آلومینیم

آلومینیوم عنصر شیمیایی است که در جدول تناوبی دارای علامت AL و عدد اتمی 13 می باشد. آلومینیوم که عنصری نقره ای و انعطاف پذیر است عمدتأ به صورت سنگ معدن بوکسیت یافت می شود و از نظر مقاومتی که در برابر اکسیدا سیون دارد همچنین وزن و قدرت آن قابل توجه است. آلومینیوم در صنعت برای تولید میلیون ها محصول مختلف به کار می رود و در جهان اقتصاد عنصر بسیار مهمی است. اجزای سازه هایی که از آلومینیوم ساخته می شوند در صنعت هوانوردی و سایر مراحل حمل و نقل بسیار مهم هستند نیز سازه هایی که در آن ها وزن پایداری و مقاومت لازم است وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگی های قابل توجه

آلومینیوم فلزی نرم ِ سبک اما قوی است با ظاهری نقره ای – خاکستری مات و لایه نازک اکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می شود از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری می کند. وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است، چکش خوار، انعطاف پذیر و به راحتی خم می شود. همچنین بسیار با دوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. به علاوه این عنصر غیر مغناطیسی بدون جرقه دومین فلز جکش خوار و ششمین فلز انعطاف پذیر است.

کاربردها

چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش آلومینیوم کاربردی ترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخش های صنعت دارای اهمیت می باشد. آلومینیوم خالص نرم وضعیف است اما می تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس، منیزیم، منگنز، سیلیکن و دیگر عناصر به وجود آورد که این آلیاژ ها ویژگی های مفید گوناگونی دارند.

این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکت ها را می سازند. وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند پوششی تشکیل می دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می کند. این پوشش ها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را به وجود می آورند که همانند پوشش های نقره خاصیت خود را از دست نمی دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه های تلسکوپ های نجومی است.

برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از:

• حمل و نقل (اتومبیل ها، هواپیماها، کامیون ها، کشتی ها، ناوگان های دریایی راه آهن و...)
• بسته بندی (قوطی ها، فویل و...)
• ساختمان (درب، پنجره، دیوار پوش ها و ...)
• کالاهای با دوام مصرف کننده(وسلیل برقی خانگی، وسایل آشپزخانه ...)
• خطوط انتقال الکتریکی (به علت وزن سبک اگرجه هدایت الکتریکی آن تنها 60% هدایت الکتریکی مس می باشد)
• ماشین آلات

اکسید آلومینیوم (آلومینا) به طور طبیعی و به صورت کوراندوم، سنگ سمباده (emery)، یاقوت (ruby) و یاقوت کبود (sapphire) یافت می شود که در صنعت شیشه سازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم نوسان به کار می روند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می شود و در نتیجه در سوخت موشک های با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می شود.

تاریخچه

فردریک و هلر به طور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت (لاتین :alum , alumen) اما این فلز دو سال پیشتر به وسیله هانس کریستین ارستد شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد.

پیدایش و منابع

اگر چه AL یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(18%) این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گران بها و ارزشمندتر از طلا به حساب می آمد. بنابر این به عنوان فلزی صنعتی اخیرا مورد توجه قرار گرفته ودر مقیاس های تجاری تنها بیش از 100 سال است که مورد استفاده است.

در ابتدا که این فلز کشف شد جدا کردن آن از سنگ ها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین به صورت ترکیب بود مشکل ترین فلز از نظر تهیه به شمار می آمد.

آلومینیوم برای مدتی از طلا با ارزش تر بود اما بعد از ابداع یک روش آسان برای استخراج آن در سال 1889 قیمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد. تهیه مجدد این فلز از قطعات اسقاط (از طریق بازیافت) تبدیل به بخش مهمی از صنعت آلومینیوم شد.

بازیافت آلومینیوم موضوع تازه ای نیست بلکه از قرن نوزدهم یک روش رایج برای این کار وجود داشت. با اینهمه تا اواخر قرن دهه 60 این یک کار کم منفعتی بود تا زمانی که بازیافت قوطی های آلومینیومی آشامیدنی ها بالاخره بازیافـت این فلز را مورد توجه قرار داد. منابع بازیافت آلومینیوم عبارتند از: اتومبیل ها، پنجره ها، درب ها، لوازم منزل، کانتینرها و سایر محصولات ...

آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al₂O) به وسیله کاهش با کربن جدا شود. در عوض روش جدا سازی این فلز از طریق الکترولیز است. (این فلز در محلول اکسیده شده سپس به صورت فلز خالص جدا می شود.) لذا جهت این کار سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد. اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (c2000) که تأمین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. برای سال های زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می دادند و نقطه ذوب آن تا c900 کاهش میافت. اما امروزه مخلوط مصنوعی از آلومینیوم، سدیم و فلوریدکلسیم، جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاه های برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه ها هستند.

الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت به کار می روند هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است یون های آن آزادانه حرکت می کنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه است: Al3++3e -Al

در این جا یون آلومینیوم در حالت کاهش است (الکترون ها اضافه می شوند) سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو می رود و خارج می شوند.

آند مثبت اکسیژن بوکسیت را اکسیده می کند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دی اکسید کربن نماید. این کاتد باید عوض شود چون اغلب تبدیل به دی اکسید کربن می شود. بر خلاف هزینه الکترولیز، آلومینیوم فلزی ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را می توان از خاکه معدنی(clay) استخراج کرد اما این فرایند اقتصادی نیست.

ایزوتوپ ها

آلومینیوم دارای 9 ایزوتوپ است که عمده ترین آن ها بین 23 تا 30 مرتب شده اند. تنها AL-27 (ایزوتوپ پایدار) و AL-26 (ایزوتوپ رادیو اکتیو) به طور طبیعی وجود دارند. AL-26 از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتون های اشعه کیهانی رخ می دهد تولید می شود. ایزوتوپ های آلومینیوم کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، سختگاه منگنز، یخ های دوران یخبندان، کوارتز در صخره ها شهاب سنگ ها دارد.

نسبت AL-26 به برلیوم 10 برای 5 مطالعه 6 نقش حمل ته نشینی ذخیره رسوب زمان دفن و فرسایش در مقیاس زمانی 10 تا 10 به کار برده شده است.

(AL-26Cosmogenic) اولین بار در مطالعات ماه و شهاب سنگ ها به کار رفت. اجزاء شهاب سنگ ها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم 27 پایدار می شود.

بعد از سقوط روی زمین حفاظ اتمسفر مانع از تولید AL-26 بیشتر از قطعات شهاب سنگ ها می شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آن ها مؤتر است. تحقِقات روی شهاب سنگ ها ثابت کرده AL-26 در زمان شکل گیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشته است. احتمالا انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی AL-26 ذوب شدن مجدد و جدایی سیارک ها بعد از شکل گیری آن ها را 2-4 میلیارد سال پیش در پی داشته است.

هشدارها

آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است ظاهراً هیچ فعالیت مؤثری در سلول های زنده ندارد اما درصد کمی از مردم به آن حساسیت دارند – آن ها تجربه کرده اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می شود- مصرف داروهای بند آورنده خون و مواد ضد عرق باعث ایجاد جوش های خارش آور و سوء هاضمه می گردد.

عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علائم مسمومیت در نتیجه خوردن این گونه محصولات مانند Maalox,Amphojel,Kaopectate . در سایر افراد آلومینیوم مانند فلزات سنگین سمی نیست اما در صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شده است اگرچه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگ زدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آن ها بسیار رایج است در کل هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آن ها دیده نشده است. مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند احتمال مسمومیت بیشتری دارند به علاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده گرچه اخیرا این فرضیه رد شده است.

املاء

املاء رسمی این عنصر IUPAK) Aluminium ) است گرچه عموماً  آمریکایی ها و کانادایی ها آنرا به صورت Aluminum نوشته و تلفظ می کنند. هامفری دیوی در سال1807 Aluminum را برای عنصر کشف شده در آن زمان ارائه کرد اما بعدا تصمیم گرفت تا این نام را به Aluminium تغییر دهد که با وجود "ium" در نام بیشتر عناصر تطبیق کند.

بعدها املا Aluminium در بریتانیا و آمریکا متداول شد اما بعد به تدریج آمریکایی ها برای اهداف غیر تخصصی این نام را به Aluminum بر گرداندند. نام رسمی این عنصر در آمریکا و در رشته شیمی تا سال 1926 به صورت Aluminium به کار رفت. از این تاریخ به بعد انجمن شیمی آمریکا تصمیم به استفاده از املا Aluminum در نشرات خود گرفت.

مرکز یادگیری سایت تبیان

تنظیم: مریم فروزان کیا