ما هو الألومنيوم؟

والألومنيوم غير مغناطيسي وموصل ممتاز للكهرباء؛ كما يمكن تشكيله بسهولة في أشكال مختلفة عديدة، مما يوفر انعكاسًا للضوء بالإضافة إلى الحماية من الإشعاع ومقاومة التآكل.

يُستخرج الألومنيوم من خام البوكسيت، الذي سُمي بهذا الاسم نسبة إلى مكان اكتشافه في جنوب فرنسا، ويشكل حوالي 8 في المائة من القشرة الأرضية.

إنه معدن لين

الألومنيوم (يشار إليه عادةً بالإنجليزية في أمريكا الشمالية) هو عنصر يرمز له بالرمز Al والرقم الذري 13. والألومنيوم معدن ليّن وقابل للسحب يمكن سبكه وتشكيله آلياً وبثقه. ونظرًا لمقاومته للتآكل وخفة وزنه، فإن تطبيقاته في الصب والتشغيل الآلي والبثق تجعله مناسبًا تمامًا للعديد من الاستخدامات. وعلاوة على ذلك، فإن توصيلها الحراري والكهربائي يجعلها مناسبة بشكل خاص. وأخيراً، يتميز هذا العنصر غير المغناطيسي بنظير واحد مستقر فقط.

الألومنيوم، وهو ثاني أكثر المعادن وفرة على القشرة الأرضية، لم يتم إنتاجه تجارياً بكميات كبيرة بكميات تجارية إلا مؤخراً. يمكن العثور على الألومنيوم في العديد من الصناعات التي تصنع ملايين المنتجات المختلفة باستخدام الألومنيوم - من تطبيقات النقل والبناء حيث الوزن الخفيف والقوة أمران أساسيان، إلى السلع الاستهلاكية المعمرة مثل الأجهزة وأواني الطهي. وهو يلعب دوراً أساسياً في الاقتصادات العالمية كمورد اقتصادي رئيسي.

نادرًا ما يوجد الألومنيوم النقي في الطبيعة وغالبًا ما يجب دمجه مع عناصر أخرى لتكوين سبائك لها خصائص محددة. تشمل معادن السبائك الشائعة النحاس والمغنيسيوم والمنجنيز والسيليكون والقصدير؛ وتساعد هذه السبائك على تحسين القوة بالإضافة إلى إضافة خصائص أخرى مرغوبة مثل قابلية اللحام والتشغيل الآلي.

يتميز الألومنيوم بكثافته المنخفضة وصلابته المنخفضة مما يجعله معدنًا مثاليًا خفيف الوزن يتمتع بقوة شد وقابلية لحام متميزة، كما أنه قابل للسحب بدرجة كبيرة؛ مما يجعله مناسبًا للتشكيل في أنابيب أو زوايا. كما يعمل الألومنيوم أيضًا كموصل جيد للكهرباء والحرارة، مع خاصية الأخير المؤكسد لمقاومة التآكل؛ بالإضافة إلى أن طبيعته الطبيعية العاكسة تجعله مناسبًا لتطبيقات الإضاءة أو المرايا.

استخدمت البشرية مركبات الألومنيوم لعدة قرون، ولكن لم يصبح الألومنيوم متاحًا بسهولة أكبر كعنصر بحد ذاته إلا بعد الثورة الصناعية. استُخدم الألومين، المكون من البوتاس الشب (مركب كبريتات البوتاسيوم الألومنيوم)، منذ فترة طويلة كمثبت للصبغة والدواء؛ ويعود أصل اسمه إلى اللاتينية ألومين (التي تعني قلوي باللاتينية) ويستخدم اليوم على نطاق واسع في إنتاج معجون الأسنان والصابون؛ ولكن التركيزات المفرطة منه قد تتلف الخلايا وتغير وظيفة الأغشية بشكل كبير.

إنه معدن قوي

يعد الألومنيوم أحد أقوى المعادن المتاحة ويتميز بنسبة قوة إلى الوزن لا تصدق، فضلاً عن خصائصه الصحية الجيدة وعمليات إعادة التدوير التي تجعله أكثر استدامة. كما يتميز الألومنيوم أيضاً بخصائص مقاومة التآكل والتوصيل مما يجعله شائعاً في أدوات المطبخ وأضواء الشوارع وغيرها من التطبيقات الأخرى.

يتميز الألومنيوم بالليونة والقابلية للسحب، لذا يمكن تشكيله بسهولة في هياكل معقدة بأقل جهد ممكن نسبياً. علاوة على ذلك، توفر طبقة الأكسيد السطحية المتماسكة حماية من التآكل. وعلاوة على ذلك، تجعل هذه الطبقة المترابطة بإحكام الألمنيوم غير قابل للذوبان في الماء وثابتاً في الهواء؛ بالإضافة إلى أن قدراته في الصهر تجعل الألمنيوم مادة خفيفة الوزن للغاية وغير سامة ومناسبة للعديد من الاستخدامات.

على الرغم من أن الألومنيوم أضعف بشكل عام من الفولاذ، إلا أنه لا يزال بإمكانه تحمل قوة ووزن كبيرين دون أن يتشوه أو ينحني تحت الضغط. ولكن لسوء الحظ، فإن طبيعته اللينة تجعله عرضة للانبعاج والانبعاجات والخدوش بسهولة أكبر من نظيره الفولاذي.

يمتلك الألومنيوم النقي المخصص للاستخدامات التجارية قوة شد تبلغ 90 ميجا باسكال ويمكن تقويته أكثر من خلال الشغل على البارد. وعلاوة على ذلك، فإن خلطه بعناصر مثل النحاس والمنجنيز والسيليكون والحديد بنسب مئوية محددة يعزز من ليونة الألومنيوم بشكل أكبر، بينما تزيد عملية التقوية أثناء العمل من قوة السبائك.

يبلغ العدد الذري للألومنيوم 13 ويحتل المرتبة الثالثة على الأرض بعد الأكسجين والسيليكون من حيث الوفرة. وعلى الرغم من عدم وجود الألومنيوم بشكله المعدني بشكل طبيعي، إلا أن خواصه الكيميائية تسمح له بتكوين مركبات مثل الشب، الذي يستخدم في أنظمة تنقية المياه. ولم ينجح الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد حتى عام 1825 في إنتاج شكل غير نقي من خلال تفاعل كلوريد الألومنيوم اللامائي مع البوتاسيوم؛ وفي وقت لاحق من العام نفسه نجح فريدريك فولر في استخراج معدن الألومنيوم النقي.

إنه معدن خفيف

الألومنيوم هو أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض، حيث يتواجد بشكل طبيعي في الصخور والنباتات في كل من الكتل الأرضية والمسطحات المائية. وعلى الرغم من أن الألومنيوم لا يتواجد أبداً في حالته النقية في الطبيعة، حيث أنه يتحد بسهولة مع الأكسجين وعناصر أخرى لتكوين مركبات، مما يجعل هذا المعدن ليناً جداً ومطاطياً ومقاوم للتآكل وخفيف الوزن وموصل للكهرباء ومعدن غير حديدي يتمتع بأحد أعلى معدلات التوصيل الكهربائي المتاحة لتصنيع الصفائح والرقائق الرقيقة.

إن خفة وزن الألومنيوم وليونته تجعل منه مادة بناء متعددة الاستخدامات، حيث يمكن استخدامه في الهياكل الحاملة وغير الحاملة على حد سواء. وعلاوةً على ذلك، فإن قابليته للتشكيل تجعله شائعاً في صناعة الطائرات، وهياكل السيارات، والألواح والأسقف، والأواني والمقالي، وكذلك المنتجات الاستهلاكية مثل الأواني والمقالي. كما يمكن أن توفر سبائك الألومنيوم خصائص فريدة من نوعها مصممة خصيصًا لتطبيقات معينة.

يستخدم إنتاج الألومنيوم عادةً عملية باير، حيث يتم سحق صخور البوكسيت المسحوقة ورشها بالماء، مما يزيل جزيئات الطين والسيليكا قبل تجفيفها في الفرن وخلطها برماد الصودا والجير المسحوق لتكوين الألومينا.

ويُعد البوكسيت مادة خام وفيرة وفعالة من حيث التكلفة لإنتاج الألمنيوم، ومع ذلك تتطلب عملية الصهر عمليات كثيفة الطاقة تطلق غازات الدفيئة. ولذلك، تقع معظم مصاهر الألمنيوم العالمية في البلدان التي تتوفر فيها الكهرباء بوفرة؛ كما تم بناء العديد من مصاهر الألمنيوم على شواطئ البحيرات من أجل التقاط مياه البحر لاستخدامها في عملياتها من أجل خفض الانبعاثات مع تحسين الكفاءة في الوقت نفسه.

الألمنيوم معدن أبيض فضي اللون في المجموعة 13 من الجدول الدوري، ويشكل ثلث القشرة الأرضية من حيث الكتلة وثالث أكثر العناصر وفرة بعد الأكسجين والسيليكون. وعلى الرغم من وجود الألمنيوم طبيعياً كمعدن في حالته النقية، إلا أنه غالباً ما يشكل معادن مثل البوكسيت. يعد الألمنيوم أحد أكثر ثلاثة معادن غير حديدية انتشاراً على مستوى العالم وثالث أكثر العناصر وفرة.

إنه معدن مقاوم للتآكل

يتميز الألومنيوم بالعديد من الخصائص والتطبيقات المرغوبة في الصناعة. فهو أخف بثلاثة أضعاف من الحديد مع زيادة نسبة القوة إلى الوزن مع الحفاظ على مرونته ومتانته ومقاومته للتآكل وعدم قابليته للمغنطة وخصائصه الممتازة للتوصيل الكهربائي - ناهيك عن كونه أحد أقل المعادن المتاحة تجارياً تكلفة! وبفضل تعدد استخدامات الألومنيوم فإنه يُستخدم في الحاويات، وأواني الطهي، وعلب المشروبات، وأجسام الطائرات، وهياكل السيارات، وغيرها الكثير.

يمكن لمعدن الألمنيوم أن يتآكل عند تعرضه لبيئات معادية، حيث تساعد أيونات الهيدروجين في هذه العملية من خلال التفاعل مع جزيئات الأكسجين لتكوين أكسيد الألمنيوم. ومع ذلك، فإن هذا التفاعل قابل للانعكاس ويبقى السطح مستقراً ما لم يتجاوز تركيز الهيدروجين في المحلول مستويات معينة؛ وعندها يبدأ التآكل الشقوق ويترسب هيدروكسيد الألمنيوم من المحلول ويبدأ التآكل من تلقاء نفسه - المعروف باسم التآكل الشقوق.

يمكن أن يتعرض الألمنيوم للتآكل في مختلف الظروف البيئية، بما في ذلك المحاليل الحمضية والقلوية والكلوريد. عادةً ما يبدأ التآكل بسرعة في الشقوق أو الشقوق قبل أن يذوب في محلول كهربائي لتكوين هيدروكسيد الألمنيوم القابل للذوبان في الماء؛ وينتشر هذا النوع من التآكل بشكل خاص في البيئات البحرية ذات التركيزات العالية من الكلوريد.

ويحدث التآكل المنتظم في المنتجات التي تتعرض لبيئات حمضية أو قلوية قوية بشكل مستمر، أو عندما تتعرض أسطحها للخدش أو الكدمات وتعرض المادة الأساسية للإلكتروليتات؛ وغالبًا ما يؤدي هذا النوع من التآكل إلى التآكل الحفري أو التآكل التقشري (شكل تآكل بين الحبيبات).

يوجد الألومنيوم بوفرة في جميع أنحاء القشرة الأرضية، ولكنه لا يظهر بمفرده في الطبيعة. وبدلاً من ذلك، يتواجد الألومنيوم مع عناصر أخرى إما في صورة كبريتات ألومنيوم البوتاسيوم (KAl(SO4)212H2O) أو في صورة البوكسيت؛ وهذه الأخيرة عبارة عن صخور بنية مائلة إلى الحمرة تحتوي على خليط من هيدروكسيدات وأكاسيد الألومنيوم التي يتم استخراجها من الأرض ومعالجتها باستخدام عملية باير قبل تكريرها إلى ألومنيوم نقي لاستخدامها في تطبيقات مختلفة.