同學們到便利商店裡買東西的時候 一定會看到貨架上擺放琳琅滿目的鋁罐或鋁箔包飲料 另外像是烤肉用的鋁箔紙、烘焙用的烤模 手持式煙火、戶外安裝的鋁門窗等等 這些看似無關的產品 其實裡面都含有一種共同的金屬元素-鋁 鋁是活性相當大的金屬 很容易發生氧化而變質 那為什麼還能有這麼多的生活應用呢？ 讓我們一起來探索「鋁」這個元素吧 鋁 元素符號為Al 原子序13 外觀是銀白色 在週期表中位於第三週期第13族 鋁的電子組態如畫面所示 很容易失去最外層3s及3p軌域中的電子 形成正三價陽離子 鋁離子與Ne有相同的電子組態 因此鋁離子的化學性質比鋁原子安定許多 自然界中的鋁也是以化合物的形式存在 常見的含鋁礦物為鋁礬土 鋁礬土又稱為鋁土礦 成分為氫氧化鋁及氧化鋁 鋁是地殼中含量最多的金屬元素 在地殼中含量排名第三 僅次於氧和矽 跟其他金屬相比 鋁的發現以及製備方法的改進相對較晚 人類很早就使用明礬 來提高衣物織料染色的效果 儘管英國化學家戴維已經利用電解的方式 製備出多種金屬元素 但他試圖由電解法製備出鋁 卻始終沒能成功 一直到1827年 德國化學家烏勒 利用金屬鉀還原熔融態的無水氯化鋁 才終於得到元素鋁 可惜數量稀少而且純度不高 正因為金屬鋁得之不易 所以當時鋁的價格比黃金還貴 即使後來有其他科學家 利用比較便宜的鈉來還原氯化鋁 但產物鋁的純度依然不高 1886年美國人霍爾及法國人埃魯在不同地點 幾乎同時想到改進電解製鋁的方法 電解法製鋁的難度在於氧化鋁的熔點太高 而電解時氧化鋁必須處在熔融態 這是相當消耗能源且困難的事 但如果加入冰晶石作為助熔劑 可使氧化鋁的熔點從2050°C降至大約950°C 也讓電解製鋁變得可行 終於成功在電解槽的底部得到鋁金屬 從此工業上幾乎都使用這個方法煉鋁 這種煉鋁的方法稱為霍爾-埃魯法 也讓純度高、價格便宜的鋁 正式走進人們的生活 霍爾也因此發家致富 成為美國的鋁業大亨 霍爾-埃魯法是以石墨棒為陽極 電解槽的石墨襯裡為陰極 電解熔融態的氧化鋁與冰晶石混合物 由於陽極會產生氧氣 在高溫下會與石墨電極反應生成二氧化碳 造成石墨棒逐漸損耗 陰極則生成液態鋁 而熔融態的鋁可由反應槽下方流出 裝置如畫面所示 先前我們提到 自然界的鋁是以氧化態的形式存在於鋁礬土中 鋁礬土內含有多種物質 除了氧化鋁約佔80%外 其餘的20%則包含了矽酸鹽類 氧化鐵和二氧化鈦等等 在其他的影片我們提過 大部分金屬及其氧化物、氫氧化物置入水中後 若發生溶解或是與水反應 會使得水溶液呈鹼性 因此能和酸進行中和 但鋁是兩性元素，這表示鋁、氧化鋁以及氫氧化鋁 不僅能與酸反應 也能和強鹼進行作用 我們利用這項特點 在鋁礬土中加入熱的強鹼溶液 例如氫氧化鈉 此時氧化鋁會和氫氧化鈉反應而溶解在鹼中 其他金屬氧化物等雜質則不會 利用與鹼的反應性差異 可將氧化鋁與雜質分離 經過濾去除雜質後 加入酸進行中和 就可生成白色的氫氧化鋁沉澱 然後將沈澱物加熱除去水份 便可得到高純度的氧化鋁 最後進行電解就可以得到鋁金屬 整個純化過程的反應式如畫面所示 一 鋁礬土中氧化鋁與氫氧化鈉反應發生溶解 二 通入酸後使氫氧化鋁沉澱析出 三 高溫鍛燒去除水分 得到純度高的氧化鋁 這種精煉鋁礬土的方法 是1888年由德國化學家拜耳發明 故稱為「拜耳法」 當然還有許多種純化鋁礬土的方法 例如燒結法 但拜耳法仍最廣為使用 鋁的應用極廣 導電性、導熱性良好 延展性僅次於金和銀 加上密度小 合金強度大 耐低溫、耐腐蝕、反光性佳等特性 可廣泛用在生活中各項產品的製造 另外 鋁粉為銀白色 所以可做為銀色顏料 鋁還有一個非常值得介紹的用途-鋁熱劑 鋁熱劑是將鋁和氧化鐵或是其他高熔點金屬氧化物 以固定比例混合後 使用時將其引燃 鋁會與金屬氧化物發生反應 並放出高熱及強光 溫度可達2500~3500°C 進而達到焊接金屬的目的 除工業應用外 亦可用於軍事用途 接下來 讓我們介紹三種鋁的化合物 首先是氧化鋁 外觀呈現白色 為陶瓷原料之一 又稱作礬土 可溶於強酸或強鹼性溶液中 剛玉就是氧化鋁晶體 是常見的寶石 具有硬度高 抗磨損的特性 若含微量鉻 因外觀為紅色 故稱為紅寶石 含鐵及鈦則稱為藍寶石 第二種要介紹的是氫氧化鋁 氫氧化鋁是白色固體 兩性氫氧化物 可溶於強酸及強鹼中 反應式如畫面所示 氫氧化鋁膠體可以吸附色素使其附著在棉紗上 故可作為媒染劑 也因為可以吸附水中雜質而作為淨水劑 另外 也可以中和過多的胃酸而作為制酸劑 最後要介紹的是十二水合硫酸鋁鉀 俗稱明礬或鉀礬 為一種複鹽 將硫酸鋁及硫酸鉀混合可製得 晶體外觀無色透明 呈八面體形狀 除作為媒染劑、淨水劑外 也可作為製作油條所需的膨鬆劑 或是化妝品中的除臭劑 同學們 聽完了鋁及其常見化合物介紹 大家對鋁是不是有更多的認識了呢？ 讓我們來總結一下這支影片的學習內容 想一想 除了明礬之外 是不是還有其他的礬類呢？ 它們有哪些共通點？ 歡迎告訴我們你的答案 下次見