سبک، بادوام و کاربردی. جمع شدن این سه ویژگی در یک ماده به همین سادگی‌ها نیست. اما جالب است که بدانید آلومینیوم این سه را با هم دارد و همین سه ویژگی آن را به یک فلز منحصربه‌فرد و به یکی از مواد مهندسی کلیدی زمان ما تبدیل کرده است. شما از صبح که از خواب بیدار می‌شوید بارها و بارها این فلز را در اشکال مختلف مشاهده می‌کنید. در خانه، در اتومبیل‌ها، در قطارها و هواپیماها، در تلفن‌های همراه و کامپیوترهایی که هر روز استفاده می‌کنید، در قفسه‌های داخل یخچال‌ها، در وسایل مدرن و هزاران هزار کاربرد دیگر که نمی‌توان تمام آنها را یکجا نام برد. حال که به اهمیت این فلز پی بردید، در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی خواص، ویژگی‌ها، تاریخچه و کاربردهای آلومینیوم بپردازیم.
آلومینیوم چیست؟
آلومینیوم (به انگلیسی Aluminium) فلزی به رنگ سفید مایل به نقره‌ای، عنصر 13 جدول تناوبی است. یکی از واقعیت‌های شگفت انگیز در مورد آلومینیوم این است که گسترده‌ترین فلز روی کرۀ زمین است و بیش از 8 درصد از جرم هسته زمین را تشکیل می‌دهد. عدد 8 درصد واقعاً برای یک عنصر بسیار زیاد و شگفت انگیز است. همچنین سومین عنصر شیمیایی رایج در سیاره ما پس از اکسیژن و سیلیکون است. در عین حال، به دلیل اینکه به راحتی با سایر عناصر ادغام میشود، آلومینیوم خالص در طبیعت وجود ندارد.
به‌طور رسمی آلومینیوم برای اولین بار در سال 1824 تولید شد و پنجاه سال دیگر طول کشید تا مردم یاد بگیرند که آن را در مقیاس صنعتی تولید کنند.
رایج‌ترین شکل آلومینیوم موجود در طبیعت سولفات‌های آلومینیوم است. اینها مواد معدنی هستند که دو اسید سولفوریک را ترکیب می‌کنند: یکی بر اساس یک فلز قلیایی (لیتیوم، سدیم، پتاسیم روبیدیم یا سزیم) و دیگری بر اساس فلزی از گروه سوم جدول تناوبی، در درجه اول آلومینیوم. سولفات‌های آلومینیوم تا به امروز برای تمیز کردن آب، برای پخت و پز، در پزشکی، در آرایشی و بهداشتی، در صنایع شیمیایی و در بخش‌های دیگر استفاده میشود. به هر حال، آلومینیوم نام خود را از سولفات‌های آلومینیوم گرفته است که در لاتین آلومن (alumen) نامیده میشود. امروزه ما حدود 300 ترکیب مختلف آلومینیومی و مواد معدنی حاوی آلومینیوم را می‌شناسیم، از فلدسپات، یک ماده معدنی کلیدی روی زمین گرفته تا یاقوت سرخ، یاقوت کبود و زمرد که بسیار کمتر رایج هستند.
تعدادی از ترکیبات آلومینیوم کاربردهای صنعتی مهمی دارند. آلومینا که در طبیعت به صورت کوراندوم یافت میشود، به صورت تجاری در مقادیر زیاد برای استفاده در تولید فلز آلومینیوم و ساخت عایق‌ها، شمع‌ها و محصولات مختلف دیگر تهیه میشود. با گرم شدن، آلومینا ساختار متخلخلی ایجاد می‌کند که آن را قادر می‌سازد بخار آب را جذب کند. این شکل از اکسید آلومینیوم، که با نام تجاری آلومینای فعال شناخته میشود، برای خشک کردن گازها و مایعات خاص استفاده میشود. همچنین به عنوان یک حامل برای کاتالیزور واکنش‌های شیمیایی مختلف عمل می‌کند.
خواص آلومینیوم
آلومینیوم ترکیبی نادر از خواص ارزشمند را ارائه می‌دهد. آلومینیوم یکی از سبک‌ترین فلزات در جهان است: تقریباً سه برابر سبک‌تر از آهن است، اما همچنین بسیار قوی، بسیار انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر خوردگی است زیرا سطح آن همیشه در یک لایه بسیار نازک و در عین حال بسیار قوی از اکسید پوشیده شده است. مغناطیس نمی‌شود، یک رسانای الکتریسیته عالی است و عملاً با تمام فلزات دیگر آلیاژ می‌سازد.
آلومینیوم در مقادیر کم به فلزات خاصی اضافه میشود تا خواص آنها برای مصارف خاص بهبود یابد، مانند آلومینیوم برنز و بیشتر آلیاژهای پایه منیزیم. یا برای آلیاژهای پایه آلومینیوم، مقادیر متوسطی از فلزات دیگر و سیلیکون به آلومینیوم اضافه میشود. این فلز و آلیاژهای آن به‌طور گسترده برای ساخت هواپیما، مصالح ساختمانی، محصولات بادوام مصرفی (یخچال، تهویه مطبوع، ظروف پخت و پز)، هادی‌های الکتریکی و تجهیزات شیمیایی و فرآوری مواد غذایی استفاده میشود. آلومینیوم خالص (99.996 درصد) کاملاً نرم و ضعیف است. آلومینیوم تجاری (99 تا 99.6 درصد خالص) با مقادیر کمی سیلیکون و آهن سخت و محکم است.
مشخصات اصلی فلز آلومینیوم عبارتند از:
| عدد اتمی | 13 |
| وزن اتمی | 26.9815384 |
| نقطه ذوب (درجه سانتی‌گراد) | 660 |
| نقطه جوش (درجه سانتی‌گراد) | 2500 |
| تراکم (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | 2,70 |
| عدد اکسیداسیون | 3 |
| شعاع اتمی | 143,1 pm |
| شعاع یونی | 57 pm |
| نماد شیمیایی | Al |
آلومینیوم را می‌توان به راحتی با استفاده از فشار هم در زمان گرما و هم در زمان سرما پردازش کرد. آلومینیوم آتش نمی‌گیرد، نیاز به رنگ خاصی ندارد و برخلاف پلاستیک‌ها سمی نیست. همچنین بسیار انعطاف پذیر است، بنابراین می‌توان از آن ورق‌هایی با ضخامت تنها 4 میکرون و همچنین سیم نازک اضافی ساخت. فویل بسیار نازکی که از آلومینیوم ساخته میشود سه برابر نازکتر از موی انسان است. علاوه بر این، آلومینیوم نسبت به سایر فلزات و مواد مقرون به صرفه‌تر است.
از آنجایی که آلومینیوم به راحتی با سایر عناصر شیمیایی ترکیب میشود، انواع زیادی از آلیاژهای آلومینیوم توسعه یافته است. حتی مقدار بسیار کمی از مواد افزودنی می‌تواند خواص فلز را به شدت تغییر دهد و امکان استفاده از آن را در مناطق جدید فراهم کند. به عنوان مثال، در زندگی معمولی می‌توانید آلومینیوم مخلوط شده با سیلیکون و منیزیم را به معنای واقعی کلمه در جاده‌ها پیدا کنید، یعنی در چرخ‌های آلیاژی آلومینیومی، در موتورها، شاسی و سایر قسمت‌های خودروهای مدرن. در مورد آلیاژ آلومینیوم روی، این احتمال وجود دارد که در حال حاضر آن را در دستان خود بگیرید زیرا این آلیاژ است که به‌طور گسترده در تولید تلفن‌های همراه، رایانه‌های شخصی و تبلت استفاده میشود. در این میان، دانشمندان به توسعه آلیاژهای آلومینیوم جدید ادامه می‌دهند.
ساخت و ساز مدرن، خودروسازی، هوانوردی، انرژی، غذا و سایر صنایع، بدون آلومینیوم غیرممکن خواهد بود. علاوه بر این، آلومینیوم به نماد پیشرفت تبدیل شده است: تمام دستگاه‌ها و وسایل نقلیه پیشرفته از آلومینیوم ساخته شده اند.
آلومینیوم به دلیل وسعتِ کاربردی که دارد امروزه به نماد پیشرفت تبدیل شده است.
به نظر می‌رسد ترکیبی از کیفیت‌های ذکر شده در بالا برای تبدیل آلومینیوم به انتخاب برتر در صنعت کافی باشد، با این حال، ویژگی دیگری وجود دارد که به همان اندازه قابل توجه است: آلومینیوم را می‌توان بارها و بارها مورد استفاده مجدد قرار داد. هم آلومینیوم و هم آلیاژهای آن را می‌توان ذوب کرد و مجدداً استفاده کرد بدون اینکه به خواص مکانیکی آن آسیبی وارد شود. دانشمندان تخمین زده اند که 1 کیلوگرم قوطی آلومینیومی بازیافتی می‌تواند تا 8 کیلوگرم بوکسیت، 4 کیلوگرم فلوراید و تا 15 کیلووات ساعت برق صرفه‌جویی کند.
تاریخچه آلومینیوم
قبل از 5000 سال قبل از میلاد، مردم بین النهرین سفال‌های ظریفی از خاک رس می‌ساختند که عمدتاً از ترکیب آلومینیوم تشکیل شده بود و تقریباً 4000 سال پیش مصری‌ها و بابلی‌ها از ترکیبات آلومینیوم در مواد شیمیایی و دارویی مختلف استفاده می‌کردند.
آلومینیوم از روی آلوم نامگذاری شد که در لاتین به آن آلومن (alumen) می‌گویند. این نام توسط هامفری دیوی (Humphry Davy)، شیمیدان انگلیسی، تعیین شد که در سال 1808 متوجه شد که آلومینیوم را می‌توان با احیای الکترولیتی از آلومینا (اکسید آلومینیوم) تولید کرد، اما موفق به اثبات این نظریه در عمل نشد. درنهایت هانس کریستین اورستد از دانمارک در سال 1825 موفق شد این کار را بکند. با این حال ظاهراً او یک آلیاژ آلومینیوم با عناصر مورد استفاده در آزمایشات به جای آلومینیوم خالص تولید کرد. کارِ هانس کریستین توسط فردریش وولر، شیمیدان آلمانی، ادامه یافت که در 22 اکتبر 1827 شروع به کار کرد. تاریخچه آلومینیوم مسیری بسیار طولانی و پر فراز و نشیب به همراه دارد که مطالعه‌ی آن خالی از لطف نیست.
صرف نظر از اینکه آلومینیوم چقدر رایج است، اگر برق نبود، ممکن است برای همیشه پنهان بماند. کشف آلومینیوم زمانی ممکن شد که دانشمندان توانستند از الکتریسیته برای تجزیه ترکیبات شیمیایی به عناصر خود استفاده کنند.
تولید آلومینیوم
یکی دیگر از مواد معدنی نسبتاً رایج، بوکسیت، امروزه به عنوان ماده اولیه در تولید آلومینیوم استفاده میشود. بوکسیت یک کانی رسی است که شامل اصلاحات مختلفی از هیدروکسید آلومینیوم مخلوط با آهن، سیلیکون، تیتانیوم، گوگرد، گالیم، کروم، اکسیدهای وانادیم و همچنین کربنات‌های کلسیم، آهن و منیزیم سولفوریک است. به عبارت دیگر، بوکسیت معمولی، حاوی تقریباً نیمی از جدول تناوبی است. به هر حال، به دلیل بافت بوکسیت در حدود صد سال پیش، آلومینیوم اغلب به عنوان نقره به دست آمده از خاک رس شناخته می‌شد. برای تولید 1 تن آلومینیوم به‌طور متوسط 4 تا 5 تن بوکسیت مورد نیاز است.
در مرحله اول تولید آلومینیوم بوکسیت به آلومینا یا اکسید آلومینیوم Al2O3 تبدیل میشود. آلومینا شبیه پودر سفید است و سپس در کارخانه‌های ذوب آلومینیوم با استفاده از احیای الکترولیتی به آلومینیوم تبدیل میشود.
تولید آلومینیوم به مقدار زیادی برق، حدود 15 مگاوات ساعت در هر تن خروجی نیاز دارد. این تقریباً به اندازه مصرف یک بلوک 100 آپارتمانی در ماه است. بنابراین بهترین سایت برای یک کارخانه ذوب آلومینیوم در کنار یک منبع انرژی قدرتمند و ترجیحاً تجدیدپذیر است. نیروگاه‌های برق آبی بهترین گزینه هستند زیرا قدرتمندترین منابع انرژی سبز موجود امروزی هستند.
جمع‌بندی
آلومینیوم انعطاف پذیر و بسیار چکش خوار است، چگالی این فلز فقط یک سوم آهن یا مس است. اگرچه آلومینیوم از نظر شیمیایی فعال است، اما در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. این فلز رسانای عالی گرما و الکتریسیته است و به آرامی توسط اکثر اسیدهای رقیق مورد حمله قرار گرفته و به سرعت در اسید هیدروکلریک غلیظ حل میشود. به‌طور کلی کاربردهای زیادی برای فلز آلومینیوم در صنایع مختلف تعریف شده به شکلی امروزه آن را نماد پیشرفت بشریت می‌دانند.
پرسش و پاسخ
آلومینیوم از چه ساخته شده است؟
ترکیبات آلومینیوم در اکثر انواع سنگهای رایج از جمله خاک رس، تخته سنگ، شیل، گرانیت و آنورتوزیت یافت میشود. مهمترین سنگ معدن آلومینیوم بوکسیت است، سنگی حاوی حدود 52 درصد اکسید آلومینیوم با ناخالصیهای اکسید آهن، سیلیس و تیتانیا.
آلومینیوم چگونه تولید می شود؟
سالانه حدود 390 میلیون تن سنگ بوکسیت در جهان تولید میشود که 85 درصد آن برای ساخت آلومینیوم استفاده میشود. بوکسیتها سنگهایی هستند که از اکسیدهای آلومینیوم به همراه سایر مواد معدنی تشکیل شدهاند و منبع اولیه آلومینیوم در جهان هستند. پس از استخراج، بوکسیت به آلومینا تصفیه شده و سپس به آلومینیوم تبدیل میشود.