。这是一件了解古代炼钢术的非常有价值的文物。由于当时还没有发明出使铁熔化成液态并借以调节其中所含其他元素浓度的技术，所以只能靠对赤热状态下的固态铁的反复煅烧与锻打的方法，来完成由铁变钢时的渗碳与除碳过程。北宋沈括在梦溪笔谈中对此曾有过很细致的描写：“取铁精锻之百余火，每锻称之，一锻一轻，至累锻而斤不减，则纯钢也。虽百炼不耗矣。此乃铁之精纯者，其色精明，磨莹之则黯然青且黑，与常铁迥异。 ”沈括在这里抓住了这种技术的本质，亦即通过百余次的锻打，可以逐步除去铁中的其他杂质元素（铁也有一部分会损耗掉） ，所
