مقاله عمومی
۳۰ مهر ۱۳۹۳

آلومینیوم

آلومینیوم چیست:
 
آلومينيوم عنصرشيميايي است که درجدول تناوبي داراي علامت AL وعدداتمي 13 مي باشد . آلومينيوم که عنصري نقره اي و انعطاف پذير است عمدتأ به صورت سنگ معدنبوکسيت يافت مي شود و از نظرمقاومتي که در برابراکسيدا سيون دارد همچنين وزن و قدرت آن قابل توجه است. آلومينيوم در صنعت براي توليد ميليونها محصول مختلف به کار مي رود و درجهان اقتصاد عنصر بسيار مهمي است. اجزاي سازه هايي که از آلومينيوم ساخته مي شونددر صنعت هوانوردي و ساير مراحل حمل و نقل بسيار مهم هستند نِيز سازه هايي که در آنها وزن ِ پايداري و مقاومت لازم است وجود اين عنصر اهميت زيادي دارد.
 
ويژگيهاي قابل توجه:
 
آلومينيوم فلزي نرم ِ سبک اما قوي است باظاهري نقره اي – خاکستري مات و لايه نازک اکسيداسيون که در اثر برخورد با هوا درسطح آن تشکيل مي شود از زنگ خوردگي بيشتر جلوگيري مي کند.وزن آلومينيوم تقريبأ يکسوم فولاد يامس است ِ چکش خوار ِ انعطاف پذير و به راحتي خم مي شود ِ همجنين بسيار با دوام و مقاوم در برابرزنگ خوردگياست. 
بعلاوه اين عنصر غيرمغناطيسي ِ بدون جرقه ِ دومين فلز جکش خوار و ششمين فلز انعطاف پذير است. 
 
 
جه از نظر کيفيت و چه از نظر ارزش آلومينيوم کاربرديترين فلز بعد ازآهن است وتقريبأ در تمامي بخشهاي صنعت داراي اهميت مي باشد. آلومينيوم خالص نرم وضعيف است اما مي تواند آلياژهايي را با مقادير کمي از مس ِ منيزيوم ِ منگنز ِ سيليکن و ديگر عناصر بوجود آورد که اين آلياژ ها ويژگيهاي مفيد گوناگوني دارند. 
اين آلياژها اجزاي مهم هواپيماها و راکتها را مي سازند . وقتي آلومينيوم را درخلا تبخير کنند پوششي تشکيل مي دهد که هم نور مرئي و هم گرماي تابشي را منعکس ميکند. اين پوششها لايه نازک اکسيد آلومينيوم محافظ را بوجود مي آورند که همانندپوششهاي نقره خاصيت خود را از دست نمي دهند. يکي ديگر از موارد استفاده از اين فلز در لايه آينه هاي تلسکوپهاي نجومي است.
 
برخي از کاربردهاي فراوان آلومينيوم عبارتند از : 
 
- حمل و نقل «اتومبيلها ِهواپيماها ِکاميونها ِ کشتي ها ِ ناوگانهاي دريايي ِراه آهن و...) 
 
- بسته بندي«قوطيها ِفويلو...) 
 
- ساختمان«دربِپنجرهِ ديوار پوشها و ...) 
 
- کالاهاي با دوام مصرف کننده(وسليل برقي خانگي ِوسايل آشپزخانهِ ...) 
 
- خطوط انتقال الکتريکي (به علت وزن سبک اگرجه هدايت الکترِکي آن تنها 60% هدايت الکتريکي مس مي باشد) 
 
- ماشين آلات 
اکسيد آلومينيوم «آلومينا) بطور طبيعي و بصورت کوراندومِ سنگ سمباده (emery) ِياقوت (ruby) وياقوت کبود (sapphire) یافت مي شود که در صنعت شيشه سازي کاربرد دارد.ياقوت و ياقوت کبودمصنوعي درليزر براي توليد نور هم نوسان بکار مي روند . آلومينيوم با انرژي زيادي اکسيده مي شود ودر نتيجه در سوخت موشکهايی با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع مي شود.
 
 
تاريخچه:
 
فردريکوهلربطور کلي به آلومينيوم خالص اعتقاد داشت «لاتين :alum , alumen) .اما اين فلز دو سال پيشتر بوسيله هانس کريستين ارستد شيميدان و فيزيکدان دانمارکي بدست آمد. 
دموروو يونان باستان اين فلز را بعنوان ثابت کنند هر رنگ در رنگرزي و نيز بعنوان بندآورنده خون در زخمها بکار مي بردند وهنوز هم بعنوان داروي بند آورنده خون مورداستفاده است. در سال 1761 گويتون دموروو پيشنهاد کرد تا alum راآلومين (alumin) بنامند.
 
پيدايش و منابع:
اگر چه AL يک عنصر فراوان در پوسته زمين است(1ِ8%) ِ اين عنصر در حالت آزاد خود بسيار نادر است و زماني يک فلز گرانبها و ارزشمندتر ازطلا به حساب مي آمد.بنابر اين بعنوان فلزي صنعتي اخيرأ مورد توجه قرار گرفته و در مقياسهاي تجاري تنها بيش از 100 سال است که مورد استفاده است. 
در ابتدا که اين فلز کشف شد جدا کردن آن از سنگها بسيار مشکل بود و چون کل آلومينيوم زمين بصورت ترکيب بود مشکل ترين فلز از نظر تهيه به شمار مي آمد.
 
نکته:
آلومينيوم براي مدتي از طلا با ارزش تر بود اما بعداز ابداع يک روش آسان براي استخراج آن در سال 1889 قيمت آن رو به کاهش گذاشت و سقوط کرد.تهيه مجدد اين فلز از قطعات اسقاط (از طريق بازيافت) تبديل به بخش مهمي از صنعت آلومينيوم شد. بازيافت آلومينيوم موضوع تازه اي نيست بلکه از قرن نوزدهم يک روش رايج براي اين کار وجود داشت. با اين همه تا اواخر قرن دهه 60 اين يک کار کم منفعتي بود تا زمانيکه بازيافت قوطيهاي آلومينيوم  آشاميدنيها بالاخره بازيافـت اين فلز رامورد توجه قرار داد.منابع بازيافت آلومينيوم عبارتند از: اتومبيلها ِ پنجره ها ِ دربها  ِ لوازم منزل  ِ کانتينرها و ساير محصولات ... 
آلومينيوم يک فلز واکنشگر است و نمي تواند ازسنگ معدن خود بوکسيت (Al2o) بوسيله کاهش با کربن جدا شود.در عوض روش جدا سازي اين فلز از طريق الکتروليز است.(اين فلز در محلول اکسيده شده سپس بصورت فلز خالص جدا مي شود.) لذا جهت اين کار سنگ معدن بايد درون يک مايع قرار بگيرد. امابوکسيت داراي نقطه ذوب بالايي است (c2000) که تامين اين مقدار انرژي از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست . براي سالهاي زيادي بوکسيت را در فلورید سديم و آلومينيوم مذاب قرار مي دادند و نقطه ذوب آن تا c900 کاهش مي يافت. اما امروزه مخلوط مصنوعي از آلومينيوم  ِ سديم و فلوريدکلسيم جايگزين فلوريد سديم و آلومينيوم شده است. اين فرايند هنوز مستلزم انرژي بسيار زياد است و کارخانجات آلومينيوم داراي ايستگاههاي برق مخصوص خود در اطراف اين کارخانه ها هستند. 
الکترودهايي که در الکتروليز بوکسيت بکار مي روند هر دوکربن هستند. وقتي سنگ معدن در حالت مذاب است يونهاي آن آزادانه حرکت مي کنند. واکنش درکاتد منفي اينگونه است:        {Al3++3e -Al} 
در اينجا يون آلومينيوم در حالت کاهش است(الکترونها اضافه مي شوند) سپس فلز آلومينيوم به سمت پايين فرو مي رود و خارج مي شوند. 
آند مثبت اکسيژن بوکسيت را اکسيده مي کند که بعد از آن با الکترود کربني واکنش کرده تا توليد دي اکسيد کربن نمايد. 
 
اين کاتدبايد عوض شود چون اغلب تبديل به حدی اکسيد کربن مي شود. بر خلاف هزينه الکتروليزِ آلومينيوم فلزي ارزان با کاربرد وسيع است. امروزه آلومينيوم را مي توان ازخاکه معدني(clay) استخراج کرد اما اين فرايند اقتصادي نيست.
 
 
 
ايزوتوپها:
آلومينيوم داراي 9 ايزوتوپ است که عمده ترين آنها بين 23 تا 30 مرتب شده اند. تنها AL-27 «ايزوتوپ پايدار) و AL-26 (ايزوتوپ راديو اکتيو) بطور طبيعي وجود دارند. AL-26 از تراشيدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتيجه پروتونهاي اشعه کيهاني رخ مي دهد توليد مي شود. ايزوتوپهاي آلومينيوم کاربردهاي عملي در تعيين قدمت رسوبات درياييِ سختگاه منگنز  ِ يخهاي دوران يخبندان ِ کوارتز درصخرهها شهابسنگها دارد. 
نسبت AL-26 به برليوم 10 براي 5 مطالعه 6 نقش حمل ِ ته نشيني  ِ ذخيره رسوب  ِ زمان دفن و فرسايش در مقياس زماني 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 پيکره مادر در مدت سفرخود در فضا در معرض شديد بمباران اشعه کيهاني هستند که باعث توليد آلومينيوم 27پايدار مي شود. بعد از سقوط روي زمين حفاظ اتمسفر مانع از توليد AL-26 بيشتر ازقطعات شهاب سنگها مي شود و واپاشي آن در تعيين عمر زميني آنها موتر است. تحقِقات روي شهاب سنگها ثابت کرده AL-26 در زمان شکل گيري سياره ما نسبتا به مقدار فراوان وجودداشته است. احتمالا انرژي آزاد شده در نتيجه واپاشي AL-26 ِ ذوب شدن مجدد و جدايي سيارکها بعد از شکل گيري آنها را 2-4 ميليارد سال پيش در پي داشته است. 
 
هشدارها:
 
آلومينيوم يکي از معدود عناصر فراواني است ظاهرا هيچ فعاليت موثري در سلولهاي زنده ندارد اما درصد کمي از مردم به آن حساسيت دارند – آنها تجربه کرده اند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستي مي شود- مصرف داروهاي بندآورنده خون ومواد ضد عرق باعث ايجاد جوشهاي خارش آور و سوء هاضمه مي گردد ِ عدم جذب مواد غذايي مفيد از غذاهاي پخته شده در ظروف آلومينيومي همچنين تهوع و ساير علائم مسموميت در نتيجه خوردن اينگونه محصولات مانند Maalox,Amphojel,Kaopectate . درساير افراد آلومينيوم بمانند فلزات سنگين سمي نيست اما ر صورت مصرف زياد علائمي ازمسموميت ديده شده است اگرچه استفاده از ظروف غذاي آلومينيومي به خاطر مقاومت دربرابر زنگزدگي و خاصيت هدايت گرمايي بالاي آنها بسيار رايج است در کل ِ هيچگونه علامتي در مورد ايجاد مسموميت آنها ديده نشده است. مصرف زياد داروهاي ضد اسيدو مواد ضد عرق که حاوي ترکيبات آلومينيومي هستند احتمال مسموميت بيشتري دارند بعلاوه احتمال ارتباط آلومينيوم بابيماري آلزايمر مطرح شده گرچه اخيرا اين فرضيه رد شده است.
 
توليدصنعتي آلومينيوم:
آلومينيوم فلزي پرمصرف است که عنصر دوم از گروه سوم جدول تناوبي مي‌باشد. آلومينيوم (Al) دومين عضو از گروه سومجدول تناوبي ، فلزي است که در کشور ما توليد مي‌شود و در ميان عنصرهاي فلزي هم گروه خود بيشترين اهميت را دارد. آلومينيوم به حالت آزاد در طبيعت يافت نمي‌شود، اما ترکيبهاي آن فراوان است. آلومينيوم بعد ازاکسيژن و سيليسيم فراوان‌ترين عنصر در پوسته زمين است.
 
پيوند در ترکيبهاي آلومينيوم:
مهمترين کاني آلومينيوم ،بوکسيت است که‌ اکسيد آلومينيوم آن پوشيده مي‌باشد و براي تهيه فلز از اين کاني استفاده مي‌شود. چگالي بار (نسبت بار به شعاع) براي يون Al+3 به علت داشتن بار زياد و کوچک بودن شعاع آن ، زياد است. مي‌دانيم که‌ الکترونها اعم از از اينکه پيوندي باشند يا به صورت زوج تنها ، پيوسته در فضايي که در اختيار دارند، در حرکت‌ هستند و اغلب ،الکترونها را به صورت ابري با بار منفي مجسم مي‌کنيم.
 
اين ابر بار مي‌تواند بوسيله يک ميدان الکتريکي که در مجاورت آن قرار دارد، از حالت کروي خارج شده، به سمت يک بارمثبت کشيده يا بوسيله يک بار منفي رانده شود. درجه سهولت واپيچش ابر الکتروني يک ذره راقطبش‌پذيري آن مي‌نامند. قطبش‌پذيري اتمها يا يونهاي کوچکتر کمتر از اتمها يا يونهاي برزگتر است، زيرا در اتمها يا يونهايکوچکتر ، الکترونها به هسته نزديکترند و اتصال آنها با هسته محکمتر است. آلومينيوم در ترکيبهاي خود با از دست دادن هر سه ‌الکترون ظرفيت ،عدداکسايش 3+ بدست مي‌آورد.
 
اما يون Al+3 با توجه به ‌اندازه کوچک و بار زيادي که دارد، مي‌تواند به راحتي باعث قطبش ابر بار هر آنيوني که با آن در تماس است، شود و آنيون را به سمت خود بکشد و در فضاي بين يون آلوميينوم و آنيون ،ابر الکتروني قابل ملاحظه‌اي پديد مي‌آيد که نشانه‌اي از پيدايش خصلت کووالانسي در پيوند است. به ‌اين ترتيب ، پيوند آلومينيوم با آنيونهايي نظير -Br و -I که قطبش‌پذيري آنها بيشتر است، به صورت کووالانسي توصيف مي‌شود. اثر قطبش يون Al+3 را روي هاليدها مي‌توان با مقايسه خواصها ليدهاي آلومينيوم دريافت.   اکسيد آلومينيوم (Al2O3)
اکسيد آلومينيوم را معمولايک ترکيب يوني در نظر مي‌گيريم، اما به علت قطبش‌پذيري يونهاي اکسيد بوسيله يونهاي Al+3 پيوند آلومينيوم و اکسيژن تا حدودي خصلت کووالانسي دارد. برهم کنش الکتروستاتيکبين يونهاي کوچک آلومينيوم و اکسيژن از يک طرف و پيدايش خصلت کووالانسي از طرف ديگر ، سبب شده که پيوند بين اين يونها در اکسيد آلومينيوم بسيار قوي باشد. اين اکسيد در دماي 205درجه سانتيگراد ذوب مي‌شود و در آب نامحلول است. اکسيد آلومينيوم در طبيعت به دوصورت آبپوشيده و بي آب يافت مي‌شود. شکل آبپوشيده آنبوکسيتنام دارد. سنگ سنبادهو «کوراندوم» شکل بي آب آن است.
 
کوراندوم جسمي ‌سخت و متبلور است و با جايگزين شدن مقدار کمي ‌ازيونهاي فلزهاي واسطه به جاي يونهاي آلومينيوم دراينبلور ، سنگهاي قيمتي مانندياقوت قرمز يا ياقوت کبود بدست مي‌آيد. ياقوت قرمز که درليزر هم از آن استفاده مي‌شود، شامل مقدار جزئي Cr+3 و ياقوت کبود شامل Fe+3 و (Ti(IV است. رنگ اين سنگها ناشي از وجود اين يونهاي فلزات واسطه‌ است. از اکسيد آلومينيوم به خاطر داشتن ساختاري پايدار و فوق‌العاده سخت در تهيه سيمان ، آجرهاي ديرگداز کوره‌ها و سطح بي‌اثرکاتاليزور در کراکنيگ برشهاي نفتي استفاده مي‌شود.
 
استخراج آلومينيوم:
 
آلومينيوم در صنعت بوسيله‌ الکتروليز اکسيد آلومينيوم مذاب تهيه مي‌شود. اکسيد آلومينيوم از بوکسيت که ‌اکسيد آلومينيوم آبپوشيده و ناخالص است،بدست مي‌آيد. ناخالصيهاي بوکسيت بطور عمده ،هماتيتوسيليس است. براي جداسازي آلومينيوم با توجه به خصلت باز يا کسيد آهن (III) ، خصلت اسيدي «اکسيد سيلسيم» (سيليس) وخصلت آمفوتر يا اکسيد آلومينيوم ازسود سوزآوراستفاده مي‌کنند. اکسيدآلومينيوم و سيليس در محلول غليظ سود حل مي‌شوند. اکسيد آهن (III) را بوسيله صافي جدا مي‌کنند، سپس دي‌اکسيدکربن را از محلول عبور مي‌دهند. دي‌اکسيد کربن با آب ، اسيد ضعيف «اسيد کربنيک» را تشکيل مي‌دهد.
 
بدين ترتيب ، اکسيد آلومينيوم رسوب مي‌کند و يون سيليکات در محلول باقي مي‌ماند. اکسيدآلومينيوم را درکريوليت مذاب (Na3AlF6) که دماي ذوب آن از اکسيد آلومينيوم کمتر است،حل مي‌کنند. دماي الکتروليت مذاب حدود 850 درجه سانتيگراد است. يون AL+3 در کاتد سلول الکتروليز که ‌از جنس گرافيت است، کاهش يافته، به صورت آلومينيوم مذاب در ته سلول جمع مي‌شود. در آند نيز اکسيژن آزاد مي‌شود. آند نيز از جنس گرافيت است. اکسيژن در دماي زياد باکربن ترکيب شده ، اکسيدهاي کربن تشکيل مي‌دهد. از اين رو ، آند مي‌سوزد و هرچند مدت يکبار آن را تعويض مي‌کنند.
 
موارد استفاده آلومينيوم:
 
آلومينيوم يکي از فلزهاي ساختماني است و آن را بافلزهاي مختلف به صورت آلياژ در مي‌آورند و درصنايع هواپيما سازي، موتور اتومبيل و ساخت در و پنجره بکار مي‌برند. همچنين ، آلومينيوم براي ساخت قوطي‌هاي نوشابه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همچنين آلومينيوم براي توليد فويلهاي آلومينيومي ‌مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
 
هزينه توليد آلومينيوم و مشکلات زيست محيطي:
 
منابع آلومينيوم در طبيعت از منابع تجديدناپذير به شمار مي‌آيند. به ‌اين معنا که طبيعت راهي براي توليد مجدد اين منبع ندارد. از طرف ديگر ، توليد آلومينيوم به مصرف الکتريکي بسيار زيادي نيازدارد. با توجه به ‌اينکه آلومينيوم مصرفي سرانجام به صورت زباله به طبيعت راه پيدا مي‌کند، مساله بازگرداني آلومينيوماز نظر حفظ محيط زيست حائز اهميت و از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه ‌است. مثلا هزينه لازم براي جمع‌آوري قوطي‌هاي نوشابه ،انرژي الکتريکي مصرفي براي ذوب اين قوطي‌ها و ساخت مجدد آنها حدود 5 % هزينه‌استخراج آلومينيوم ازبوکسيتاست. انجام اين کار به حفظ طولاني‌تر منابع بوکسيت کمک می کند.
حفظ منابع سوختهاي فسيلي که بايد براي توليدانرژي الکتريکي مورد نياز کارخانه‌هاي توليد آلومينيوم بکار رود.
به کاهش مواد آلاينده‌اي که در نتيجه‌احتراق سوختهاي فسيلي در فضا پراکنده مي‌شوند.
و در نهايت به حفظ محيط زيست کمک مي‌کند.
 
 
                                                                                                                      منبع
***www.ahan118.com***


ارسال نظر