ألومنيوم

ألومنيوم
الألومنيوم هو عنصر كيميائي رمزه Al وعدده الذرّي 13؛ وهو يقع ضمن عناصر الدورة الثالثة وفي المرتبة الثانية في المجموعة الثالثة عشرة (المجموعة الثالثة وفق ترقيم المجموعات الرئيسية) في الجدول الدوري. الألومنيوم فلز خفيف ذو لون أبيض فضي، ويتميّز بانخفاض كثافته؛ وهو قابل للسحب والطرق. وهو أكثر الفلزات انتشاراً في القشرة الأرضية، فترتيبه الثالث من بين أكثر العناصر الكيميائية وفرةً فيها بعد الأكسجين والسيليكون؛ حيث يشكّل الألومنيوم حوالي 8% من كتلة سطح الأرض الصلب. لهذا الفلز نظيرٌ مستقرّ وحيد، وهو النظير ألومنيوم-27 27Al.
عادةً ما يشكّل الألومنيوم مركّباته الكيميائية في حالة الأكسدة +3؛ ولهذا الفلز ألفة كيميائية كبيرة تجاه الأكسجين، ممّا يؤدّي إلى تشكّل طبقةٍ من الأكسيد على سطحه تعمل على تخميله. أعلن هانز كريستيان أورستد اكتشاف الألومنيوم سنة 1825؛ في حين عمل هنري إتيان سانت كلير ديفيل على تأسيس الإنتاج الصناعي لهذا الفلز سنة 1856؛ بالمقابل ساهمت عملية هول-هيرو المُطوَّرَة سنة 1886 في تخفيض تكاليف الإنتاج. إنّ المصدر الرئيسي للألومنيوم هو خام البوكسيت؛ وأنتج منه عالمياً سنة 2016 حوالي 115 مليون طن؛ ومن جهةٍ أخرى، بلغ معدّل إعادة تدوير الألومنيوم عالمياً حوالي 40%.
يمتاز الألومنيوم بمقاومته للتآكل وبانخفاض كثافته؛ ممّا جعله محطّ اهتمامٍ في مجال صناعة الطائرات؛
كما للعناصر البنيوية والهياكل المصنوعة من الألومنيوم وسبائكه دورٌ فعّال في الصناعة الفضائية؛ وهي مهمّة جدّاً في مجالات أخرى مثل النقل والبناء؛ كما أنّ طبيعته التفاعلية جعلته مفيداً في مجال التحفيز الكيميائي. من جهةٍ أخرى، لا يوجد دورٌ حيويٌ معروفٌ للألومنيوم عند الكائنات الحيّة، ولكن لا يزال ذلك الأمر محطّ اهتمام وموضوع دراسات مستمرّة.
التاريخ وأصل التسمية
كانت أملاح الشبّ هي أولى أملاح الألومنيوم التي جرى التعامل بها، على الرغم من أنّ تركيبها لم يكن معروفاً في البداية؛ حيث دوّنها هيرودوت في سجلّاته التي تعود إلى القرن الخامس قبل الميلاد. كانت أملاح الشب تستخدم في ترسيخ ألوان الصبغات، ووجدت لها أهميةً في الصناعات النسيجية؛ فأصبحت سلعةً تجاريةً مهمّةً، وكانت تُصدَّر إلى أوروبا من دول وممالك شرقي المتوسط حتى أواسط القرن الخامس عشر. حاول علماء القرن السادس عشر معرفة تركيب أملاح الشبّ، من ضمنهم باراسيلسوس، وأندرياس ليبافيوس؛ وفي سنة 1722 أعلن فريدريش هوفمان أنّ ملح الشب تربة متمايزة عن غيرها. في سنة 1754 اصطنع أندرياس سيغيسموند مارغراف الألومينا (أكسيد الألومنيوم) من غلي الصلصال (الغضار) في حمض الكبريتيك ثمّ بإضافة البوتاس لاحقاً.
تعود المحاولات الأولى للحصول على فلز الألومنيوم إلى حوالي سنة 1760؛ إلّا أنّ أوّل محاولةٍ ناجحة في عزل هذا الفلز كانت من إنجاز الكيميائي هانز أورستد، والذي فاعل كلوريد الألومنيوم اللامائي مع ملغمة البوتاسيوم، ممّا أدّى إلى الحصول على كتلة من فلز يشبه القصدير. في العام التالي نشر أورستد نتائجه وعرض عينةً من الفلز الجديد على العموم. كرّر فريدرش فولر سنة 1827 التجارب التي أجراها أورستد لعدّة مرّات؛ إلى أن نجح في الحصول على مسحوق من الألومنيوم. وفي سنة 1845 تمكّن من الحصول على قطع من هذا الفلز، وقدّم وصفاً علمياً للخواص الفيزيائية له. بسبب تلك الإنجازات اعتُبِر فولر لعدّة سنوات من البعض على أنّه مكتشف الألومنيوم. كانت الطرق التي اكتُشِف فيها الألومنيوم غير تجارية، ولم يكن من الممكن الحصول عليه بأسلوب صناعي، لذلك كانت الكمّيات المستحصلة منه قليلة، ممّا أدّى إلى ارتفاع سعره، حتى أصبح أثمن من الذهب.
ظهرت محاولات لإنتاج الألومنيوم سنة 1856 بجهود من هنري إتيان سانت كلير ديفيل وزملائه؛ حيث اكتشف كيف يمكن اختزال ثلاثي كلوريد الألومنيوم باستخدام الصوديوم الأوفر اقتصادياً بديلاً عن البوتاسيوم، الذي استخدمه فولر. بالرغم من ذلك، لم يكن الألومنيوم المستحصل ذو نقاوةٍ جيّدة، كما كان هناك تفاوت في خواص العينات. كانت أولى المحاولات الناجحة للحصول على الألومنيوم على مستوى صناعي في سنة 1886، حين تمكّن كلّ من بول هيرو وتشارلز هول، وبشكلٍ مستقلٍٍّ ومنفصل، من تطوير عملية إنتاج هذا الفلز، والتي تعرف اليوم باسم عملية هول-هيرو. تعتمد هذه العملية على اختزال الألومينا (أكسيد الألومنيوم). تمكّن الكيميائي كارل يوزف باير بعد ذلك في سنة 1889 من اكتشاف أسلوب لتنقية البوكسيت للحصول على الألومينا، وتعرف العملية باسم عملية باير. يعتمد الإنتاج الحديث للألومنيوم على هاتين العمليّتين.
ساهم تطوّر الإنتاج الصناعي من فلز الألومنيوم في تخفيض أسعاره في السوق، وفي دخوله في عديدٍ من التطبيقات، وخاصّةً في إمكانية تشكيله للسبائك ذات الخواص المميّزة. مع اندلاع الحربَين العالَميّتين الأولى والثانية ازدادت أهميّة الألومنيوم نظراً لإمكانية استخدامه في صناعة الطائرات.
في أواسط القرن العشرين وجد الألومنيوم تطبيقات في إنتاج معدّات الحياة اليومية، مثل الرقائق والعبوات، حتّى تفوّق في ذلك على تطبيقات كانت نمطيّةً للنحاس؛ ممّا جعله أكثر الفلزات اللاحديدية إنتاجاً، حيث دخل الألومنيوم بشكلٍ تدريجي في مجال الإنشاءات الهندسية؛ وفي مجال صناعات المركبات. مع بداية عصر الفضاء دخل الألومنيوم في تركيب الأقمار الاصطناعية. ازداد إنتاج الألومنيوم في القرن العشرين بشكل متسارع؛ حتى دخل في سبعينيات القرن العشرين بورصة لندن للمعادن سلعةً للتداول، وصل الإنتاج العالمي من هذا الفلز 50 مليون طن متري سنة 2013.
أصل التسمية
يطلق على هذا العنصر في أغلب دول العالم اسم «»، أما في الولايات المتحدة وكندا فيسمى «». تُشتقّ كلتا التسميتين من الكلمة «»، وهي تسمية متقادمة للألومينا «» (وهو أكسيد الألومنيوم). إنّ كلمة «» هي كلمة مستعارة من اللغة الفرنسية، وهي بدورها مشتقّة من «»، وهي تسمية لاتينية كلاسيكية تشير إلى «» (وهي تعني بالعربية ملح الشب)، وهو ملح واسع الانتشار والاستخدام. وكلمة «» اللاتينية مشتقّة من الجذر «» الهندي الأوروبي البدائي، والذي يعني «مرّ».
يُنسَب الفضل في إطلاق تسمية هذا العنصر إلى الكيميائي همفري ديفي، والذي أجرى العديد من التجارب لعزله على شكل فلز حر. ففي سنة 1808 اقترح ديفي في بحثٍ نشره في المداولات الفلسفية للجمعية الملكية اسم العنصر على الشكل «»؛ إلّا أنّ التسمية لاقت اعتراضاً من الكيميائيين في فرنسا وألمانيا والسويد، والذين أشاروا أنّ الفلز ينبغي أن يُسمَّى نسبةً إلى أكسيده «» والذي يستحصل منه الفلز، وليس نسبةً إلى «»؛ على الرغم من أن التصريف يظهر النسبة إلى الجذر اللاتيني نفسه.
نشر الكيميائي يونس ياكوب بيرسيليوس لاحقاً سنة 1811 بحثاً باللغة الفرنسية استخدم فيه اسم «» للإشارة إلى هذا الفلز؛ وظهرت تلك التسمية أيضاً في ملخّص لإحدى محاضرات ديفي في الجمعية الملكية سنة 1811؛ وفي السنة اللاحقة نشر ديفي كتاباً تعليمياً للكيمياء استخدم فيه لفظ «»؛ ومنذ ذلك الحين تداخل استخدام التسميتين لهذا العنصر؛ ولكن حالياً يقتصر استخدام تسمية «» في الولايات المتحدة وكندا، في حين أنّ اسم «» ينتشر في باقي بلدان العالم. في سنة 1925 اعتمدت الجمعية الكيميائية الأمريكية تسمية «»؛ أمّا تسمية «» الشائعة فاعتمدها الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (أيوباك ) سنة 1990؛ وفي سنة 1993 اعترف الأيوباك بتسمية ألومنوم بديلاً مقبولاً.
الوفرة الطبيعية
في الكون
يأتي الألومنيوم في المرتبة الثانية عشرة من حيث ترتيب العناصر في المجموعة الشمسية؛ وهو الثالث من بين العناصر ذات عددٍ ذرّي فردي بعد الهيدروجين والنتروجين. يعدّ ألومنيوم-27 27Al النظير الوحيد والمستقرّ للألومنيوم، وهو النظير الثامن عشر من حيث وفرة النويدات في الكون، وهو ينشأ بشكل شبه كامل من اندماج الكربون في النجوم العملاقة والتي ستصبح لاحقاً مستعر أعظم من النوع الثاني. يولّد ذلك الاندماج نوى مغنيسيوم-26 26Mg، والتي تلتقط البروتونات والنيوترونات الحرّة لتصبح نوى ألومنيوم. تُنتَج كمّيّات أصغر من 27Al في محيط تفاعلات الانصهار النجمي للنجوم الوليدة، حيث يمكن لنوى المغنيسيوم 26Mg أن تلتقط بروتونات حرّة أيضاً.
كان النظير ألومنيوم-26 26Al موجوداً في المجموعة الشمسية بوفرة مقدارها 0.005% بالنسبة إلى النظير 27Al، إلّا أنّ قصر عمر النصف النسبي (728,000 سنة) بالنسبة لعمر الكون حال دون بقائها موجودة، لذلك يعدّ النظير ألومنيوم-26 26Al نويدة مشعّة منقرضة. على العكس من 27Al فإنّ تفاعلات الانصهار النجمي (حرق الهيدروجين) هي المصدر الرئيسي للنظير 26Al عندما يلتقط النظير 25Mg بروتوناً حرّاً؛ وعندما يتشكّل على هيئة نظيرٍ مشعٍّ نادر فإنّه يصدر أشعّة غاما في الوسط بين النجمي.
على الأرض
يدخل الألومنيوم في تركيب كوكب الأرض بنسبة 1.59% كتلةً (السابع بالوفرة من حيث الكتلة)؛ لكنّ الألومنيوم يتركّز في القشرة الأرضية، فهو من أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية بعد الأكسجين والسيليكون، وهو بذلك أكثر الفلزات انتشاراً في القشرة الأرضية، بنسبة مقدارها 8.23% كتلةً. بالمقابل فإنّ الألومنيوم يوجد في وشاح الأرض بنسبة 2.38% كتلةً. لا يوجد فلز الألومنيوم في الطبيعة بشكله النقي الحرّ، ويعود ذلك إلى إلفته القويّة للأكسجين؛ أما الفلزات الأقل نشاطاً فتترسب إلى نواة الأرض. يوجد الألومنيوم في ماء البحر بنسبة 2 ميكروغرام/كيلوغرام. يمكن لمعدن الألومنيوم أن يوجد كحالة ثانوية في البيئات منخفضة الأكسجين، مثل داخل بعض البراكين.
يوجد الألومنيوم في العديد من المعادن مثل معادن الأكاسيد أو السيليكات؛ وهو يدخل في تركيب الفلسبار، وهي أكثر مجموعات المعادن شيوعاً في القشرة الأرضية، على شكل ألومينوسيليكات. تدخل الألومينوسيليكات في تركيب الصلصال (الغضار) وصخور النايس والغرانيت. يوجد الألومنيوم على سبيل المثال في معادن البيريل والكريوليت والغارنيت والإسبينل والفيروز. يوجد أكسيد الألومنيوم Al2O3 (الألومينا) طبيعياً على شكل معادن معروفة، مثل السامور (أو القرند)، وهو من المعادن الصلبة مرتفعة درجة الانصهار. عندما يكون القرند مشوباً بآثار من فلزات انتقالية مثل الكروم أو الحديد يتشكّل حينها الياقوت الأحمر والأزرق، على الترتيب. توجد أيضاً أكسيدات هيدروكسيدية للألومنيوم (AlO(OH، والمعدنان الرئيسيان الحاويان على تلك الصيغة هما البوميت والدياسبور؛ أمّا أشهر معادن الهيدروكسيدات الثلاثية الرئيسية فهو الجبسيت، والذي يوجد على أشكال متعددة.
على الرغم من أنّ الألومنيوم هو فلز شائع ومنتشر وعلى نطاق واسع في عدد من المعادن، إلّا أنّ ليست كلّها تعتبر مصدراً اقتصادياً للاستخراج. إذ يُنتَج فلز الألومنيوم بشكل شبه كامل تقريباً من معدن خام البوكسيت AlOx(OH)3-2x. يوجد البوكسيت نتيجة تجوية أديم الأرض التي تحتوي على نسبة قليلة من الحديد والسيليكا في ظروف مناخية مدارية. وتوجد كمّيّات كبيرة من البوكسيت في أستراليا، والبرازيل، وغينيا، وجامايكا ولكنّ مناجم المعدن الخام الرئيسية هي في غانا، واندونيسيا، وجامايكا، وروسيا، وسورينام. ويصهر المعدن الخام أساساً في أستراليا والبرازيل وكندا والنرويج وروسيا والولايات المتحدة.
الإنتاج
يُستَحصل الألومنيوم صناعياً من أكسيده، حيث يُختَزل إلى الفلز عند درجات حرارة مرتفعة. تعدّ عملية إنتاج الألومنيوم عمليةً مستهلكةً جدّاً للطاقة الكهربائية؛ لذلك يعمد المنتجون إلى انتقاء مواقع الصهر بحيث تكون مصادر الطاقة وفيرة وزهيدة الثمن نسبياً، مثل القرب من مصادر النفط والغاز الطبيعي. وفق بيانات سنة 2019 تتصدّر الصين الدول المنتجة للألومنيوم، تليها الهند وروسيا وكندا والإمارات العربية المتحدة.
حسب تقييمات دولية فإنّ الاستهلاك العالمي من الألومنيوم يٌقدَّر بحوالي 80 كغ بالنسبة لكل فرد؛ ويتمثّل ذلك الاستهلاك على هيئة سيارات أو إنشاءات معدنية أو بالإلكترونيات إلخ؛ وهو يتفاوت بين الدول المتقدمة (350-500 كغ) عن غيرها (35 كغ).
عملية باير
تتضمّن عملية باير تحويل البوكسيت إلى الألومينا (أكسيد الألومنيوم)؛ حيث يُجانس ويطحن، ثم تُمزَج الردغة (الروبة) الناتجة مع محلول ساخن من هيدروكسيد الصوديوم؛ ثم يُترَك المزيج الناتج ليتفاعل تحت الضغط والحرارة، ممّا يؤدّي إلى حَلّ هيدروكسيد الألومنيوم في البوكسيت، ليُستَحصل على محلولٍ تركيبه بشكل أساسي من [−Al(OH)4]؛ في حين أنّ الشوائب المتبقيّة تُفصَل على شكل مركّبات راسبة غير منحلّة.
بعد التفاعل تُترَك الروبة الناتجة، لتَبرُد ويُخَفّف عنها الضغط وتُفصَل الرواسب ثمّ تُطرَح؛ ثم تُضاف كمّيّات صغيرة من نوى بلّورات هيدروكسيد الألومنيوم إلى الوسط، ممّا يسبّب ترسّبَ هيدروكسيد الألومنيوم وفق التفاعل التالي:
تُجمَع البلّورات الصغيرة من هيدروكسيد الألومنيوم كي تستخدم نوىً للتبلور فيما بعد؛ أمّا البلّورات الكبيرة الخشنة فتُحوَّل إلى الألومينا بالتسخين:
أمّا المحلول المتبقّي فيُبخَّر، ثم يُنقَّى إن اقتضت الحاجة، ويعاد تدويره.
عملية هول-هيرو
تتضمّن عملية هول-هيرو تحويل الألومينا المستحصلة وفق عملية باير إلى فلز الألومنيوم؛ حيث تذاب في مزيج من مصهور الكريوليت Na3AlF6 مع فلوريد الكالسيوم عند درجات حرارة تتراوح بين 950-980°س؛ ثم يخضع المزيج إلى عملية تحليل كهربائي. نتيجةً لسلسلة الخطوات تلك يترسّب مصهور الألومنيوم إلى القعر، حيث يزال ويُصبّ في قوالب على شكل كتل من الألومنيوم الخام، غالباً على شكل قضبان، من أجل المعالجات اللاحقة. تكون المصاعد (الأنودات) في خلايا التحليل الكهربائي مصنوعةً من الغرافيت النقي، وهي بذلك مقاومة للتآكل الذي تسبّبه الفلوريدات، كما تخضع تلك المصاعد غالباً إلى معالجة حرارية قبل الاستخدام؛ أمّا المهابط (الكاثودات) فهي مصنوعة من الأنثراسيت. ينبغي أن تُستبدَل الأقطاب الكهربائية عند استهلاكها، وعادةً ما يبلغ العمر الافتراضي للخلايا بين 2-6 سنوات.
يكون الألومنيوم الناتج وفق عملية هول-هيرو مرتفع النقاوة (أكثر من 99%)؛ ورغم ذلك يمكن أن تُجرَى عمليات تنقية كهربائية لاحقة وفق ، والتي تتضمّن التحليل الكهربائي لمصهور الألومنيوم مع كهرل من فلوريدات الألومنيوم والصوديوم والباريوم، بحيث يُستحصَل في النهاية على ألومنيوم ذي نقاوة أكثر من 99.99%.
تَستهلك القدرة الكهربائية حوالي 20-40% من تكاليف إنتاج الألومنيوم، وذلك حسب موقع الإنتاج؛ وتستهلك العملية في الولايات المتّحدة الأمريكية حوالي 5% من الطاقة الكهربائية المُولَّدة. إذ يحتاج كل كيلوغرام من الألومنيوم الخام ما بين 12.9 إلى 17.7 كيلوواط ساعي من الطاقة الكهربائية. هناك سعي للبحث عن بدائل أوفر، ولكن ذاك لم يُكلَّل بالنجاح. فعلى سبيل المثال، جرى اقتراح استخراج أكسيد الألومنيوم من معادن الألومينوسيليكات، إلّا أنّ الجدوى الاقتصادية لم تكن مرتفعة.
إعادة التدوير
من الممكن أن يخضع الألومنيوم إلى عمليات إعادة تدوير، وتلك أضحت من العمليات المهمّة صناعياً، والتي بدأت تزداد أهميتها مع مرور الوقت. فلم تكن تلك العمليات ذات أهمية في بدايات إنتاج هذا الفلز، ولكن مع ازدياد الاستهلاك في أواخر ستينيات القرن العشرين، وخاصّةً على شكل عبوات المشروبات الغازية، ارتفعت دراية ووعي أهمية إعادة التدوير لدى العامّة. تتضمّن عمليات إعادة تدوير الألومنيوم إجراء صهر للخردة، وهي عملية تتطلّب في هذه الحالة مجرّد 5% من الطاقة اللازمة لإنتاج الألومنيوم من خاماته، على الرغم من أنّ جزءاً مهماً، يقارب حوالي 15% من الكمية المعاد تدويرها، يُفقَد على هيئة رماد يدعى الحثالة (أو الكدارة)؛ ولكن يمكن التقليل من تلك النفايات الناتجة إلى نسبة دون 1% باستخدام . تستخدم نفايات الألومنيوم تلك على شكل مادّة مالئة في الأسفلت والخرسانة.
النظائر
يوجد هنالك نظيرٌ واحد مستقرّ للألومنيوم عملياً، وهو النظير ألومنيوم-27 27Al، والذي يشكّل حوالي 99% من الوفرة الطبيعية لهذا العنصر في الطبيعة؛ بالتالي يمكن اعتبار الألومنيوم بأنه عنصر أحادي النويدة. لنظير الألومنيوم 27Al فائدة كبيرة في تقنية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، إذ يمتلك حساسيةً مرتفعة.
يوجد هنالك نظير طبيعي مشعّ للألومنيوم، وهو ألومنيوم-26 26Al والذي لديه عمر نصف مقداره 7.2 × 105 سنة، ولكنه نادر الوجود في الأرض، لأنه اضمحلّ إشعاعياً قبل تشكّل المجموعة الشمسية. يمكن أن تتشكّل كمّيّات ضئيلة من النظير 26Al انطلاقاً من الآرغون في غلاف الأرض الجوّي من التشظّي الذي تسبّبه بروتونات الأشعّة الكونية. تفيد النسبة بين 26Al إلى نظير البيريليوم 10Be في التأريخ الإشعاعي للعمليّات الجيولوجية، التي تقع فتراتها الزمنية في مجال يتراوح بين 105 إلى 106 سنة، وخاصّةً في عمليات النقل والترسب والطمر والتعرية. يَظنُّ الكثير من الباحثين في مجال الأحجار النيزكية أنّ الطاقة المتحرّرة من اضمحلال 26Al كانت مسؤولةً عن انصهار وتباين بعض الكويكبات بعد تشكّلها قبل 4.5 بليون سنة خلت.
بخلاف النظير ألومنيوم-26، فإنّ باقي نظائر الألومنيوم المشعّة لها عمر نصف أقلّ من سبع دقائق، ومعظمها أقلّ من ثانية واحدة؛ فعلى سبيل المثال، يضمحلّ النظير ألومنيوم-23 بعمر نصف مقداره 0.13 ثانية. إجمالاً، فإنّ للألومنيوم اثنان وثلاثون نظيراً معروفاً؛ تتراوح أعدادها الكتلة من 22Al إلى 43Al، مع وجود أربعة متصاوغات نووية.
الخواص الفيزيائية
البنية الذرية
يوجد في ذرّة الألومنيوم 13 إلكترون، وهي موزّعة على الشكل Ne] 3s2 3p1]؛ مع وجود ثلاثة إلكترونات تكافؤ في الغلاف السطحي. وفقاً لذلك، فإنّ مجموع طاقات التأيّن الثلاث الأولى للألومنيوم أقلّ بكثيرٍ من قيمة طاقة التأيّن الرابعة لوحدها. من السهل على الألومنيوم أن يتخلّى عن الإلكترونات في الغلاف السطحي ليشكّل أيون الألومنيوم ثلاثي التكافؤ. تبلغ قيمة كهرسلبية الألومنيوم 1.61 على مقياس باولنغ. يبلغ نصف القطر الذرّي للألومنيوم 143 بيكومتر؛ وعند نزع إلكترونات التكافؤ يكون الحديث عن نصف القطر الأيوني، والذي يبلغ مقدار 39 بيكومتر بالنسبة لذرّة رباعية التناسق، و53.5 بيكومتر بالنسبة لذرّة سداسية التناسق.
عند ظروف قياسية من الضغط ودرجة الحرارة تترتّب ذرّات الألومنيوم وفق نظام بلّوري مكعّب مركزي الوجه، وتكون مترابطة وفق رابطة فلزية تؤمّنها الإلكترونات الخارجية. يلاحظ هذا التكوين البلّوري في العديد من الفلزّات الأخرى مثل الرصاص والنحاس؛ ويناظر حجم وحدة الخلية في الألومنيوم ما يوجد في الفلزات الأخرى. تبلغ قيمة ثابت الشبكة البلّورية في الألومنيوم مقدار 0.404 نانومتر؛ وذلك يعادل أربع وحدات صيغة في كل وحدة خلية. تظهر عيوب فراغية في البنية البلورية عند ارتفاع درجات الحرارة إلى حوالي 500 °س؛ وهي تزداد عندما يروى الألومنيوم بشكلٍ مفاجئ. لا يشاطر الألومنيوم الخواص البنيوية مع باقي عناصر مجموعته؛ فطاقات التأيّن في البورون مرتفعة بالشكل الذي يحدّ من الفلزنة؛ والثاليوم لديه بنية سداسية ذات تعبئة متراصّة؛ في حين أنّ بنية الإنديوم والغاليوم مختلفة عن سابقتيهما وغير متراصّة. يما أنّ الإلكترونات المتوفّرة للرابطة الفلزية قليلة، فإنّ فلز الألومنيوم طري ولديه نقطة انصهار منخفضة نسبياً ولديه مقاومة كهربائية منخفضة، وتلك ميّزات مشتركة في الفلزات بعد الانتقالية.
الخواص الفلزية
الألومنيوم فلز خفيف الوزن وذو مظهر يتراوح بين الفضّي والرمادي الداكن بحسب خشونة السطح؛ وهو أحد المعادن القليلة التي تحافظ على انعكاسها الفضّي الكامل عندما تكون بشكل مسحوق دقيق، ممّا يجعله مكوّناً هامّاً جدّاً في الطلاءات الفضّية. كما يمكن لطبقة رقيقة من الألومنيوم أن تعكس جزءاً أعظمياً من الضوء المرئي؛ وهي تعكس أكثر من 98% من طيف الأشعّة تحت الحمراء في المجال المتوسّط والبعيد. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ لمرآة الألومنيوم أعلى انعكاس من أيّ فلز عند أطوال موجات (200-400 نانومتر) (في مجال الأشعّة فوق البنفسجية) وعند 3000- 10000 نانومتر (في مجال الأشعة تحت الحمراء)، في حين أنّ القصدير والفضّة فقط يتفوّقان عليه في انعكاس مجال الضوء المرئي 400-700 نانومتر. الألومنيوم عاكس جيّد للإشعاع الشمسي، وخاصّةً عندما تتشكّل الطبقة الأكسيدية المخمّلة على سطحه.
إنّ الألومنيوم فلزٌ قابل للسحب والطرق؛ وهو سهل التشغيل والسبك والبثق ويمكن قولبته بشكل سهل نسبياً. تبلغ كثافة الألومنيوم مقدار 2.70 غ/سم3، وهي ثلث كثافة الفولاذ، وهي أخفّ بكثير من كثافة أغلب الفلزات المعروفة، كما أنّ الفلزات ذات الكثافة الأخفّ من الألومنيوم هي من مجموعة الفلزات القلوية والفلزات القلوية الترابية، وتلك أغلبها ذات نشاط كيميائي كبير ممّا يصعّب التعامل بها. تسهّل كثافة الألومنيوم المنخفضة ومتانته من تمييز القطع المصنوعة منه عن غيرها لخفّتها؛ كما أنّ تلك الميزات جعلت منه فلزاً مهمّاً في بناء الهياكل المعدنية وفي العديد من الصناعات التطبيقية. الألومنيوم هو موصل جيّد للحرارة والكهرباء، وموصليته حوالي 60% من موصلية النحاس؛ إلّا أنّ لديه مجرّد 30% من كثافته. يمكن للألومنيوم أن يكون موصلاً فائقاً، مع درجة حرارة حرجة للتوصيل الفائق 1.2 كلفن، ومجال مغناطيسي حرج حوالي 100 غاوس. للألومنيوم مغناطيسية مسايرة، أي أنّه لا يتأثّر بالحقول المغناطيسية الساكنة. لكنّ الموصلية الكهربائية المرتفعة له تجعله قابلاً للتأثّر بالحقول المغناطيسية المتغيّرة عبر حثّ التيّارات الدوّامية.
تعود قدرة الألومنيوم الممتازة على مقاومة التآكل إلى الطبقة السطحية الرقيقة غير النفوذة والمتماسكة من أكسيد الألومنيوم التي تتشكّل عندما يتعرّض الفلز للهواء، ممّا يمنع استمرار عملية الأكسدة. أقوى سبائك الألومنيوم تكون أقل مقاومةً للتآكل بسبب التفاعلات الجلفانية مع سبائك النحاس. وهذه المقاومة للتآكل عادةً ماتنخفض انخفاضاً كبيراً عندما يوجد عدّة محاليل ملحية، لا سيّما بوجود معادن مختلفة. إنّ الألومنيوم النقي طري نسبياً، لذلك تستخدم سبائك الألومنيوم عادةً في التطبيقات الصناعية بسبب ارتفاع قيم المتانة والجساءة والصلادة لديها. تبلغ قيمة مقاومة الشدّ للألومنيوم 45 نيوتن/مم²، في حين أنّ معامل القصّ يبلغ 25 كيلو نيوتن/مم²؛ أمّا مقاومة الخضوع للألومنيوم النقي فتبلغ مقدار 7-11 ميغا باسكال، في حين أنّ قيمتها لسبائك الألومنيوم تتراوح من 200 إلى 600 ميغاباسكال.
سبائك الألومنيوم
من السهل على الألومنيوم أن يشكّل سبائك مع العديد من الفلزات الأخرى، وأشهر تلك العناصر التي يُسبَك معها هي النحاس والزنك والمنغنيز والمغنيسيوم والسيليكون. ولذلك توجد عدد معتبر من سبائك الألومنيوم، إذ أن سبكه يحسّن بشكلٍ واضح من خواصّه الهندسية، خاصّةً بعد المعالجة الحرارية. كما يشكّل الألومنيوم العديد من المركّبات بين الفلزية. تسهّل المعالجة الآلية لسبائك الألومنيوم، حيث يمكن أن تخضع للدرفلة والتطريق؛ كما يسهل قولبتها. ولذلك فإنّ أغلب تطبيقات الألومنيوم هي لسبائكه، مثلما هو الحال في رقائق الألومنيوم وعبوات المشروبات. من الأمثلة أيضاً على سبائك الألومنيوم كل من دورالومين؛ وكذلك السبائك التالية المذكورة وفق رموز عناصرها: AlCu و AlMn و AlMg و AlMgSi و AlCuMg و AlZnMg.
الخواص الكيميائية
يجمع الألومنيوم بين خواص الفلزات قبل الانتقالية والفلزات بعد الانتقالية. وفقاً للبنية، يشبه الفلزات قبل الانتقالية من وجود عددٍ محدودٍ من الإلكترونات المتوفّرة من أجل تشكيل الرابطة الفلزية؛ ولكنّه مثل العناصر الأثقل في مجموعته فإنّ الخواص الفيزيائية تكون شبيهةً بالفلزّات بعد الانتقالية، بوجود مسافات بين ذرّية أطول من المتوقّع. يميل أيون الألومنيوم 3+Al إلى تشكيل روابط تساهمية؛ وهذا السلوك يشبه ما لأيون البيريليوم 2+Be، وذلك مثال واضح على العلاقة القطرية.
لا يحوي الألومنيوم على إلكترونات d داخلية على العكس من العناصر الأثقل في مجموعته، بالتالي تحجب الإلكترونات الداخلية إلكترونات التكافؤ بشكلٍ شبه كاملٍ تقريباً؛ ولذلك فإنّ الألومنيوم هو العنصر الأكثر كهرجابية في مجموعة البورون. لا توجد صفات تشاركية كبيرة مع البورون فالأخير شبه فلز، ولكن مركّبات AlX3 متساوية إلكترونياً مع مركّبات BX3، وتشترك معها بأنها أحماض لويس وتشكّل نواتج إضافة بسهولة. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ ما يميّز كيمياء البورون هو تشكيله لبنى متعدّدة السطوح، وتلك يشكّلها الألومنيوم أيضاً في سبائكه شبه البلورية، بما فيها Al–Zn–Mg class.
للألومنيوم ألفة كيميائية مرتفعة تجاه الأكسجين، ممّا يجعل استخدامه ملائماً على شكل مختزل في تفاعل الثرميت. يستطيع مسحوق ناعم من الألومنيوم أن يتفاعل بعنف عند التماس مع الأكسجين السائل. في الأحوال العادية يشكّل الألومنيوم طبقةً من الأكسيد على السطح، تبلغ سماكتها حوالي 5 نانومتر عند درجة حرارة الغرفة؛ وهي تقيه من حدوث تفاعلات تآكل لاحقة بسبب الأكسجين أو الماء أو الأحماض الممدّدة، وتدعى تلك الظاهرة بالتخميل. تمنح هاته الخاصة الألومنيوم العديد من الميّزات، مثل استخدام مساحيقه في الطلاءات فضّية اللون؛ وفي صناعة حاويات الأحماض المخبرية الممدّدة.
يتفاعل الألومنيوم في حمض الهيدروكلوريك المركّز مع الماء، ممّا يؤدّي إلى انطلاق غاز الهيدروجين؛ كما يتفاعل مع محاليل هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم المائية ليشكّل الألومينات الموافقة. ينحلّ الألومنيوم في الماء الملكي؛ وهو يتآكل بسبب الكلوريدات المنحلّة؛ وذلك وفق المعادلة:
ويحدث التآكل خاصّةً في المناطق التي تكون فيها طبقة الأكسيد متضرّرة، حيث يحفّز ذلك على ظهور تنقّر على السطح.
كما تتأثّر طبقة الأكسيد الواقية على الألومنيوم بالتماس مع الزئبق حيث تتشكّل ملغمة؛ وكذلك تتأثّر بأملاح بعض الفلزات الكهرجابية. لذلك فإنّ أقوى سبائك الألومنيوم هي أقلّ مقاومة لتفاعلات الجلفنة عندما يكون مسبوكاً مع النحاس. يتفاعل الألومنيوم مع أغلب اللافلزات عند التسخين، مشكّلاً مركّبات مثل نتريد الألومنيوم AlN وكبريتيد الألومنيوم Al2S3 وهاليدات الألومنيوم AlX3؛ كما يشكّل الألومنيوم طيفاً واسعاً من المركّبات بين الفلزية.
المركبات الكيميائية
اللاعضوية
في الأغلبية العظمى من مركّباته الكيميائية يكون الألومنيوم في حالة الأكسدة +3؛ أمّا العدد التناسقي فهو متفاوت فيها، ولكن غالباً ما يكون الأيون 3+Al إمّا سداسيَّ أو رباعيَّ التناسق. من ناحية أخرى، فإنّ أغلب مركّبات الألومنيوم الثلاثي هي عديمة اللون. هناك عددٌ قليلٌ من المركّبات الكيميائية التي يكون فيها الألومنيوم بحالة أكسدة +1، وهي غالباً هاليدات أحادية مثل أحادي فلوريد الألومنيوم AlF، وأحادي كلوريد الألومنيوم AlCl وكذلك أحادي البروميد AlBr وأحادي اليوديد AlI؛ وتلك المركّبات توجد فقط في الطور الغازي؛ وهي غير مستقرّة.
يوجد أيون الألومنيوم 3+Al في المحاليل المائية على الشكل 3+[Al(H2O)6]، والذي تبلغ قيمة ثابت تفكّك الحمض pKa لديه مقدار 10−5 تقريباً. تكون تلك المحاليل حمضية، لأنّ الكاتيون فيها يكون قادراً على أن يمنح بروتونات وأن يتحلمه لاحقاً إلى أن يتشكّل راسب من هيدروكسيد الألومنيوم Al(OH)3. يكون هذا الأمر مفيداً في أحواض الترسيب في محطّات معالجة المياه، حيث تتجمّع نوى الرواسب على شكل مستعلق، ممّا يسهّل من إزالتها. عند زيادة قيمة pH الوسط فإنّ ذلك يؤدّي إلى انحلال الهيدروكسيد بسبب تشكّل أيون الألومينات −[Al(H2O)2(OH)4].
لمركّب هيدروكسيد الألومنيوم Al(OH)3 خواص مذبذبة (أمفوتيرية)، فهو قادر على أن ينحلّ في الأحماض والقواعد؛ وتلك سمة للكاتيونات القاعدية الضعيفة القادرة على تشكيل هيدروكسيدات غير منحلّة، ويكون للأنواع الكيميائية المميّهة القدرة على منح بروتوناتها. بالتالي، ووفق هذا السياق فإنّ أملاح الألومنيوم تعطي عند تفاعلها مع الأحماض الضعيفة مركّب الهيدروكسيد المُميّه وهيدريد اللافلز الموافق، فعلى سبيل المثال يعطي كبريتيد الألومنيوم مركّب كبريتيد الهيدروجين؛ كما أنّه لا يمكن الحصول على «» على شكل ملح صلب مستقرّ؛ كما لا تحدث عملية حلمهة كاملة لأملاح الألومنيوم مع الأحماض القوية. لذلك لا يمكن الحصول على الأملاح اللامائية من مجرّد تسخين الهيدرات الموافقة، فعلى سبيل المثال، فإنّ كلوريد الألومنيوم المائي سداسي الهيدرات لا يوجد على الشكل النمطي AlCl3·6H2O، ولكن على الشكل Al(H2O)6]Cl3]، حيث تكون الروابط Al–O قوية لدرجة أنّ التسخين يكون غير كافياً لتكسير الروابط وإتاحة الفرصة لتشكيل روابط Al–Cl بدلاً عنها.
إنّ جميع هاليدات الألومنيوم الثلاثية معروفة؛ ولكن في فلوريد الألومنيوم AlF3، وعلى العكس من بنى ثلاثيات الهاليد الأثقل، يكون الألومنيوم سداسي التناسق، الأمر الذي يشرح عدم تطايره وعدم انحلاليته، بالإضافة إلى ارتفاع قيمة الحرارة القياسية للتكوين. ينصهر AlF3 عند 1290 °س، ويُحضَّر من تفاعل أكسيد الألومنيوم مع فلوريد الهيدروجين عند حوالي 700 °س. تُحضَّر الهاليدات الأثقل للألومنيوم من تفاعل الفلز مع الهالوجين الموافق؛ ويكون فيها العدد التناسقي للألومنيوم رباعياً، وتكون بنيتها ثنائية أو متعدّدة الوحدات. فلمركّب كلوريد الألومنيوم AlCl3 بنية بوليميرية ذات طبقات عندما يكون دون نقطة انصهاره 192.4 °س؛ أمّا عند درجات حرارة أعلى تصبح البنية على هيئة جزيئات منفردة من AlCl3 ذات بنية مستوية ثلاثية شبيهة ببنية ثلاثي كلوريد البورون BCl3؛ في حين يوجد كلّ من بروميد الألومنيوم ويوديد الألومنيوم على الشكل الثنائي Al2X6 في الأطوار الثلاثة للمادّة، ولا يظهر تحوّل في خواص البنية عند تغيّر الطور. تتميّز هاليدات الألومنيوم بأنّها من أحماض لويس، وهي قادرة على تشكيل نواتج إضافة، لذلك يكثر استخدامها على شكل حفّازات في تفاعلات صناعية مهمّة مثل تفاعل فريدل-كرافتس وغيره من تفاعلات التحضير الصناعية.
للألومنيوم أكسيد واحد مستقرّ Al2O3، وهو يعرف بالاسم الشائع «ألومينا». ومن الكالكوجينيدات المستقرّة له كلّ من كبريتيد الألومنيوم Al2S3 وسيلينيد الألومنيوم Al2Se3 وكذلك Al2Te3؛ وتُحضّر هذه المركّبات الأخيرة من تفاعل العناصر المكوّنة الموافقة عند درجات حرارة تتجاوز 1000 °س. أمّا مع عناصر مجموعة النتروجين فيُشكّل الألومنيوم كلّ من نتريد الألومنيوم AlN وفوسفيد الألومنيوم AlP وزرنيخيد الألومنيوم AlAs، بالإضافة إلى إثميد الألومنيوم AlSb؛ وهي مركّبات معروفة وتتميّز بخواصّها شبه الموصلة؛ وهي تتشكّل أيضاً من تفاعل العناصر الموافقة عند درجات حرارة مرتفعة.
هناك أيضاً مركّب هيدريد الألومنيوم، وهو مركّب ذو بنية بوليميرية AlH3)n؛ ولا توجد له تطبيقات كثيرة؛ وذلك على العكس من مركّب هيدريد ألومنيوم الليثيوم LiAlH4، والذي يصنّف ضمن الكواشف الكيميائية المهمّة، حيث أنّه من المختزلات الجيّدة في الكيمياء العضوية؛ وهو يُحضَّر من تفاعل هيدريد الليثيوم مع كلوريد الألومنيوم.
العضوية
يوجد للألومنيوم عددٌ من المركّبات العضوية؛ والتي يحمل منها الصيغة العامة AlR3 وكذلك Al2R3Cl3. تعدّ مركّبات ثلاثي ألكيلات وثلاثي أريلات الألومنيوم من المركّبات المتطايرة وذات تفاعلية كيميائية كبيرة، بحيث من السهل عليها أن تحترق وأن تتفاعل مع الماء. عادةً ما تكون مركّبات الألومنيوم العضوية على شكل ثنائيات وحدات، مثل مركّب ثلاثي ميثيل الألومنيوم؛ في حين أنّ ثلاثي إيزوبوتيل الألومنيوم يوجد على هيئة مزيج متوازن كيميائياً بين أحادي (مونومير) وثنائي الوحدات (ديمير). تعدّ مركّبات الألومنيوم العضوية من أحماض لويس القاسية، وهي قادرة على أن تشكّل نواتج إضافة بسهولة. لذلك تستخدم هذه المركّبات في الصناعة من أجل تفاعلات إقحام الألكين على هيئة حفاز تسيغلر-ناتا، والتي تُؤمّن تشكيل كحولات وألكينات أوّلية طويلة السلسلة وغير متفرعّة، وكذلك في بلمرة الإيثيلين والبروبيلين. توجد أيضاً مركّبات حلقية غير متجانسة للألومنيوم وكذلك معقّدات تناسقية عنقودية تتضمّن وجود روابط Al–N فيها.
التحليل الكيميائي
توجد عدّة وسائل تحليلية تقليدية للكشف عن أملاح الألومنيوم، منها:
عن طريق أزرق الكوبالت
يمكن الكشف عن أملاح الألومنيوم بأسلوب تقليدي عن طريق تعريضها للهب مع محلول ممدّد من نترات الكوبالت الثنائي Co(NO3)2 على قضيب من أكسيد المغنيسيوم (المغنيسيا)؛ حيث يتشكّل حينها خضاب أزرق الكوبالت.
عن طريق الكريوليت
لإجراء الكشف وفق هذا الأسلوب يجعل محلول العيّنة الحاوية على الألومنيوم قلوياً، كي يترسّب هيدروكسيد الألومنيوم Al(OH)3. بعد ذلك يُرَشّح الراسب ثم تضاف عليه بضعة قطرات من الفينول فثالين، ثم يُغسَل بحيث لا تبقى أيّة آثار من اللون الأحمر التي سبّبها الفينول فثالين. عند إضافة مسحوق فلوريد الصوديوم NaF الصلب على الراسب، تُسبِّب أيونات الهيدروكسيد، التي تحرّرت جرّاء تشكّل الكريوليت [Na3[AlF6، ظهور اللون الأحمر مجدّداً.
عن طريق المورين
لإجراء الكشف وفق هذا الأسلوب يعالج محلول العيّنة الحاوية على الألومنيوم مع حمض الهيدروكلوريك؛ ثم تضاف كمّيات فائضة من هيدروكسيد البوتاسيوم بحيث يصبح الوسط قلوياً. تضاف بعد ذلك إلى كمّية من المحلول كمّية مكافئة من محلول صباغ المورين؛ ثم يُحمَّض الوسط بواسطة حمض الخليك المركّز، ممّا يؤدّي إلى ظهور خاصّة تفلور أخضر تحت الأشعّة فوق البنفسجية عند طول موجة 366 نانومتر. ويمكن التأكّد من عملية الكشف تلك لدى اختفاء ظاهرة التفلور عند إضافة حمض الهيدروكلوريك مجدّداً.
الدور الحيوي
على الرغم من الانتشار الواسع للألومنيوم في القشرة الأرضية؛ إلّا أنّه لا يعرف له أيّ دورٍ حيوي. عند قيمة pH تتراوح بين 6–9، وهي قيمة pH توافق أغلب المياه الطبيعية، فإنّ الألومنيوم يوجد على شكل هيدروكسيد، وهو راسب غير منحلّ، لذلك فإنّه لا يكون متوفّراً، وتلك سمة تشترك بها أغلب العناصر التي لا يكون لها دورٌ حيوي.
في جسم الإنسان
يوجد في جسم الإنسان وسطياً حوالي 50-150 مغ من الألومنيوم؛ والكمّية موزّعة بشكلٍ منتظم؛ وهو لا يُصنَّف بالنسبة للإنسان ضمن العناصر الشحيحة الأساسية للوظائف الحيوية فيه. يَطرَح جسم الإنسان القسم الأعظمي من الألومنيوم الذي قد يكون موجوداً في الغذاء، ولا يُمتَصّ في الجهاز الهضمي إلّا بنسبةٍ تتراوح بين 1-3 بالألف؛ ومنه يتوزّع إلى الأنسجة بشكل رئيسي عبر بروتينات الترانسفرين. يمكن أن يُنقَل الألومنيوم مثلاً على شكل أيون مشحون على شكل معقّد مع الفوسفات؛ وتبلغ قيمة عمر النصف لأيونات الألومنيوم في الدمّ حوالي 8 ساعات.
في النباتات
يصل الألومنيوم إلى النباتات عادةً عن طريق الرشح من تربة القشرة الأرضية بفعل الأمطار؛ ويزداد ذلك الأمر خاصّةً بتأثير المطر الحمضي. تعدّ ظاهرة تَحَمُّض التربة من العوامل المساعدة على ازدياد رشح الألومنيوم، إذ عندما تصبح قيمة pH الوسط أقلّ من 5 يمتصّ الألومنيوم من جذور النباتات على هيئة أيونات 3+Al؛ وهو أمرٌ يؤذي نموّ الجذور الدقيقة، خاصّةً عندما لا يكون للنبات القدرة على تحمّل الألومنيوم فإنّه يقع تحت إجهاد، وذلك يؤثّر سلباً على نموّ الجذر ودوره الوظيفي. من جهةٍ أخرى، توجد بعض الأنواع النباتية المعدّلة وراثياً مثل رشاد الصخر والسورغم والقادرة على تحمّل ارتفاع نسبة الألومنيوم في التربة.
في الغذاء
توجد آثار زهيدة من الألومنيوم في الغذاء، وهي تتفاوت حسب المنشأ، وتصل كمّيتها في المأكولات الطازجة بأقلّ من 5 ميليغرام لكلّ كيلوغرام (مغ/كغ). بالمقابل قد يصل محتوى الألومنيوم في أوراق الشاي الأسود إلى 1042 مغ/كغ.
قد يؤدّي طهي الأغذية أو حفظها في أوعية من الألومنيوم أو رقائقه إلى زيادة أعظمية من امتصاص الألومنيوم تصل إلى 3.5 مغ/اليوم/الشخص؛ وهي قد تزداد في الأغذية الحمضية، مثل الملفوف المخمّر، وذلك وفق تقديرات المعهد الألماني لتقييم المخاطر؛ ولذلك يوصي بعدم استخدام الأوعية المصنوعة من الألومنيوم في طهي أو حفظ الأغذية الحمضية.
من جهةٍ أخرى، فإنّ المشروبات تحوي نسبة أعظمية من الألومنيوم تتراوح بين 0.2-0.4 مغ/ل؛ وهي بذلك لا تعدّ مصدراً للألومنيوم غذائياً. عينت الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية مقدار 1 مغ لكل كغ من وزن الجسم بأنّه الحدّ الأسبوعي المسموح من الألومنيوم في الغذاء.
بالمقابل، فإنّ الألومنيوم قد يستخدم في بعض الأحيان ضمن الإضافات الغذائية، وهو يملك رقم إي E173، ولكن ذلك محصور في مجال تزيين الحلويات.
الأثر البيئي
من الآثار البيئية المترتّبة من إنتاج الألومنيوم هو ظهور مساحات كبيرة بعد استخراج البوكسيت، والتي تحتاج إلى إعادة إنبات بعد ذلك؛ إذ لإنتاج طنٍّ واحد من الألومنيوم يلزم حوالي 4 أطنان من البوكسيت؛ وحفره يعطي عشرة أطنان من الغطاء الفوقي. تؤدّي عملية باير إلى تراكم مخلفات خام البوكسيت القلوية، والتي تعرف أيضاً باسم «». تأتي الإشكالية أنّه من الصعب الاستفادة من تلك المُخَلّفات، وهي تسبّب مشاكل بيئية بحدّ ذاتها. من جهةٍ أخرى، تعدّ عملية إنتاج الألومنيوم من العمليّات المستهلكة جدّاً للطاقة؛ إذ تتطلّب عملية التحليل الكهربائي لإنتاج كيلوغرام واحد من الألومنيوم استهلاك حوالي 12.9-17.7 كيلوواط ساعي. كما تنتج العملية حوالي 10 كغ من غاز ثنائي أكسيد الكربون CO2. تساعد عمليّات إعادة تدوير الألومنيوم على التخفيف من أثر مخلّفات هذا الفلز، وهي في ازدياد مستمرّ؛ كما يساعد استخدام تركيبات خفيفة من الألومنيوم، على شكل رغوة على سبيل المثال، في التخفيف من الانبعاثات الصادرة من استهلاك المواد والطاقة.
يمكن أن يرتفع مستوى الألومنيوم بالقرب من مواقع التعدين بسبب عمليات الإنتاج؛ كما يمكن أن تتسرّب كمّيّات صغيرة من الألومنيوم إلى البيئة عند مواقع توليد الطاقة العاملة على الفحم أو بالقرب من مرمّدات النفايات. عادةً ما يُغسَل الألومنيوم العالق في الهواء بالمطر أو أن يترسّب إلى الأرض، ولكن هناك احتمالية أن تبقى بعض الجسيمات معلّقة في الهواء لفترة طويلة.
يعدّ الهطول الحمضي العامل الرئيسي الطبيعي الذي يحرّك الألومنيوم من مصادره الطبيعية، وهو كذلك أيضاً المسبّب الرئيسي للآثار البيئية للألومنيوم؛ على الرغم من ذلك، فإنّ المسبّب الرئيسي لوجود الألومنيوم في المياه العذبة والمالحة هو العمليات الصناعية التي تحرّر الألومنيوم إلى الهواء. يكون لوجود الألومنيوم في الماء أثراً سامّاً على السمك، عندما يكون الماء حمضياً، إذ يمكن للألومنيوم أن يترسّب على الخياشيم؛ الأمر الذي يسبّب خللاً في التنظيم الأسموزي (التناضحي) لديها. من الممكن نظرياً أن تُخِلّ معقّدات الألومنيوم العضوية باستقلاب الحيوانات والطيور لدى امتصاصها؛ إلّا أنّ هذا الأمر من النادر حدوثه عملياً.
لا يؤثّر وجود الألومنيوم في التربة المعتدلة على نموّ النباتات؛ إلّا أنّ ارتفاع تركيز أيونات الألومنيوم 3+Al في التربة الحمضية يعدّ سامّاً ومن العوامل الرئيسية التي تحدّ من نموّ النبات، حيث يؤثّر على نموّ الجذر ودوره الوظيفي. من التبعات البيئية الأخرى المتعلّقة بإنتاج الألومنيوم ارتفاع انبعاثات الغازات الدفيئة إلى المحيط الحيوي؛ وأخطر تلك الغازات هي الفلوروكربونات المنبعثة من عمليات الصهر؛ كما يساعد غاز ثنائي أكسيد الكبريت على تشكّل المطر الحمضي.
الأهمية الاقتصادية
بلغ الإنتاج العالمي من الألومنيوم 58.8 مليون طن متري في سنة 2016، وهو بذلك يأتي في المرتبة الثانية من الفلزات المعدنية بعد الحديد من حيث كمّيّة الإنتاج (1.231 مليون طن متري). يتراوح سعر الألومنيوم في السوق العالمي منذ أوائل ثمانينيات القرن العشرين حوالي 2000 دولار أمريكي لكلّ طن (لنقاوةٍ مقدارها 99.7%)؛ ولكنّه عرضةٌ للتقلّب والتفاوت، كما حدث سنة 2016 عندما هبط سعره إلى حوالي 1500 دولار أمريكي، قبل أن يعود السعر إلى عتبة 2000 دولار أمريكي السابقة. في سنة 2020 فرضت الولايات المتحدة ضريبة استيراد مقدارها 10% على الألومنيوم المستورد من كندا من أجل حماية إنتاجها المحلي.
تعدّ صناعة الألومنيوم في المنطقة العربية من الصناعات الهامّة؛ وتنتشر مصانع الألومنيوم في عددٍ من الدول العربية، مثل دوبال في الإمارات العربية المتحدة، وصحار للألومنيوم في سلطنة عمان، وألومنيوم قطر وألومنيوم البحرين؛ بالإضافة إلى مصر للألومنيوم وألومنيوم المغرب.
الاستخدامات
تشمل التطبيقات الرئيسية للألومنيوم كلّ من صناعة وسائل النقل المختلفة على أنواعها من الطائرات والمركبات والسيّارات والدرّاجات إلى غير ذلك؛ بالإضافة إلى صناعة العبوات والرقائق للصناعات الغذائية؛ وكذلك في الإنشاءات المعدنية لصناعة النوافذ والأبواب؛ وفي الصناعات الهندسية والإلكترونية.
صناعة الهياكل المعدنية
للألومنيوم صلابة بنيوية نوعية مرتفعة، بالمقارنة مع الفولاذ فإنّ الأجزاء الصناعية المصنوعة من الألومنيوم والتي لها نفس الصلابة تكون أقلّ وزناً بحوالي النصف، ولكنّها ذات حجم أكبر، لأنّ كثافتها أخفض. لذلك السبب يكثر استخدام الألومنيوم وسبائكه في صناعة الهياكل المعدنية المستخدمة في وسائل النقل، وخاصّةً صناعة الطائرات والمركبات الفضائية؛ وكذلك في صناعة هياكل السيارات والدرّاجات الهوائية. شَكّل قطاع صناعة المركبات ووسائل النقل سنة 2010 حوالي 35% من الاستخدام العالمي للألومنيوم.
السيارات
يُستخدَم الألومنيوم وسبائكه بشكل كبير في صناعة قطع السيارات، ذلك بسبب خواصّها الحرارية والهندسية (مثل قابلية السبك) الجيّدة. يدخل الألومنيوم في تركيب هيكل السيارة ومكوّناته مثل الأجنحة (الرفرف) وغطاء المحرك؛ وكذلك أيضاً في تركيب هيكل المحرّك وقطعه مثل المكبس والأسطوانات ورأسها، بالإضافة إلى هياكل علبة السرعة؛ وكذلك في تركيب مجموعة الحركة والموجّهات العرضية وغيرها. يُستخدَم الألومنيوم أيضاً في تركيب المنصّات الذيلية الرافعة في مركبات الخدمة التجارية.
المقطورات
يدخل الألومنيوم أيضاً في تركيب المقطورات على السكك الحديدية، ممّا ساعد على التخفيف من وزن المقطورات التي تُصنَع بشكل رئيسي من الصلب (الفولاذ)، خاصّةً مع تطوّر وسائل اللحام القوسي مثل لحام الغاز الخامل-تنغستن واللحام قوسي بالمعدن والغاز.
الطائرات
تستخدم أنواع مختلفة من سبائك الألومنيوم، مثل مغناليوم ودورالومين، في صناعة هياكل الطائرات، بحيث أنّ حوالي 60% من كتلة الطائرة يتركّب من الألومنيوم. وعادةً ما تُثبَّت القطع المصنوعة من الألومنيوم الداخلة في تركيب الطائرات بواسطة أساليب آلية (تثبيت بالبرشام)، ويُتجنَّب استخدام اللحام لذلك الغرض.
الصناعات الإلكترونية
التوصيل الكهربائي
يُصنّف الألومنيوم ضمن الموصلات الكهربائية الجيّدة، فهو يأتي في المرتبة الرابعة بعد الفضّة والذهب والنحاس من حيث التوصيل الكهربائي. وهو غالباً ما يُستخدَم في التطبيقات التي يمثّل فيها الوزن الكبير مشكلة، مثل خطوط الجهد العالي والمحطّات الفرعية. كما تُستخدَم الأسلاك المصنوعة من الألومنيوم المكسوّة بالنحاس في التمديدات الكهربائية؛ من جهةٍ أخرى يُفضَّل النحاس على الألومنيوم في تركيب الأسلاك العلوية لأنّ قدرة التماس والانسحاب على السطح لدى النحاس أفضل.
الصناعات الإلكترونية
للألومنيوم تطبيقات في الصناعات الإلكترونية نظراً للخواص الإلكترونية والحرارية الجيّدة. فهو يدخل في تركيب الدارات المتكاملة والترانزستورات؛ إلى جانب المقاومية الضعيفة للألومنيوم خواص مميّزة أخرى تشمل سهولة التصنيع باستخدام التنميش الجاف وكذلك الانتشار الضعيف للتيار في المواد العازلة. إلّا أنّ النحاس يُفضَّل على الألومنيوم أيضاً في مثل هذه التطبيقات.
التعبئة والتغليف
في مجال التعبئة والتغليف يوجد للألومنيوم العديد من التطبيقات، فهو يُستخدَم في صناعة عبوات المشروبات والأغذية المعلبة، بالإضافة إلى صناعة رقائق الألومنيوم؛ وهو مُفضّل لمثل تلك التطبيقات بسبب خفّة وزنه ومتانته وسهولة تصفيحه، وبسبب قدرته على تشكيل حاجز آمن عن العوامل الخارجية مثل الهواء والضوء. يُستخدَم الألومنيوم أحياناً في صناعة الأواني والأوعية المختلفة، مثل إبريق الموكا لتحضير القهوة. يُشكّل مجال التعبئة والتغليف حوالي 17% من استهلاك الألومنيوم في أوروبا سنة 2017.
الإنشاءات الهندسية
يُستخدَم مسحوق ومعجون الألومنيوم في تصنيع الخرسانة خفيفة الوزن؛ كما تُستخدَم مركّبات الألومنيوم اللاعضوية المختلفة مثل هيدروكسي كبريتات الألومنيوم، أو هيدروكسي فورميات الألومنيوم أو هيدروكسيد الألومنيوم اللابلوري من أجل تسريع تصلّب الخرسانة.
ينتشر استخدام الألومنيوم وسبائكه في الإنشاءات الهندسية، وذلك في هياكل النوافذ والأبواب؛ وكذلك بشكلٍ رئيسي في واجهات المباني؛ ومن الأمثلة على ذلك متحف الحرب الإمبراطوري الشمالي في منطقة مانشستر الكبرى في إنجلترا.
تطبيقات أخرى
يُستخدَم الألومنيوم نظراً للانعكاسية المرتفعة له في بعض التطبيقات التي تتطلّب وجود مرآة معدنية عاكسة، مثل الماسح الضوئي والكاميرات العاكسة وكذلك في المصابيح الأمامية للسيارات؛ وغيرها.
يستخدم مسحوق الألومنيوم في تركيب المادّة الدافعة في الصواريخ ذات الوقود الصلب؛ كما يدخل في تركيب الألعاب النارية.
نظراً لقدرة الألومنيوم على الاختزال عند درجات حرارة مرتفعة لذلك تُستخدَم تفاعلات الألومنيوم الطاردة للحرارة من أجل استحصال الفلزات الأخرى في الصناعات التعدينية؛ وكذلك في مجال اللحام الطارد للحرارة.
يكثر دخول الألومنيوم في تصنيع سبائك مختلفة ذات تطبيقات خاصّة، مثل سبيكته مع التيتانينوم.
المخاطر
تتميّز أملاح الألومنيوم اللاعضوية بأنّها غير غير سامّة بشكل واضح، فعلى سبيل المثال تبلغ قيمة الجرعة المميتة الوسطية LD50 لمركّب كبريتات الألومنيوم مقدار 6207 مغ/كغ (فئران، فموي)، والتي تكافئ 435 غ لشخص وزنه 70 كغ. لا يُصنَّف الألومنيوم ضمن الفلزات الثقيلة؛ كما لا تصنّفه وزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية ضمن المسرطنات. لا توجد دلائل كافية تُبَيّن أنّ التعرّض العادي للألومنيوم قد يمثّل خطراً على صحّة وسلامة الشخص البالغ؛ كما أنّ الدلائل المتوفّرة لا تظهر وجود تأثير سمّي للألومنيوم إذا لم تتجاوز الجرعة 40 مغ/اليوم لكلّ كيلوغرام من وزن جسم الإنسان. تعدّ نسبة 10 ميكروغرام/الليتر من أيونات الألومنيوم في الدمّ من النسب المقبولة والتي لا تمثّل خطورة؛ أمّا عندما يكون تركيز تلك الأيونات حوالي 60 ميكروغرام/الليتر فذلك يمثّل خطورة على الجسم؛ في حين أنّ تركيز 200 ميكروغرام/الليتر يعدّ ذا تأثير سمّي. إنّ أغلب الألومنيوم المستهلَك يغادر الجسم في البراز؛ وأغلب الجزء المتبقّي الذي يدخل مجرى الدم يُطرَح عن طريق البول.
يمكن للألومنيوم في حالات نادرة أن يسبّب تلين العظام المقاوم للفيتامين د، وكذلك فقر الدم صغير الكريات المقاوم للإريثروبويتين، وخاصّةً لدى المرضى الذين لهم قصور كلوي. يمكن أن يؤدّي التناول المزمن لسيليكات الألومنيوم المميّهة (للتحكم بالحموضة المعدية المفرطة) إلى ارتباط الألومنيوم بمحتويات الأمعاء وأن ينافس عناصر غذائية معدنية أخرى ويزيد من طرحها، مثل الحديد والزنك؛ بحيث أنّ جرعات مرتفعة تزيد عن 50 غ/اليوم يمكن أن تسبّب فقر الدم. هناك عددٌ من المخاطر المقترنة بارتفاع تركيز الألومنيوم في الدم؛ فهناك شكّ بوجود صلة وصل بين الألومنيوم وبين مرض آلزهايمر؛ ولكنّ الأبحاث المستمرّة على عدّة عقود لم تستطع إثبات وجود دليلٍ على علاقةٍ سببيّةٍ بينهما. من جهةٍ أخرى، وُجِدَ أنّ الألومنيوم يزيد من التعبير الجيني المتعلّق بالإستروجين في خلايا سرطان الثدي البشرية المنمّاة مخبرياً. كما يترافق وجود الألومنيوم بتراكيز مرتفعة جدّاً مع حدوث تغيّر وظيفي في أداء الحاجز الدموي الدماغي.
يؤدّي التعرّض المستمرّ إلى مسحوق الألومنيوم أو أبخرة لحام الألومنيوم إلى حدوث تليّف رئوي؛ بالإضافة إلى المخاطر التي يمكن أن يسبّبها مسحوق الألومنيوم الناعم من حيث سهولة الاحتراق والتسبّب بحدوث مخاطر مهنية.
انظر أيضًا
تاريخ الألومنيوم
رقاقة ألومنيوم
سبائك الألومنيوم
هوامش
المراجع
فهرس المراجع
باللغة العربية
بلغات أجنبية
المعلومات الكاملة للمصادر
سبائك الألومنيوم
عناصر كيميائية
فلزات بعد انتقالية
مختزلات
مضافات رقم إي
معادن عناصر طبيعية
ملوثات هواء خطرة
مواد معدنية
موصلات كهربائية
وقود التقانة النارية
وقود الصواريخ