ما هو الألومنيوم؟

يعد الألومنيوم أحد أكثر المعادن غير الحديدية استخدامًا في العالم، بدءًا من علب الصودا إلى مصدات السيارات، كما أنه يتميز بخصائص طبية.

البوكسيت، وهو معدن مستخرج من المناجم، هو المصدر الرئيسي لأكسيد الألومنيوم. وتستخرج هذه العملية، التي تسمى "صهر البوكسيت"، هذا الأكسيد من خامه.

إنه عنصر طبيعي

يُعد الألومنيوم أحد أكثر العناصر وفرةً، فهو موجود في العديد من المنتجات التي تتراوح بين علب المشروبات والرقائق المعدنية وأواني المطبخ وإطارات النوافذ ومكونات الطائرات. وتتميز خواص الألومنيوم بالليونة وخفة الوزن والليونة ومقاومة التآكل والخصائص غير السامة التي تجعله اقتصاديًا ومتعدد الاستخدامات - حيث يسهل تشكيله في أشكال معقدة عن طريق الصب أو التشغيل الآلي؛ كما أن قابليته للطرق تجعله يحتل المرتبة الثانية من بين جميع المعادن بينما تحتل ليونة الألومنيوم المرتبة السادسة من بينها جميعًا؛ بالإضافة إلى قدرته على الاندماج بسهولة لتشكيل مجموعة متنوعة من السبائك وتشكيل سبائك جديدة من معادن أخرى مما يجعل الألومنيوم أحد أكثر العناصر الموجودة اليوم تنوعًا!

يبلغ العدد الذري للألومنيوم 13 ويمكن العثور عليه في الدورة الثالثة عشرة من الجدول الدوري. وباعتباره معدن ما بعد الدورة الدورية مع ثلاثة إلكترونات تكافؤ، فإن الألومنيوم متفاعل كيميائياً وصلب تماماً في درجة الحرارة المحيطة؛ وتسمح له موصلية الألومنيوم بتلبية احتياجات الحرارة والكهرباء بكفاءة؛ وعلاوة على ذلك فهو عازل جيد ضد التآكل؛ ويبدو الألومنيوم النقي ناعماً وفضياً ويقاوم بشكل طبيعي التأكسد بالهواء ليشكل طبقات أكسيد واقية فوق سطحه.

كان الألمنيوم موجوداً منذ اكتشافه في مصر القديمة وبلاد ما بين النهرين، وكان يُستخدم في الأصباغ ومواد التلميع لتحسين اللون. وقد كتب بليني الأكبر عن استخداماته في موسوعته منذ عام 2 ميلادي.

على الرغم من أن الألومنيوم كان معروفًا للعلماء منذ فترة طويلة، إلا أن استخراجه بكميات كبيرة لم يبدأ حتى القرن التاسع عشر. فقد أنتج هانز كريستيان أورستد كميات صغيرة في عام 1825 عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول كبريتات ألومنيوم البوتاسيوم باستخدام التحليل الكهربائي، وأطلق همفري ديفي في البداية اسم "الألومنيوم" على هذا العنصر الجديد قبل أن يغيره لاحقًا إلى الألومنيوم، وفي نهاية المطاف في عام 1925 قبلت الجمعية الكيميائية الأمريكية رسميًا هذا الاسم لهذا المعدن.

لا يوجد الألمنيوم بشكل طبيعي كعنصر، بل يمكن العثور عليه مرتبطاً بعناصر أخرى في المعادن والصخور مثل خام البوكسيت المستخرج منه. يعتبر الألمنيوم النقي تفاعلياً للغاية بحيث لا يمكن استخدامه في الطبيعة، لكنه يتحد بسهولة مع الأكسجين والعناصر الأخرى الموجودة في القشرة الأرضية.

إنه معدن

الألومنيوم، الذي يبلغ عدده الذري 13، هو أحد العناصر الثلاثة الأكثر وفرة على الأرض. وبفضل كثافته المنخفضة وخصائصه الميكانيكية الممتازة ومقاومته للتآكل، يُستخدم الألومنيوم على نطاق واسع سواء في الصناعة أو كجزء من المنتجات المنزلية أو الأدوات المنزلية مثل المركبات والقطارات والطائرات.

من الصعب الحصول على الألومنيوم النقي في الطبيعة لأنه يتفاعل مع الأكسجين لتكوين مركب الألومينا، لذا يتطلب استخراج الألومنيوم استخراج البوكسيت من الأرض ومعالجته بكسارات البوكسيت قبل أن يتم سحقه وخلطه مع الطين والسيليكا لتسخينه في فرن قبل تصفيته في النهاية لتكوين أكسيد الألومنيوم المنصهر الذي يُستخدم كمواد خام لمنتجات مختلفة.

يمكن بعد ذلك إنتاج الألومنيوم النقي بعد إصلاحه من الألومنيوم. لا يحتوي هذا الشكل على أي عناصر من السبائك ومستويات منخفضة من الملوثات؛ ويمكن العثور عليه في العديد من السبائك بما في ذلك الألمنيوم المكسو. يعتبر الألمنيوم النقي عنصراً مهماً في تغليف المواد الغذائية وأواني الطبخ ويستخدم أيضاً على نطاق واسع في صناعات السيارات والفضاء نظراً لخصائصه التي تتميز بخفة الوزن والقوة.

يوجد ما يصل إلى 100 سبيكة ألومنيوم مختلفة، كل منها مصممة لتلبية متطلبات صناعية محددة. وهي تتراوح ما بين السبائك المعالجة حرارياً والقابلة للحام، من خلال عمليات المعالجة الحرارية، وتطبيقات اللحام أو طرق المعالجة غير الحرارية؛ وتبدأ جميعها كالبوكسيت المعالج بهذه الطريقة وفي النهاية تتضمن عناصر السيليكون والمغنيسيوم لتشكيل سبائك أقوى قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية؛ ومن بين هذه السبائك 6xxx و7xxx التي غالباً ما توجد في إنتاج الطائرات التجارية.

يعد الألومنيوم معدنًا مرنًا بشكل لا يصدق، وله استخدامات في مجالات النقل والتشييد والبناء والتصنيع والفضاء. إن سهولة التعامل مع الألومنيوم ومقاومته للتآكل وخصائصه الخفيفة الوزن تجعله مثاليًا لاستخدامه في المركبات لتقليل استهلاك الوقود وانبعاثات الكربون؛ وتشمل استخدامات تغليف المشروبات/الأغذية مواد تسقيف النوافذ الجانبية بينما تجعله خصائصه الخفيفة الوزن مناسبًا أيضًا لتصنيع مكونات الطيران.

إنها سبيكة

الألومنيوم عنصر يمكن دمجه مع عناصر أخرى لتكوين سبائك، وتلعب هذه السبائك دورًا أساسيًا في الحياة الحديثة، بدءًا من علب الصودا والطائرات إلى السيارات وعلب الصودا. إن ملمس الألومنيوم الناعم وقلة قوته يجعلانه غير مناسب لبعض التطبيقات؛ ولكن عند خلطه مع معادن أخرى يصبح أقوى بكثير. وإحدى هذه السبائك، 7075، تحظى بشعبية كبيرة بين المصنوعات العسكرية بسبب نسبة قوتها إلى وزنها مقارنةً بالفولاذ؛ بالإضافة إلى أنها توفر مقاومة فائقة للتعب وقابلية التشغيل الآلي مما يجعلها خياراً ممتازاً. كما تتميز سبائك الألومنيوم الأخرى مثل السلسلة 6000 بخصائص مذهلة للقوة/مقاومة التآكل أيضاً.

كجزء من عملية إنتاج الألومنيوم، يجب أولاً إزالة الشوائب من مادة البوكسيت الخام باستخدام محاليل كيميائية لإذابتها. وبمجرد الانتهاء من هذه الخطوة، يمكن بعد ذلك فصل الألومنيوم وصهره في فرن ينتج عنه سبيكة يمكن معالجتها من خلال الدرفلة أو البثق أو الصب في صفائح للاستخدام مرة أخرى.

يمكن تقوية السبائك من خلال الشغل على البارد، وإضافة السبائك والمعالجة الحرارية. يمكن إضافة مواد مضافة مثل السيليكون والمغنيسيوم لتحسين المتانة وخصائص الصب ومقاومة التآكل في السبيكة.

يمكن تصنيف جميع سبائك الألومنيوم المشغول بناءً على عناصر السبائك الموجودة وكمياتها. يحدد الرقم الأول من أرقام تسميتها عائلة السبائك بينما يشير الرقمان الأخيران إلى محتوى الشوائب. ويمكن أيضًا تقسيمها أيضًا بناءً على عناصر السبائك الرئيسية المستخدمة وكمياتها، ثم تقسيمها بناءً على درجات العناصر المستخدمة.

إن الثقل النوعي المنخفض للألومنيوم يجعله أخف بكثير من حيث الحجم من معظم المعادن الأخرى، مما يجعله أبسط وأرخص بكثير في المناولة والنقل مقارنةً بالعديد من المعادن الأخرى. وعلاوة على ذلك، وبفضل توصيله للكهرباء ومقاومته الممتازة ضد التآكل والتآكل في الغلاف الجوي، فإن له العديد من التطبيقات الصناعية، مثل السيارات والطائرات ومشاريع البناء الشاهقة.

إنه منتج نفايات

يُعد الألومنيوم مادة مفيدة للغاية، حيث يوجد في المباني والمواد الاستهلاكية المعمرة (مثل الثلاجات وأواني الطهي) والموصلات الكهربائية وتطبيقات مواد البناء. يتيح تعدد استخدامات الألمنيوم إمكانية استخدامه على نطاق واسع: في مواد البناء، والمواد الاستهلاكية المعمرة (مثل الثلاجات وأواني الطبخ)، والموصلات الكهربائية، وغالباً ما يتم إضافة كميات معتدلة من المعادن الأخرى والسيليكون لتعزيز خصائصه في تطبيقات محددة؛ حتى أن الألمنيوم يستخدم في بناء الطائرات وفي المركبات لتخفيف الوزن - بما في ذلك السيارات والدراجات الهوائية والطائرات. كما يمكن العثور عليه في عبوات تغليف المواد الغذائية بالإضافة إلى عبوات المواد الغذائية والمشروبات والرقائق المعدنية التي تستخدم خواصه.

غالبًا ما تُستخدم سبائك الألومنيوم، التي تتكون من خلائط تجمع بين الألومنيوم ومعادن أخرى، لقوتها وصلابتها ومتانتها بالإضافة إلى كونها أسهل في التشكيل من المعادن مثل الفولاذ والنحاس. ونظرًا لهذه الفوائد، يُعتبر الألومنيوم مادة جذابة في المنتجات التي تتطلب عبوات خفيفة الوزن مثل علب الصودا.

ينطوي إنتاج الألومنيوم على عملية معقدة تشمل تعدين خام البوكسيت وتكريره لإنتاج الألومينا، قبل صهره لصنع الألومنيوم. يمكن أن يكون تعدين البوكسيت ملوثاً للغاية ويخلق نفايات كبيرة؛ وعلاوة على ذلك، قد تتسبب المعالجة المكثفة للطاقة للبوكسيت في حدوث انهيارات في السدود التي تطلق الطين الأحمر السام في الأنهار الحية مما يؤدي إلى تسرب المياه.

على الرغم من أن الألومنيوم لا يوجد بشكل طبيعي في أنقى صوره، إلا أنه يوجد في جميع أنحاء القشرة الأرضية في أشكال مختلفة ويمثل حوالي 81 تيرابايت 3 تيرابايت من كتلتها. ولكن نظرًا لخصائصه التفاعلية العالية، لا يمكن العثور على أشكاله النقية بسهولة نظرًا لسهولة ارتباط الأكسجين به.

يوجد الألومنيوم على هيئة كاتيون سداسي أكوا Al3+ في المحاليل المائية ويمكن إذابته لتكوين هيدروكسيد الألومنيوم، Al(OH)3، في المحاليل الحمضية، بينما يظل قابلاً للذوبان في المحاليل القلوية حتى الرقم الهيدروجيني = 10، حيث يترسب في صورة الألومنيوم المعدني.

الألومنيار هو منتج ثانوي خطير لصناعة صهر الألومنيوم الأولي، ويتكون من جميع مواد تبطين الخلايا المتبقية في مصهر الألومنيوم مثل الكربون الجانبي وكربيد السيليكون، ومواد حرارية سفلية، ومواد العزل المتبقية من عمليات إزالة بطانة الأواني في جميع أنحاء العالم. ويظل التخلص السليم من هذه المواد أحد أكبر التحديات البيئية التي تواجهها مصاهر الألومنيوم الأولية العالمية اليوم.