铝、硅元素的发现

2013-11-27 17:43阅读：

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用钾置换硼酸制得单质硼后，利用这活泼的碱金属，就有可能把许多元素从化合物中置换出来，这成为了当时化学界的热门研究课题。利用此法，化学家先后发现了铍、硼、锆、钛、钍、铈、硅和铝八种元素。这里删繁就简，只谈谈硅和铝两种元素。
硅在地壳中的含量排在第二位，仅次于氧，约占地壳总重量的 28％，多种硅酸盐岩石形成了地壳的基本部分。现代社会中，水泥、玻璃和陶瓷三大硅酸盐工业铈建筑材料的支柱产业，硅作为半导体在电子工业居于绝对领导地位。如果说碳是有机世界的主角，那么硅则是无机世界的中流砥柱。硅的足迹遍布全世界，到处都有它的影子，不过对硅的认识却比较晚，可谓相逢不相识。
拉瓦锡在1789年发表的元素表有一栏土质，将硅土、石灰、重土和镁土归为一类。自从分离出钙、镁、钡等元素后，化学家不再认为硅土是一种元素，试图将硅土进一步分解。戴维试图用他的电池之王分解硅土，由于硅土的熔点太高而未能成功。他又将金属钾的蒸气通过红热的硅土，尝试用钾的强还原性来还原硅土，仍没有成功。
1811年，盖·吕萨克和他的亲密同事泰纳曾将四氟化硅与金属钾的蒸气共同加热，发生了猛烈的反应，得到了一种红褐色可燃性粉末，这种粉末化学性质活泼，可以燃烧。它们实际上得到了一些不纯的无定形单质硅。可用方程式表示如下：
SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2 H₂O
　　 SiF₄+ 4K = Si + 4KF
人类首次制得较纯净的硅，是瑞典化学

家贝采尼乌斯的工作。他曾将铁屑、炭粉与硅土一起强热，得到一种灰色带光泽的熔块，经分析是硅铁的合金，质地很脆，与酸作用产生的氢气比同质量的铁与酸作用产生的氢气要多，他判断可能还有别的金属。到1823年，他终于知道熔块中又一种来自硅土的成分，并用两种方法制得无定形硅粉。第一，与盖·吕萨克相同得方法，粉末实际上是氟硅酸钾与硅得混合物，贝采尼乌斯耐心反复洗涤粉末，除去杂质氟硅酸钾，获得了比较纯净得硅。第二，将氟硅酸钾与过量得钾共热，反应产物硅化钾遇水易水解，硅沉于水底与溶液分离。反应方程式为：

K₂SiF₆+ 4K

Si + 6KF
贝采尼乌斯将硅置于氧气中燃烧，生成了硅土－二氧化硅，从而确认了硅是一种元素。
1854年，法国化学家德维尔在研究电解制取金属铝时，将熔融得硅土与冰晶石（AlF₃·3NaF）混合后电解，在阴极得到了灰色脆性有金属光泽得硅铝合金，冷却后析出一种有金属光泽得晶体，这就是晶体硅。德维尔证明他与无定形硅粉的化学性质完全相同。
以前的中文书曾将硅译成矽，其读音与化学性质相近的锡读音相同，常引起混乱。中国化学会在1953年将其名称改为硅，便于将两种元素区别。不过，在台湾地区，仍然用矽表示这种元素，在商业游戏《创业王》中仍然如此。
硅的现在工业制法是用硅土与镁或铝在高温下还原：
　　　　SiO₂ + Mg

Si + 2MgO
先把原料转化成四卤化物，然后在电炉中用氢或纯锌还原四氯化硅，再通过精馏提纯得到高纯度的多晶硅。
SiO₂+2C+2Cl₂—→SiCl₄+2CO
电炉
SiCl₄ + 2H₂ —→ Si + 4HCl ↑
　　　　　钼丝
现代工业制造的硅纯度高达99.99999999999％。作为电子工业的核心原料，硅成为高新技术的代名词，最著名的就是美国加尼福尼亚的“硅谷”。
　　硅的故事值得多818。硅酸盐有很多种，形成了多种多样的矿物。有趣的是，不论硅酸盐结构多复杂，都是以硅原子和氧原子组成的硅氧四面体作为基本结构单元，类似甲烷的结构，即四面体的四个顶点是氧原子，中心是一个硅原子。由于每个氧原子有两个单电子，可以分别和二个硅原子形成共价键，连接两个硅氧四面体的氧原子称为桥氧原子，桥氧原子可以将硅氧四面体结构单元以不同形式连接，便形成了石棉、云母等天然硅酸盐。

铝、硅元素的发现

铝、硅元素的发现

玻璃是用砂子（主要成分是二氧化硅）、苏打（碳酸钠）和石灰石作原料熔炼成的，其基本结构单元也是硅氧四面体，但其排列混乱，不如其他晶体那样规律。玻璃的发明可追溯到五千年前的埃及。玻璃和陶瓷一样古老，制造玻璃的原料是极为普通的物质，自古以来，艺术家用它们造出了许多巧夺天工的艺术珍品，工匠们磨制出光学玻璃，制造望远镜供天文学家探索太空，制造医学显微镜洞悉细胞结构。
二氧化硅除了制造玻璃外，还用来制造光导纤维。它像电缆传输电信息一样，利用光的全反射，光信号可以不丢失信息从一端传输到另一端。光纤通信容量高，还不受电、磁干扰，具有高度的保密性。这又是一场通信技术革命。令全球华人骄傲的是，美英双籍、香港中文大学前校长，高锟教授在“有关光纤通信领域”有突破性贡献而荣获2009年度诺贝尔物理学奖。光纤通信正是信息高速公路的技术基础。光纤很柔软，适用于进入人体空腔脏器拍摄，胃镜、肠镜即用光纤制造，容易从口中送入胃中或从肛门进入结肠，而病人的痛苦并不明显。

铝、硅元素的发现

单质硅的晶体结构类似于金刚石，硅原子以共价键相连，价电子受到束缚，正常情况下，硅是非导体。当温度升高时，原子振动加剧，共价键的一部分断裂，自由电子从晶格飞出，电子飞出后留下了空穴。向硅加入极微量的外来杂质就可限制自由电子和空穴的数量，极大地改变导电性。例如，硅晶体中混有少量的硼原子，硼因为共价键电子少一个，于是形成了电子空穴，意味着晶体中有一个“正电荷空穴”。相反，硅晶体中混有少量的磷原子，磷因为共价键电子多一个，于是自由电子多一个，在电场的作用下，电子奖依次填充空穴或自由电子穿过晶体运动而形成电流。前者，电子空穴形成的半导体称Ｐ型半导体，由电正电荷的空穴导电；后者成为Ｎ型半导体，由带负电荷的自由电子导电。两种半导体结合，就形成了二极管。施加顺向电压时，自由电子、空穴都移动形成电流；施加反向电压时，自由电子和空穴都向与连接处相反方向移动，此时连接处附近便形成了“绝缘带”，没有电流流动，这样就将交流电变成直流电，这就是整流器的原理。
硅虽然是无机世界的“主角”，但是近年来，它在有机世界中也成为引人注目的角色——人们制成了一系列有机硅化合物。以硅和氧为骨架的有机物称为有机硅氧烷，水解后形成环状或线装的聚合物，称为硅酮。硅的聚合物均为憎水特性且透气性能好，适用于制造雨衣、食品保鲜袋等。巍立在首都天安门广场上的人民英雄纪念碑，表面也涂着一层有机硅，这样可以防尘防潮，保护那精美的浮雕。硅作为有机世界的新星，如果地球之外有高级生物存在的话，它们的机体不见得非跟人类一样要由碳的高分子化合物充当骨干；硅，作为地球外生命的骨干材料，完全是可能的。
人类似乎和铝的缘分不好，铝是是第三种含量最多的元素（仅次于氧和硅），也是最丰富的金属元素，广泛存在于粘土和长石（复合硅酸盐）中，最重要的炼铝原料是铝矾土矿（Al2O3·2H2O）和冰晶石（AlF₃·3NaF）。铝得含量几乎是铁的两倍，但它的发现却比铁晚得多。早在几千年前，人们烧制陶瓷用得高岭土就是铝得化合物，我国古代也使用明矾（KAl(SO) ₄·12H₂O）用作医学上得收敛剂，但对这些常用得矿物得组成没有什么概念。
1754年，德国化学家马格拉夫把纯碱加到明矾溶液中，得到致密得白色沉淀（氢氧化铝），加热后得到矾土（氧化铝）。拉瓦锡把矾土归为土质类元素，像苦土、重土一样。戴维和贝采尼乌斯都曾用电流分解矾土，但都没有成功。科学家还是给这种含糊不清的金属取了一个名字。开始贝采尼乌斯称它为“铝土”。后来，戴维又改称它为铝。像氟那样，在没提炼出单质时，铝就有了自己的名字。
令人大跌眼镜的是，第一个制得金属铝得是丹麦物理学家奥斯特，他发现了著名得电流磁效应，是电磁学的先声。1825年，他将氯气通过红热的木炭和铝土（氧化铝）的混合物，制得了黄色有挥发性的易吸水的固体无水氯化铝，然后让钾汞齐与氯化铝混合加热，得到了铝汞齐。将铝汞齐中的汞在隔绝空气的情况下蒸掉，就得到了一种有金属光泽、与锡相似的铝，这是一种不纯的金属铝。后来，奥斯特又忙于自己的电磁现象研究，这个首次制得单质铝的实验就被忽视了。

奥斯特与维勒是好朋友，他把上述实验结果告诉了维勒。奇怪的是，维勒重复奥斯特的实验，却没有得到铝。他干脆从头做起，自行摸索制取单质铝的方法。他首先制取无水氯化铝，然后将其和金属钾一起置于铂制坩埚中，盖上锅盖。加热后剧烈反应，将坩埚冷却后放入水中，坩埚中的混合物并不与水发生反应，水溶液也不显碱性，可见坩埚中的反应物之一──金属钾已经完全转变成氯化钾了，剩下的不溶于水的灰色粉末就是金属铝。1827年，维勒发表了制取铝的方法以及铝的化学性质的论文。由于维勒是最初分离出金属铝的化学家，在美国威斯汀豪斯实验室曾经铸了一个铝制的维勒挂像。此外，他还用相同的方法制得了金属铍。
1854年，法国化学家德维尔用金属钠还原氯化铝，反应较为温和，且制得的铝纯度较高。后来，他继续研究铝的工业化生产，将铁矾土（铁铝氧石）与木炭、食盐混合加热，通入氯气，制得复盐NaAlCl₄，再与金属钠共熔就可制得金属铝。德维尔是一位情操高尚的科学家，虽然首先制得纯净的铝并实现了铝的工业化生产，但他对维勒的工作始终极为推崇，深知自己是站在了巨人的肩上。他利用制得的铝铸成了一枚铝质的纪念章，上面刻着维勒的名字以及1827，纪念维勒于1827年制得铝。他把这枚价值不菲的纪念章送给维勒，并附信写道“我很荣幸，能在您开辟的道路上多走了几步。”
德维尔制铝的方法虽然应用于工业生产，由于要消耗大量昂贵的技术钠，生产成本极其高昂，铝的价格于黄金相当。当时铝是皇室贵族的奢侈品。法国皇帝拿破仑三世举办的宴会，只有王室成员和贵族来宾才能荣幸地用铝制餐具。为了让其他国王对自己产生羡慕和妨忌，他花了大量资金让他的警卫部队的卫士穿上铝胸甲，因备有铝铠甲的确太昂贵了，其他国王无能为力。这在今天看来就是一出餐具，杯具。1855年，巴黎举办的世博会，展出的铝块放在最贵重的珠宝旁边，上面用标签注明：来自黏土的白银。1889年，门捷列夫因元素周期律的伟大成就收到伦敦化学会寄赠的铝和金的合金制成的奖章和杯子。
铝的真正工业化生产应归功于美国青年化学家豪尔和法国青年化学家埃鲁。两人相隔大西洋却几乎同时发现电解冰晶石和矾土的混合物制取铝的方法，这得益于19世纪60年代出现的发电机的帮助，使铝得以大规模生产。美国铝公司的展柜里，至今还陈列着豪尔制得的第一批电解铝粒。在豪尔的母校俄柏林大学校园里，矗立着青年大学生豪尔的铝铸像，全校师生引以为荣。
令人称道的是，原来并不相识的两位化学家因不约而同发明电解铝而成为知交。1914年，豪尔在获得柏琴奖章的时候，埃鲁专程横渡大西洋都美国祝贺。两人因铝而相识，更因铝成为莫逆之交，一直传为佳话。他们发明的制铝方法成为“豪尔－埃鲁电解法”。维勒和德维尔、豪尔和埃鲁由铝联结德有意是纯真德，可谓铝质轻而情谊重。他们由高尚德科学情操，不妒贤忌能，不争名夺利，携手开拓科学的新领域。无独有偶，豪尔和埃鲁同于1914年，同享51岁，这是上帝安排的巧合之事么？
目前，铝已成为除铁以外用量最大的金属，在工业上用途广泛。铝容易被氧化，表面蒙上一层透明的非常致密的氧化铝膜，保护内部不再锈蚀。因此铝制品从来不需要涂油漆保护。铝的导电性较好，比铜轻盈得多又便宜得多，常用于高压输电线得制造，电缆的重量大大减轻，又节约大量宝贵的铜。铝的导热性也很好，日常用得铝锅、铝壶等早已进入万千家庭得厨房中。铝与铜、镁、锰、镍等形成非常坚硬的铝合金，是制造飞机、汽车的材料，可以大大减轻自重，提高速度。
刚石是天然氧化铝晶体，含有铁和钛的氧化物杂质的刚石呈蓝色，就是所谓的“蓝宝石”，而含有氧化铬的红色刚石就是“红宝石”，其硬度仅次于金刚石，可用作金属和玻璃的磨蚀材料。现在可用氧化铝人工合成红宝石和蓝宝石。
氢氧化铝是胶体，吸附能力强，常用作净水剂。医学上，氢氧化铝可中和胃酸。目前，在消化内科用于治疗胃溃疡的药物胃溃宁（又名硫糖铝）即使利用铝离子与蔗糖硫酸脂结合的络合物，能与胃蛋白酶结合抑制溃疡，又能与胃粘膜的蛋白质络合形成保护膜覆盖溃疡面，利于粘膜胃再生和溃疡愈合。
最后要8的是，铝在地壳的含量很多，但人体内几乎没有铝元素，这是奇事一桩。上帝竟然不让铝这种重量级别的元素有一点儿生理作用。

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