فلز آلومینیوم

کاربرد آلومینیوم

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 میلیونها 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 نِیز سازه هایی که در آنها وزن ِ پایداری و مقاومت لازم است وجود این عنصر اهمیت زیادی دارد.

ویژگیهای 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 ِ همجنین بسیار با دوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است.
بعلاوه این عنصر غیر مغناطیسی ِ بدون جرقه ِ دومین فلز جکش خوار و ششمین فلز انعطاف پذیر است.
 

کاربردها

جه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش آلومینیوم کاربردی ترین فلز بعد از آهن است وتقریبأ در تمامی بخشهای صنعت دارای اهمیت می باشد. آلومینیوم خالص نرم وضعیف است اما می تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس ِ منیزیوم ِ منگنز ِ سیلیکن و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژ ها ویژگیهای مفید گوناگونی دارند.
این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می سازند . وقتی آلومینیوم را در خلا تبخیر کنند پوششی تشکیل می دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه های تلسکوپهای نجومی است.
برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از :
- حمل و نقل «اتومبیلها ِ هواپیماها ِ کامیونها ِ کشتی ها ِ ناوگانهای دریایی ِ راه آهن و …)
- بسته بندی«قوطیها ِ فویل و…)
- ساختمان«درب ِ پنجره ِ دیوار پوشها و …)
- کالاهای با دوام مصرف کننده(وسلیل برقی خانگی ِ وسایل آشپزخانه ِ …)
- خطوط انتقال الکتریکی (به علت وزن سبک اگرجه هدایت الکترِکی آن تنها 60% هدایت الکتریکی مس می باشد)
- ماشین آلات
اکسید آلومینیوم «آلومینا) بطور طبیعی وبصورت کوراندوم ِ سنگ سمباده (emery) ِ یاقوت (ruby) و یاقوت کبود (sapphire) ِافت می شود که در صنعت شیشه سازی کاربرد دارد.یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور هم نوسان بکار می روند . آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده می شود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع می شود.

تاریخچه

فردریک و هلر بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت «لاتین :alum , alumen) .اما این فلز دو سال پیشتر بوسیله هانس کریستین ارستد شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد.
در روم و یونان باستان این فلز را بعنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز بعنوان بند آورنده خون در زخمها بکار می بردند وهنوز هم بعنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده است. در سال 1761 گویتون دموروو پیشنهاد کرد تا alum را آلومین (alumin) بنامند.

پیدایش و منابع

اگر چه AL یک عنصر فراوان در پوسته زمین است(1ِ8%) ِ این عنصر در حالت آزاد خود بسیار نادر است و زمانی یک فلز گرانبها و ارزشمندتر از طلا به حساب می آمد.بنابر این بعنوان فلزی صنعتی اخیرأ مورد توجه قرار گرفته ودر مقیاسهای تجاری تنها بیش از 100 سال است که مورد استفاده است.
در ابتدا که این فلز کشف شد جدا کردن آن از سنگها بسیار مشکل بود و چون کل آلومینیوم زمین بصورت 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 زمانیکه بازیافت قوطیهای آلومینیومی آشامیدنیها بالاخره بازیافـت این فلز را مورد توجه قرار داد.منابع بازیافت آلومینیوم عبارتند از: اتومبیلها ِ پنجره ها ِ دربها ِ لوازم منزل ِ کانتینرها و سایر محصولات …
آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمی تواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al2o) بوسیله کاهش با کربن جدا شود.در عوض روش جدا سازی این فلز از طریق الکترولیز است.(این فلز در محلول اکسیده شده سپس بصورت 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 تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست . برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار می دادند و نقطه ذوب آن تا c900 کاهش می یافت.اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم ِ سدیم و فلوریدکلسیم جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانه ها هستند.
الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار می روند هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است یونهای آن آزادانه حرکت می کنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه است:
Al3++3e -Al
در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است(الکترونها 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.

ایزوتوپها

آلومینیوم دارای 9 ایزوتوپ است که عمده ترین آنها بین 23 تا 30 مرتب شده اند. تنها AL-27 «ایزوتوپ پایدار) و AL-26 (ایزوتوپ رادیو اکتیو) بطور طبیعی وجود دارند.AL-26 از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ می دهد تولید می شود. ایزوتوپهای آلومینیوم کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی ِ سختگاه منگنز ِ یخهای دوران یخبندان ِ کوارتز در صخره ها شهاب سنگها 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 بکار برده شده است.
AL-26«Cosmogenic) اوْطن بار در مطالعات ماه و شهاب سنگها بکار رفت. اجزاء شهاب سنگها 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 سنگها می شود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها موتر است.تحقِقات روی شهاب سنگها ثابت کرده AL-26 در زمان شکل گیری سیاره ما نسبتا به مقدار فراوان وجود داشته است. احتمالا انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی AL-26 ِ ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکل گیری آنها را 2-4 میلیارد سال پیش در پی داشته است.

تولید صنعتی آلومینیوم

آلومینیوم فلزی پرمصرف است که عنصر دوم از گروه سوم جدول تناوبی می‌باشد. آلومینیوم (Al) دومین عضو از گروه سوم جدول تناوبی ، فلزی است که در کشور ما تولید می‌شود و در میان عنصرهای فلزی هم گروه خود بیشترین اهمیت را دارد. آلومینیوم به حالت آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود، اما ترکیبهای آن فراوان است. آلومینیوم بعد از اکسیژن و سیلیسیم فراوان‌ترین عنصر در پوسته زمین است.

پیوند در ترکیبهای آلومینیوم

مهمترین کانی آلومینیوم ، بوکسیت است که ‌اکسید آلومینیوم آبپوشیده می‌باشد و برای تهیه فلز از این کانی استفاده می‌شود. چگالی بار (نسبت بار به شعاع) برای یون Al+3 به علت داشتن بار زیاد و کوچک بودن شعاع آن ، زیاد است. می‌دانیم که ‌الکترونها اعم از از اینکه پیوندی باشند یا به صورت زوج تنها ، پیوسته در فضایی که در اختیار دارند، در حرکت‌ هستند و اغلب ، الکترونها را به صورت ابری با بار منفی مجسم می‌کنیم.

این ابر بار می‌تواند بوسیله یک میدان الکتریکی که در مجاورت آن قرار دارد، از حالت کروی خارج شده، به سمت یک بار مثبت کشیده یا بوسیله یک بار منفی رانده شود. درجه سهولت واپیچش ابر الکترونی یک ذره را قطبش‌پذیری آن می‌نامند. قطبش‌پذیری اتمها یا یونهای کوچکتر کمتر از اتمها یا یونهای برزگتر است، زیرا در اتمها یا یونهای کوچکتر ، الکترونها به هسته نزدیکترند و اتصال آنها با هسته محکمتر است. آلومینیوم در ترکیبهای خود با از دست دادن هر سه ‌الکترون ظرفیت ، عدد اکسایش 3+ بدست می‌آورد.

اما یون Al+3 با توجه به ‌اندازه کوچک و بار زیادی که دارد، می‌تواند به راحتی باعث قطبش ابر بار هر آنیونی که با آن در تماس است، شود و آن آنیون را به سمت خود بکشد و در فضای بین یون آلومیینوم و آنیون ، ابر الکترونی قابل ملاحظه‌ای پدید می‌آید که نشانه‌ای از پیدایش خصلت کووالانسی در پیوند است. به ‌این ترتیب ، پیوند آلومینیوم با آنیونهایی نظیر -Br و -I که قطبش‌پذیری آنها بیشتر است، به صورت کووالانسی توصیف می‌شود. اثر قطبش یون Al+3 را روی هالیدها می‌توان با مقایسه خواص هالیدهای آلومینیوم دریافت.

اکسید آلومینیوم (Al2O3)

اکسید آلومینیوم را معمولا یک ترکیب یونی در نظر می‌گیریم، اما به علت قطبش‌پذیری یونهای اکسید بوسیله یونهای Al+3 پیوند آلومینیوم و اکسیژن تا حدودی خصلت کووالانسی دارد. برهمکنش الکتروستاتیک بین یونهای کوچک آلومینیوم و اکسیژن از یک طرف و پیدایش خصلت کووالانسی از طرف دیگر ، سبب شده که پیوند بین این یونها در اکسید آلومینیوم بسیار قوی باشد. این اکسید در دمای 205 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود و در آب نامحلول است. اکسید آلومینیوم در طبیعت به دو صورت آبپوشیده و بی آب یافت می‌شود. شکل آبپوشیده آن بوکسیت نام دارد. سنگ سنباده و «کوراندوم» شکل بی آب آن است.

کوراندوم جسمی ‌سخت و متبلور است و با جایگزین شدن مقدار کمی ‌از یونهای فلزهای واسطه به جای یونهای آلومینیوم در این بلور ، سنگهای قیمتی مانند یاقوت قرمز یا یاقوت کبود بدست می‌آید. یاقوت قرمز که در لیزر هم از آن استفاده می‌شود، شامل مقدار جزئی Cr+3 و یاقوت کبود شامل Fe+3 و (Ti(IV است. رنگ این سنگها ناشی از وجود این یونهای فلزات واسطه ‌است. از اکسید آلومینیوم به خاطر داشتن ساختاری پایدار و فوق‌العاده سخت در تهیه سیمان ، آجرهای دیرگداز کوره‌ها و سطح بی‌اثر کاتالیزور در کراکنیگ برشهای نفتی استفاده می‌شود.

استخراج آلومینیوم

آلومینیوم در صنعت بوسیله‌ الکترولیز اکسید آلومینیوم مذاب تهیه می‌شود. اکسید آلومینیوم از بوکسیت که ‌اکسید آلومینیوم آبپوشیده و ناخالص است، بدست می‌آید. ناخالصیهای بوکسیت بطور عمده ، هماتیت و سیلیس است. برای جداسازی آلومینیوم با توجه به خصلت بازی اکسید آهن (III) ، خصلت اسیدی «اکسید سیلسیم» (سیلیس) و خصلت آمفوتری اکسید آلومینیوم از سود سوزآور استفاده می‌کنند. اکسید آلومینیوم و سیلیس در محلول غلیظ سود حل می‌شوند. اکسید آهن (III) را بوسیله صافی جدا می‌کنند، سپس دی‌اکسید کربن را از محلول عبور می‌دهند. دی‌اکسید کربن با آب ، اسید ضعیف «اسید کربنیک» را تشکیل می‌دهد.

بدین ترتیب ، اکسید آلومینیوم رسوب می‌کند و یون سیلیکات در محلول باقی می‌ماند. اکسید آلومینیوم را در کریولیت مذاب (Na3AlF6) که دمای ذوب آن از اکسید آلومینیوم کمتر است، حل می‌کنند. دمای الکترولیت مذاب حدود 850 درجه سانتیگراد است. یون AL+3 در کاتد سلول الکترولیز که ‌از جنس گرافیت است، کاهش یافته، به صورت آلومینیوم مذاب در ته سلول جمع می‌شود. در آند نیز اکسیژن آزاد می‌شود. آند نیز از جنس گرافیت است. اکسیژن در دمای زیاد با کربن ترکیب شده ، اکسیدهای کربن تشکیل می‌دهد. از این رو ، آند می‌سوزد و هرچند مدت یک بار آن را تعویض می‌کنند.

موارد استفاده آلومینیوم

آلومینیوم یکی از فلزهای ساختمانی است و آن را با فلزهای مختلف به صورت آلیاژ در می‌آورند و در صنایع هواپیما سازی ، موتور اتومبیل و ساخت در و پنجره بکار می‌برند. همچنین ، آلومینیوم برای ساخت قوطی‌های نوشابه مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین آلومینیوم برای تولید فویلهای آلومینیومی ‌مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هزینه تولید آلومینیوم و مشکلات زیست محیطی

منابع آلومینیوم در طبیعت از منابع تجدیدناپذیر به شمار می‌آیند. به ‌این معنا که طبیعت راهی برای تولید مجدد این منبع ندارد. از طرف دیگر ، تولید آلومینیوم به مصرف الکتریکی بسیار زیادی نیاز دارد. با توجه به ‌اینکه آلومینیوم مصرفی سرانجام به صورت زباله به طبیعت راه پیدا می‌کند، مساله بازگردانی آلومینیوم از نظر حفظ محیط زیست حائز اهمیت و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه ‌است. مثلا هزینه لازم برای جمع‌آوری قوطی‌های نوشابه ، انرژی الکتریکی مصرفی برای ذوب این قوطی‌ها و ساخت مجدد آنها حدود 5 درصد هزینه ‌استخراج آلومینیوم از بوکسیت است. انجام این کار
 

به حفظ طولانی‌تر منابع بوکسیت

به حفظ منابع سوختهای فسیلی که باید برای تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز کارخانه‌های تولید آلومینیوم بکار رود.

به کاهش مواد آلاینده‌ای که در نتیجه ‌احتراق سوختهای فسیلی در فضا پراکنده می‌شوند.

و در نهایت به حفظ محیط زیست کمک می‌کند