الالمنيوم وتاريخه العريق في الصناعات الكبيرة

 

18 جمادى الأولى 1433 - 11/04/2012

تعتبر صناعة الالمنيوم من الصناعات الاساسية والمهمة وذات الطابع التجاري المهم من حيث دخولها بجميع مجالات الحياة الخدمية، كالمطابخ والشبابيك والابواب والاواني اضافة الى الصناعات الكبيرة مثل الطائرات وغيرها من الاجهزة الاخرى.

حيث تشتهر العديد من الدول العربية والاوربية بهذه الصناعة وتعتبر الصناعة الاساسية والتي تقوم بتصديرها الى العديد من دول الجوار، لما فيها من استثمار طيب ودخل عالي المستوى، فقد اشتهرت ومنذ قديم الزمن بلاد فارس بأضافة مادة الألومينا إلى الأوعية المصنوعة من الطين قبل 7000 سنة مضت، كما استعمل قدماء المصريين مواد الألمنيوم في الطب وفي صناعة مواد التجميل. وفي بدايات القرن الثامن عشر تم للمرة الأولى إنتاج كمية صغيرة من الألمنيوم النقي، حيث اعتبر هذا المعدن الجديد أكثر قيمةً من الفضة والذهب والبلاتينوم نظراً لندرته في ذلك الوقت. وفي وقتنا الحاضر ما زال معدن الألمنيوم ذو قيمة كبيرة بفضل استعمالاته الواسعة وتطبيقاته المتنوعة مقارنةً بغيره من المعادن.

استخراجه

يستخرج الألمنيوم من خام البوكسيت المتواجد بكثرة في الرواسب السطحية للقشرة الأرضية الغنية بأكسيد الألمنيوم. ويتم استخراج رواسب البوكسيت بطريقة التعدين المكشوف. ويمر البوكسيت بعدة مراحل وصولاً لشكله النهائي النقي. وتستخدم طريقة Bayer لفصل أكسيد الألمنيوم (الألومينا) من خام البوكسيت على شكل مسحوق أبيض. ثم يتم فصل الألمنيوم الموجود في مسحوق الألومينا عن الأكسجين خلال عملية تسمى الاختزال بالتحليل الكهربائي أو الصهر حيث تتم إذابة الألومينا في الكريوليت المنصهر في درجة حرارة عالية تصل إلى 1000 درجة مئوية داخل خلايا الصهر المبطنة بالكربون باستخدام تيار كهربائي قوي. وحيث أن الألمنيوم المنصهر أثقل وزناً من الكريوليت فإنه يترسب في قاع خلايا الصهر حيث يتم سحبه و تفريغه في أوعية خاصة تسمى بوتقات ويتم ذلك على فترات منتظمة. تضاف بعض الفلزات الأخرى إلى الألمنيوم المنصهر ثم يتم تنقيته وصبه في قوالب ذات أشكال مختلفة حسب الاستخدامات الخاصة التي يحددها العملاء.

خواصه

للالمنيوم فلز خفيف الوزن، ومتين، وذو مظهر يتراوح بين الفضي والرمادي الداكن بحسب خشونة السطح. والألومنيوم غير ممغنط، وهو غير ذواب في الكحول، مع أنه يذوب في الماء في أشكال محددة. جيد التوصيل للحرارة والكهرباء. مقاومة الخضوع للألومنيوم النقي هي 7-11 ميغا باسكال، في حين أن سبائك الألومنيوم ذات مقاومة خضوع تتراوح من 200 إلى 600 ميغاباسكال و للألومنيوم نحو ثلث كثافة وجساءة الفولاذ. فهو مطيلي، وسهل التشغيل، والسباكة، والبثق. وهو قابل للسحب ووللطرق حيث يمكن قولبته بشكل سهل نسبياً.

تعود قدرة الألومنيوم الممتازة على مقاومة التآكل إلى الطبقة السطحية الرقيقة غير النفوذة والمتماسكة من أكسيد الألومنيوم التي تتشكل عندما يتعرض الفلز للهواء، مما يمنع استمرار عملية الأكسدة. أقوى سبائك الألومنيوم تكون أقل مقاومة للتآكل بسبب التفاعلات الجلفانية مع سبائك النحاس وهذه المقاومة للتآكل عادة ماتنخفض انخفاضا كبيرا عندما يوجد عدة محاليل ملحية، لا سيما بوجود معادن مختلفة تترتب ذرات الألومنيوم في بنية مكعب متمركز الوجوه (fcc).

ويعتبر الألومنيوم أحد المعادن القليلة التي تحافظ على انعكاسها الفضي الكامل عندما تكون بشكل مسحوق دقيق، مما يجعله مكونا هاما جدا في الطلاءات الفضية. ومرآة الألومنيوم ذات أعلى انعكاس من أي معدن عند أطوال موجات (200-400 نانومتر) (في مجال الأشعة فوق البنفسجية) وعند 3000- 10000 نانومتر (في مجال الأشعة تحت الحمراء)، في حين أن القصدير والفضة تتفوق عليه في مجال الضوء المرئي 400-700 نانومتر كما أن الفضة والذهب والنحاس تتفوق عليه في مجال الطول الموجي 700*3000.[4]

كما يكون الألومنيوم هو موصل جيد للحرارة والكهرباء، ووزنه أقل من النحاس. يمكن للألومنيوم أن يكون موصلا فائقا، مع درجة حرارة حرجة للتوصيل الفائق 1.2 كلفن، ومجال مغناطيسي حرج حوالي 100 غاوس..

وجوده في الطبيعة

الألمنيوم هو من أكثر العناصر الفلزية توافراً في القشرة الأرضية بعد الأكسجين والسيليكون بنسبة مقدارها 8.3%. لا يواجد فلز الألومنيوم في الطبيعة بشكله النقي الحر، ويعود ذلك إلى إلفته القوية للأوكسجين، فيكون في الأكاسيد أو السيليكات. الفلسبار، وهى أكثر مجموعات الفلزات شيوعا في القشرة الأرضية، هي سيليكات الألومنيوم. يمكن لمعدن الألومنيوم الأصلي أن يوجد كحالة ثانوية في البيئات منخفضة الأكسجين، مثل داخل بعض البراكين. كما يوجد أيضا في فلزات البريل، والكرايوليت، والغارنيت، والإسبينل، والفيروز الشوائب في أكسيد الألومنيوم، مثل الكروم أو الكوبالت تعطي الأحجار الكريمة مثل الياقوت. أكسيد الألومنيوم النقي والمعروف باسم الكوروند، هو أحد أقسى المواد المعروفة على الإطلاق.

ومع أن الألومنيوم هو عنصر شائع ومنتشر وعلى نطاق واسع، إلا أن فلزات الألومنيوم لا تعتبر مصادرا اقتصادية للمعدن. فكل معدن الألومنيوم تقريبا ينتج من معدن خام البوكسيت AlOx(OH)3-2x. يوجد البوكسيت نتيجة التجوية أديم الأرض التي تحتوي على نسبة قليلة من الحديد والسيليكا في ظروف مناخية مدارية. وتوجد كميات كبيرة من البوكسيت في أستراليا، والبرازيل، وغينيا، وجامايكا ولكن مناجم المعدن الخام الرئيسية هي في غانا، واندونيسيا، وجامايكا، وروسيا، وسورينام. ويصهر المعدن الخام أساسا في أستراليا والبرازيل وكندا والنرويج وروسيا والولايات المتحدة. ونظرا لأن عملية الصهر هي عملية كثيفة الاستخدام للطاقة، فإن المناطق التي يزيد فيها إمدادات الغاز الطبيعي (مثل دولة الإمارات العربية) أصبحت أماكن تكرير للألومنيوم.

حالة الأكسدة

قواعد فاجان تظهر أن الكاتيون البسيط ثلاثى التكافؤAl3+ غير متوقع أن يوجد في الأملاح غير السائلة أو المركبات binary مثل Al2O3.الهيدروكسيد يعتبر قاعدة ضعيفة وأملاح الألومنيوم للأحماض الضعيفة, مثل الكربونات، لايمكن تحضيرها.أملاح الأحماض القوية، مثل النترات تكون مستقرة وتذوب في الماء، تشكل هيدرات مع على الأقل ستة جزيئات من الماء في التبلور.

هيدريد الألومنيوم AlH3)n) يمكن أن ينتج من ثلاثى ميثيل الألومنيوم ومزيد من الهيدروجين.وهى تحترق بفرقعة في الهواء.يمكن أن تحضر أيضا بفعل كلوريد الألومنيوم على هيدريد الليثيوم في محلول ايثيرى, ولكن لايمكن ان تعزل حرة من المحلول.هيدرات-الألومينو لمعظم العناصر موجبة الشحنة معروفة, وأكثرها فائدة هو lithium aluminium hydride ,Li[AlH4].انها تتحلل إلى هيدريد الليثيوم والألومنيوم والهيدروجين عند تعرضها للحرارة ،وتتميأ بالمياه.لها استخدامات كثيرة في الكيمياء العضوية، وخاصة كعامل مختزل.فإن هاليدات الألومينو لها هيكل متشابه.

هيدروكسيد الألومنيوم يمكن إعداده كراسب جيلاتيني بإضافة الأمونيا إلى محلول مائي من ملح الألومنيوم.ويجرى في وسط الغلاف الجوى العادى, باعتباره حمض ضعيف جدا, ويكون الألومينات مع الالكيلات.هي موجودة في مختلف أشكال بلورية.

كربيد الألومنيوم Al4C3 يمكن تحضيره بتسخين خليط من العناصر فوق 1000 °C. البلورات ذات اللون الأصفر الباهت لها شكل شبكى, وتتفاعل مع الماء أو الأحماض المخففه لكى تعطى الميثان.فإن acetylide، لو 2 (ج 2) 3، ويتم عن طريق تمرير الأسيتيلين أكثر من الألومنيوم ساخنة.

نيتريد الالومينيوم. AlN, يمكن ان يحضر من العناصر عند درجة حرارة 800 °C.فوسفيد الألمنيوم، AlP, يحضر بالمثل, والتحلل المائى يعطى فوسفين، أكسد الالومنيوم, Al2O3، يحدث في الطبيعة ككوراندوم, ويمكن أن يحضر عن طريق حرق الالومنيوم في الأكسجين أو عن طريق تسخين الهيدروكسيد, النيتريت أو الكبريت.وباعتبارها أحجار كريمة, فان صلابتها يتعداها الماس, نيتريد البورون, والكربوراندوم فقط.وهى إلى حد كبير لاتذوب في الماء.كبريتيد الالومنيوم, Al2S3، يمكن تحضيره عن طريق تمرير كبريتيد الهيدروجين على مسحوق الألومنيوم.وهو متعدد الأشكال.

يوديد الألومنيوم، AlI3, يعتبر ديمر وله تطبيقات في التخليق العضوى.فلوريد الألومنيوم, AlF3، يمكن تحضيره بمعالجة الهيدروكسيد مع HF، أو يحضر من العناصر.وهو يتألف من جزيء عملاقالذي يتبخر دون ذوبان في 1291 °C. وهو خامل جدا.وثلاثى الهاليدات الأخرى تكون ديمر, ولها تركيب يشبه الكوبرى.فلوريد الألومنيوم / مجمعات المياه : عندما فلوريد الألومنيوم، ومعا في محلول مائي، بسهولة شكل أيونات معقدة مثل نواف ه 2 أ) 5 +2، نواف 3 (ح 2 م) 3 0، نواف 6 -3. هذه، نواف 6 −3 هو أكثر استقرارا. وتفسير ذلك هو أن الفلوريد والألومنيوم، واللذان يعتبران أيونات متلاصقة, يتداخلوا مع بعضهم مباشرة ليكونوا مركب معقد هو ثمانى ألومنيوم سداسى الفلورايد.عندما يكون الألومنيوم والفلورايد مجتمعين في الماء بنسبه مولاريه 6:1، يكون AlF6−3 أكثر صيغة شائعه، حتى عند نقص التركيزات نوعا ما.

المركبات العضوية-الفلزية للصيغة التجريبية AlR3 تكون موجودة (اذا لم يكونوا جزيئات عملاقة) ويكونوا على الاقل ثنائىة الجزيئات أو ثلاثية الجزيئات.لديهم بعض الاستخدامات في التخليق العضوي، على سبيل المثال.على سبيل المثال ثلاثى ميثيل الألومنيوم.

الاستخدام العام

الألومنيوم هو الأكثر استخداما من المعادن غير الحديدية العالمية لإنتاج الألمنيوم في عام 2005 كان 31.9 مليون طن. وهو تعدى أى معدن اخر إلا الحديد (837.5 مليون طن) والالومنيوم النقى أخذ في الاعتبار فقط عنما كانت مقاومة الصدأ و/أو قابيليته للشغل عليه أهم من القوة والصلابة.وهناك طبقة رقيقة من الألومنيوم يمكن أن تترسب على سطح مستوى بواسطة ترسيب البخار الفيزيائى أو (نادرا جدا) ترسيب البخار الكيميائى أو أى وسائل كيميائية أخرى لتكوين الطلاءات المرئية والمرايا.وعندما تترسب, فان فيلم الألومنيوم النقى والجديد يستخدم كعاكس (حوالى 92%) للضوء المرئى وعاكس ممتاز (فوق 98%) للأشعة تحت الحمراء المتوسطة والبعيدة.

الألمنيوم النقي له قوة شد منخفضة, ولكن عند اختلاطه بمعالجة حرارية- ميكانيكية، فان سبائك الالومنيوم تظهر تحسن كبير في الخصائص الميكانيكية, خصوصا عندما تسخن.سبائك الألومنيوم من المكونات الحيويه من الطائرات والصواريخ نتيجة لنسبة قوتهم العاليه إلى وزنهم.الألومنيوم يون سبائك ع الفور مع العديد من العناصر مثل النحاس والزنك والمغنيسيوم والمنغنيز والسيليكون (على سبيل المثال (ديورالومين).اليوم، معظم المواد المعدنية التي يشار إلى انها قريبة جدا مثل الالومنيوم, هي فعلا السبائك.على سبيل المثال، عام الألومنيوم احباط ق هي سبائك من 92 ٪ إلى 99 ٪ من الألمنيوم.

بعض من استخدامات معدن الألومنيوم العديده في :

1.النقل (العربات والطائرات والشاحنات، والسكك الحديدية والسيارات، والسفن البحرية، والدراجات وغيرها) كورقة، وأنابيب، والمسبوكات الخ

2.التعبئة والتغليف (علب، ورق فويل، وما إلى ذلك)

3.البناء (النوافذ، الأبواب، والتحويلات، وأسلاك البناء، وما إلى ذلك)

4.مجموعة كبيرة من الأدوات المنزلية، من أواني الطهي إلى مضرب البيسبول، والساعات {76}، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة (أبل).

5.أعمدة إنارة الشوارع، وصارى السفن، وأقطاب المشي الخ

6.المستويات الخارجية من الإلكترونيات المستهلكة, وفى حالات المعدات أيضا مثل معدات التصوير.

7.خطوط بث الكهرباء لتوزيع الطاقة.

الألومنيوم فائق النقاء (، 99.980 ٪ 99.999 ٪ Al)، وتستخدم في مجال الإلكترونيات والأقراص المدمجة.

المغاسل الحرارية للالأجهزة الإلكترونية مثل الترانزستور ووحدات المعالجة المركزية.

المادة الأصلية للمعدن لالرئيسى تغطى النحاس بطبقة رقيقة تستخدم في شدة الاضاءة العالية لضوء LED.

مسحوق الألمنيوم يستخدم في الطلاء، والصناعات النارية مثل وقود الصورايخ الصلبة والثيرميت.