说明
铝：英语：Aluminum（美国、加拿大）或Aluminium（其他地区），是一种化学元素，化学符号为Al，原子序数为13，原子量为26.9815386 u，属于硼族元素，相对密度是2.70。铝是较软的易延展的银白色金属，也是地壳中第三大丰度的元素（仅次于氧和硅），也是丰度最大的金属，在地球的固体表面中占约8%的质量。铝金属在化学上很活跃，因此除非在极其特殊的氧化还原环境下，一般很难找到游离态的金属铝。被发现的含铝的矿物超过270种。[5]最主要的含铝矿石是铝土矿。
铝因其低密度以及耐腐蚀（由于钝化现象）而受到重视。其合金根据工艺的不同性质差异很大，利用铝及其合金制造的结构件不仅在航空航天工业中非常关键，在交通和结构材料领域也非常重要。最有用的铝化合物是它的氧化物和硫酸盐。
物理性质
铝是轻金属，密度为2.70 g/cm3，仅是钢的三分之一左右。使铝制零件通过它们的轻盈易于识别。与大多数金属相比，铝的密度低是因为它的原子核要轻得多，而晶胞大小的差异并不能弥补这种差异。比铝的密度低的金属只有反应性太高，不能用作结构的碱金属和碱土金属（铍和镁除外，但铍有剧毒）。[7]铝不像钢那样坚固和坚硬，但在航空航天工业等应用中，低密度弥补了这一点。纯铝较软，在300℃左右失去抗张强度，熔点660.4度。经处理过的铝合金较坚韧、易延展。有着金属光泽，光滑时表面银白而发亮，粗糙时呈暗灰色。无磁性且不易点燃。反射可见光能力强（约92%），反射中远红外线可达98%。纯铝相当软，缺乏强度。在大多数应用中，都会使用各种铝合金，因为它们具有更高的强度和硬度。纯铝的屈服为7～11MPa，而铝合金可达200～600MPa。[10]铝是有延展性的，伸长率为50-70%，[11]容易拉拔和挤型。它也很容易被机械加工和铸造。
铝有良好的导电导热性（都为铜的59%），而远轻于铜。铝可以在低于1.2K 的温度和磁通量大于100高斯下超导。[14]它是顺磁性的，因此基本上不受静磁场的影响。然而，高导电性意味着它通过涡电流的感应，受到交变磁场的强烈影响。
电子层
铝原子有13个电子，电子排布为 [Ne] 3s2 3p1，比稳定的惰性气体氖多出三个电子。因此，铝的第一、第二和第三电离能的总和远低于第四电离能。这种电子排布和其它硼族元素类似。在许多化学反应中，铝可以相对容易地释放其最外层的三个电子（见下）。铝的电负性为1.61（鲍林标度）。
一个自由铝原子的原子半径为143 pm。当三个价电子被移除时，Al3+的离子半径缩小到 39 pm（四配位）或 53.5 pm（六配位）。在标准情况下，铝原子以面心立方晶系排列，由原子最外层电子提供的金属键结合，因此铝是一种金属。[21]许多金属都有这种晶系，例如铅和铜。铝的晶胞大小与其他金属相当。[21]然而，其它硼族元素都不是这种晶系的。硼的电离能太高而无法金属化，铊具有六方最密堆积结构，而镓和铟具有不是最密堆积的不寻常结构。铝原子可用于形成金属键的少量电子可能是它柔软、熔点低和电阻率低的原因。
同位素
在所有铝同位素中，只有27Al是稳定的。这在原子序是奇数的元素中很常见。[a]它是唯一一种原生铝同位素，也就是从地球形成到现在一直存在的同位素。地球上几乎所有的铝都是这种同位素，使得铝是一种单一天然同位素元素。铝的标准原子量几乎和铝-27的质量一样。这使得铝在核磁共振（NMR）中非常有用，因为铝-27有很高的 NMR灵敏度。铝的标准原子量相较于其它金属很低，[b]这对元素的属性有影响。
剩下的铝同位素都有放射性。其中最稳定的是26Al：虽然它与稳定的27Al一起存在于形成太阳系的星际介质中，也是可以通过恒星核合成产生的，但它的半衰期只有717000年，因此自行星形成以来，铝-26就全部衰变了。[26]然而，由于宇宙射线质子轰击大气层中的氩气引起散裂，会产生微量的26Al。26Al 和10Be的比例可用于放射性定年法，适用于105至106年的尺度（运输、沉积、沉积物储存、埋藏时间和侵蚀）。[27]大多数陨石学家认为，26Al衰变释放的能量是一些小行星在45.5亿年前形成后熔化和分异的原因。[28]
剩下的铝同位素的质量数介于22到43之间，半衰期都小于一小时。铝还有三个已知的同核异构物，半衰期都小于一分钟。[23]
化学性质
铝结合了过渡金属和后过渡金属的特性。由于它几乎没有可用于金属键的电子，就像其较重的硼族元素一样，它具有后过渡金属的物理性质，原子间的距离长于预期。此外，由于 Al3+是一种小而高度带电的阳离子，它具有很强的极化性。这使得铝化合物的化学键趋向于共价键。这种性质和铍（Be2+）类似，它们存在对角线关系。
铝的原子实的电子结构是惰性气体核心，而较重的同族元素镓、铟、铊和鿭已经有充满的d壳层，有些还有f壳层。因此，铝的内部电子几乎完全屏蔽了价电子，这与较重的同族元素不同。铝是整个硼族元素中电正性最高的元素，它的氢氧化物也比氢氧化镓的碱性更强。[c]铝与同族的类金属硼也有细微的相似之处：AlX3和 BX3是等电子体（它们具有相同的价电子结构），并且两者都表现为路易斯酸，且很容易形成加合物。
铝容易与氧反应，暴露于空气中会在其表面生成致密的氧化铝 Al2O3（此过程为钝化）薄层（室温下厚度为5纳米）[32]，有效的防止其继续氧化，或是与水和稀酸反应。[33]由于铝具有一般的耐腐蚀性，因此它是为数不多的以细粉形式保留银色的金属之一，使其成为银色颜料的重要组成部分。[34]在常温下，铝在强氧化性酸中被钝化，不与它们反应，所以浓硝酸、浓硫酸和一些有机酸是用铝罐存放的。[35]
在热浓盐酸中，铝与水反应放出氢气，并在氢氧化钠或氢氧化钾水溶液中形成铝酸盐——在这些条件下保护性钝化可以忽略不计。[36]王水也会溶解铝。[35]铝会被溶解的氯化物腐蚀，例如常见的氯化钠，这就是为什么家用管道从不由铝制成的原因。[36]铝的氧化层会因为汞的汞齐化，或是接触电正性元素的盐而被破坏。因此，由于伽凡尼电池与合金化铜的反应，最强的铝合金的耐腐蚀性较差，[10]铝的耐腐蚀性也会因含水盐的存在而大大降低，尤其是在有不同金属存在的情况下。
铝和大部分非金属加热时反应，形成像是氮化铝（AlN）、硫化铝（Al2S3）和卤化铝（AlX3）的化合物。铝也可以和几乎整个周期表的元素混合，形成金属间化合物。
无机化合物
大部分的铝化合物中，铝的氧化态为 +3。Al3+的配位数通常是4或6。几乎所有的铝(III)化合物都是无色的。
在水溶液中，Al3+以六水合物[Al(H2O)6]3+的形式存在，Ka约为10−5。这种溶液是酸性的，因为这种阳离子可以作为质子供体并逐渐水解，直到形成氢氧化铝（Al(OH)3）沉淀。
氢氧化铝可溶于酸和碱，分别形成铝盐和铝酸盐，也与酸性和碱性氧化物融合。因此，Al(OH)3是两性的，为弱碱性阳离子的特征。弱碱性阳离子会形成不溶性氢氧化物，其水合物也可以提供质子。这样的一个影响是铝的弱酸盐在水中会水解成水合氢氧化物和相应的非金属氢化物。举个例子，硫化铝水解形成硫化氢。对于铝的强酸盐，如卤化铝、硝酸铝和硫酸铝，只会发生不完全水解。由于类似的原因，无水铝化合物不能由加热它们的“水合物”而成。水合氯化铝的结构不是 AlCl3·6H2O ，而是[Al(H2O)6]Cl3，且 Al–O 键是如此的强，以至于加热不足以破坏它们并形成 Al-Cl 键：
- 2[Al(H2O)6]Cl3 加热→ Al2O3 + 6 HCl + 9 H2O
铝的四种三卤化物都是已知的。不像更重的三种卤化物，氟化铝（AlF3）具有六配位铝，这解释了它的不挥发性、不溶性以及高生成热。每个铝原子都被六个氟原子包围，形成扭曲八面体结构，每个氟原子则桥接在两个八面体的角之间。这些{AlF6}单元也存在于三元氟化物中，例如冰晶石Na3AlF6。AlF3的熔点是1,290 °C（2,354 °F），可以由氧化铝和氟化氢在700 °C（1,300 °F）下反应而成。
铝在重卤化物中的配位数较少。这些卤化物是二聚体或多聚体，含有四配位铝中心。氯化铝（AlCl3）在熔点192.4 °C（378 °F）以下时为层状聚合物结构，在液态为 Al2Cl6二聚体。在高温下，它会分解成AlCl3单体，结构类似于BCl3。溴化铝和碘化铝在固态、液态和气态都是Al2X6二聚体，因此在改变相态时没有显著的变化。它们都可以由铝和卤素直接反应而成。三卤化铝可以形成许多加合物或配合物。它们是路易斯酸，使它们可用作傅-克反应的催化剂。三氯化铝具有涉及该反应的主要工业用途，例如制造蒽醌和苯乙烯。它也经常用作其它铝化合物的前体和将非金属氟化物转化为相应氯化物的试剂（转移卤化反应）。
铝形成一种稳定的氧化物——氧化铝，化学式Al2O3。[38]它在自然界中以刚玉（α-氧化铝）的形式存在。[39]γ-氧化铝也是存在的。氧化铝的结晶——刚玉是非常硬的（莫氏硬度9），有着高熔点2,045 °C（3,713 °F），极低的挥发性，化学惰性，也是良好的电绝缘体。它常用于磨料（如牙膏）、耐火材料和陶瓷器，以及作为电解生产铝金属的起始材料。蓝宝石和红宝石是不纯的刚玉，里面有其它金属。两种碱式氧化铝，化学式 AlO(OH)的晶体分别为勃姆石和硬水铝石。氢氧化铝有三种主要的矿物：三羟铝石、三水铝石和斜三水铝石，它们的晶体结构不同。
铝有三种标准情况下稳定的硫属化物，分别为硫化铝（Al2S3）、硒化铝（Al2Se3）和碲化铝（Al2Te3）。它们三个都可以由铝的硫属元素在1,000 °C（1,800 °F）下反应而成。它们会迅速水解，形成氢氧化铝和对应的氧族元素氢化物。
铝有四种氮族元素化物——氮化铝（AlN）、磷化铝（AlP）、砷化铝（AlAs）和锑化铝（AlSb）。它们都是三五半导体，和硅和锗是等电子体，除了 AlN 外，所有这些都具有闪锌矿结构。它们都可以由在高温（可能需要高压）下组成元素直接反应而成。
铝和其它金属（大多数碱金属和硼族元素除外）形成的合金和150种金属互化物都是已知的。制备这些合金和金属互化物的方法包括按一定比例将金属混合加热，然后逐渐冷却和退火。它们中的键主要是金属键，晶体结构主要取决于堆积效率。[41]
铝也有一些低氧化态的化合物。一些铝(I)化合物是已知的：AlF、AlCl、AlBr和 AlI 存在于气相。它们可以由三卤化铝和金属铝加热或在低温下反应而成。一种稳定的一碘化铝衍生物是它和三乙胺形成的加合物，化学式Al4I4(NEt3)4。Al2O 和Al2S 也存在，不过非常不稳定。[42]在铝金属与氧化剂的反应中会观察到非常简单的铝(II)化合物。例如，一氧化铝，化学式 AlO，已经在爆炸中[43]和恒星吸收光谱中检测到。[44]研究较彻底的铝(II)化合物的通式为 R4Al2，含有一根 Al–Al键，其中 R 是一个大的有机基团。[45]
铝化合物
大部分（约 90%）的氧化铝会被转化成金属铝。[108]作为一种非常硬的材料（莫氏硬度9），[122]氧化铝被广泛用作磨料，[123]且因为极度的化学惰性，被用于高反应性环境中，像是高压钠灯中。[124]氧化铝也用作工业过程的催化剂，[108]例如催化克劳斯法（炼油厂中将硫化氢转化为硫的反应）。[125][126]许多工业催化剂是由氧化铝负担的，这意味着昂贵的催化剂材料会分散在惰性氧化铝的表面上。[127]氧化铝的另一个主要用途是作为干燥剂或吸收剂。[108][128]
铝的各种硫酸盐具有工业和商业应用。硫酸铝的水合物的年生产规模达到了数百万吨。[129]其中，约三分之二的硫酸铝用于水处理。[129]硫酸铝的另一个主要应用是造纸。[129]它还用作媒染剂，用于染色、酸洗种子、为矿物油除臭、鞣制皮革，以及生产其他铝化合物。[129]两种矾，铵明矾和明矾, 以前用于媒染和皮革鞣制，但随着高纯度硫酸铝的出现，它们的使用量显着下降。[129]无水的氯化铝在化学和石化工业、染色工业以及合成各种无机和有机化合物中用作催化剂。[129]铝酸钠可用于水处理和水泥凝固的促进剂。[129]
许多铝化合物都有应用，例如：
- 乙酸铝的溶液是一类收敛剂。[130]
- 磷酸铝可用于制造玻璃、陶瓷、木浆和纸制品、化妆品、油漆、油光漆和牙科水泥。[131]
- 氢氧化铝是一种抗酸药和媒染剂。它也用于水净化、玻璃和陶瓷的制造以及织物的防水。[132][133]
- 氢化铝锂是一种强还原剂，用于有机化学。[134][135]
- 有机铝化合物是一类路易斯酸和助催化剂。[136]
- 聚甲基铝氧烷可用于生产乙烯基聚合物，例如聚乙烯。[137]
- 水合铝离子（如水合硫酸铝）用于对付鱼类寄生虫，如Gyrodactylus salaris。[138]
- 在许多疫苗中，某些铝盐作为免疫佐剂（免疫反应增强剂），使疫苗中的蛋白质发挥足够的免疫刺激作用。[139]
安全信息
预防措施声明
P210 - P223 - P231 + P232 - P240 - P241 - P280
危险分类
Flam. Sol. 1 - Water-react 2
储存分类代码
4.3 - Hazardous materials, which set free flammable gases upon contact with water
