Alüminyum

Alüminyum, atom numarası 13 ve simgesi Al olan kimyasal element. Gümüş renkte, sünek bir metaldir. Doğada genellikle boksit cevheri halinde bulunur ve oksidasyona karşı üstün direnci ile tanınır. Bu direncin temelinde pasivasyon özelliği yatar. Endüstrinin pek çok kolunda milyonlarca farklı ürünün yapımında kullanılmakta olup, dünya ekonomisi içinde çok önemli bir yeri vardır. Alüminyumdan üretilmiş yapısal bileşenler uzay ve havacılık sanayii için vazgeçilmezdir. Hafiflik ve yüksek dayanım özellikleri gerektiren taşımacılık ve inşaat sanayiinde geniş kullanım alanı bulur.

Alüminyum, yumuşak ve hafif bir metal olup mat gümüşümsü renktedir. Bu renk, havaya maruz kaldığında üzerinde oluşan ince oksit tabakasından ileri gelir. Alüminyum, zehirleyici ve manyetik değildir. Kıvılcım çıkarmaz. Saf alüminyumun çekme dayanımı yaklaşık 49 megapascal (MPa) iken alaşım haline getirildiğinde bu değer 700 MPa'a çıkar. Yoğunluğu, çeliğin veya bakırın yaklaşık üçte biri kadardır. Kolaylıkla dövülebilir, makinede işlenebilir ve dökülebilir. Çok üstün korozyon özelliklerine sahip olması, üzerinde oluşan oksit tabakasının koruyucu olmasındandır. Elektrik iletkenliği %64,94 IACS'dir (saf Al, 2 °C'de). Erime sıcaklığı 660 °C, kaynama sıcaklığı ise 2519 °C'dir.

Genel olarak, Dünya kütlece yaklaşık %1.59 alüminyumdur (kütlece yedinci sıradadır). Alüminyum, Evren'in geneline kıyasla Dünya'nın kabuğunda daha büyük oranda vardır çünkü alüminyum kolayca oksitlenir ve kayalara bağlanıp kalır. Dünya'nın kabuğu'nda daha az reaktif metaller çekirdeğe doğru batar. Yerkabuğunda alüminyum en bol bulunan metalik elementtir (kütlece %8.23) ve tüm elementler arasında en bol bulunan üçüncü elementtir. (oksijen ve silikondan sonra). Yerkabuğundaki çok sayıda silikat alüminyum içerir. Buna karşılık, Dünya'nın manto kütlesinin sadece %2.38'i alüminyumdur. Alüminyum ayrıca deniz suyunda 2 μg/kg konsantrasyonda bulunur.

Oksijene olan güçlü birleşme eğilimi (ing: affinity) nedeniyle, alüminyum element halinde neredeyse hiç bulunmaz; bunun yerine oksitlerde veya silikatlarda bulunur. Feldspatlar, yerkabuğundaki en yaygın mineral grubu, alüminosilikatlardır. Alüminyum ayrıca beril, kriyolit, garnet, spinel ve turkuaz minerallerinde de bulunur. Al2O3 içindeki krom ve demir gibi safsızlıklar, sırasıyla yakut ve safir gibi değerli taş ürünlerini verir. Doğal alüminyum metali son derece nadirdir ve yalnızca belirli volkanların iç kısımları gibi düşük oksijenli fugasite ortamlarda küçük bir faz olarak bulunabilir. Güney Çin Denizi'nin kuzeydoğusunda kıtasal eğimdeki soğuk sızıntılarda doğal alüminyum bildirilmiştir. Bu tortuların, tetrahidroksoalüminat Al(OH)4−'un bakteriyel redüksiyonundan kaynaklanmış olması mümkündür.

Alüminyum bol bir element olmasına rağmen, tüm alüminyum mineralleri ekonomik olarak uygun metal kaynakları değildir. Hemen hemen tüm metalik alüminyum, cevher boksit (AlOx(OH)3–2x)'dan üretilir. Boksit, tropikal iklim koşullarında düşük demir ve silika anakayasının kötü havadan ayrışma ürünü olarak oluşur. 2017 yılında çoğu boksit Avustralya, Çin, Gine ve Hindistan'da çıkarıldı.

Eski Yunanlar ve Romalılar, alüminyum(æljʊˈmɪniəm)un tuzlarını, boyaların renklerini sabitleştirmede ve kan durdurucu olarak kullanmışlardır. Alum günümüz tıbbında hala kan durdurucu ve damar büzücü olarak kullanılmaktadır.

Friedrich Wöhler'in, alüminyumu, 1827'de, susuz alüminyum klorürü potasyum ile karıştırarak ayrıştıran ilk kişi olduğu bilinse de metal, o tarihten iki sene kadar önce, Danimarkalı bir fizikçi ve kimyacı olan Hans Christian Ørsted tarafından saf olmayan bir formda üretilmiştir. Dolayısıyla almanaklarda ve kimya literatüründe Øersted'in adı alüminyumu bulan kişi olarak geçer. Fransız Henri Saint-Claire Deville, 1846'da, Wöhler'in metodunu, daha pahalı olan potasyum yerine sodyum kullanarak geliştirmiştir.

Amerikalı Charles Martin Hall 1886'da, alüminyumun elektrolitik bir işlemle eldesine ilişkin bir patent başvurusunda (patent no: 400655) bulunmuş, aynı yıl, Hall'un bu buluşundan tamamen habersiz olmak üzere Fransız Paul Héroult da aynı tekniği Avrupa'da geliştirmiştir. Bu nedenle iki bilim adamının adı verilen Hall-Heroult işlemi, günümüzde alüminyumun cevherinden eldesinde bütün dünyada kullanılan temel yöntemdir.

ABD'deki Washington anıtının zirvesinin yapımında alüminyum kullanılması kararlaştırılmış ve o tarihte alüminyumun yaklaşık 30 gramının maliyeti bu projede çalışan bir işçinin yevmiyesinin iki katına eşdeğer olmuştur.

Adolf Hitler'in yönetime gelişinden hemen sonraki yıllarda Almanya, alüminyum üretiminde dünya lideri olmuştur. Ancak 1942'de, ABD'de yeni hidroelektrik santral projelerinin (örneğin, Grand Coulee Barajı) devreye alınması, ABD'ye Nazi Almanya'sının baş edemeyeceği bir üstünlük vermiştir. Bu üstünlük, dört yıl içinde 60 bin savaş uçağı yapmaya yetecek kadar alüminyum üretimi şeklinde ortaya çıkmıştır.

Alüminyum ilk keşfedildiği yıllarda cevherinden ayrıştırılması çok zor olan bir metal idi. Alüminyum arıtılması en zor metallerden biridir. Bunun nedeni çok hızlı oksitlenmesi, oluşan bu oksit tabakasının çok kararlı oluşu ve demirdeki pasın aksine yüzeyden sıyrılmayışıdır.

Alüminyum üretimi çok enerji tüketir ve bu yüzden üreticiler izabe tesislerini elektriğin hem bol hem de ucuz olduğu yerlere yerleştirir. 2019 itibarıyla dünyanın en büyük alüminyum izabecileri, Çin, Hindistan, Rusya, Kanada ve Birleşik Arap Emirlikleri'nde bulunurken, Çin, %55 dünya alüminyum payı ile açık ara en büyük alüminyum üreticisidir.

Uluslararası Kaynak Paneli'nin Toplumdaki Metal Stokları raporu'na göre (ingilizce:Metal Stocks in Society report), toplumda (yani arabalarda, binalarda, elektronikte vb.) kullanılan küresel kişi başına alüminyum stoğu 'dır: Bunun çoğu, (sadece )'nı kullanan daha az gelişmiş ülkeler yerine (kişi başına ) kullanım ile) daha gelişmiş ülkelerdedir.

Alüminyum üretimi, boksit kayanın yerden çıkarılmasıyla başlar. Boksit, Bayer işlemi kullanılarak işlenir ve alümina'ya dönüştürülür, daha sonra Hall–Héroult işlemi kullanılarak işlenir ve nihai alüminyum metali elde edilir.

Bu yöntemde alüminyum oksit, ergimiş kriyolit içinde çözündürülür ve daha sonra saf metale indirgenir. İndirgenme hücrelerinin çalışma sıcaklığı 950-980 °C civarındadır.

Kriyolit, Grönland adasında bulunan doğal bir mineraldir fakat alüminyum üretimi için sentetik olarak yapılır. Kriyolit, alüminyum ve sodyumun florürlerinin bir karışımı olup, formülü Na3AlF6 şeklindedir.

Bu reaksiyondan sonraki bulamaç, atmosfer kaynama noktasının üzerinde bir sıcaklıktadır. Basınç azaldıkça buhar çıkarılarak soğutulur. Boksit kalıntısı çözeltiden ayrılır ve atılır. Katısız çözelti, küçük alüminyum hidroksit kristalleri ile tohumlanır; bu, [Al(OH)4]− iyonlarının alüminyum hidroksite ayrışmasına neden olur. Alüminyumun yaklaşık yarısı çöktükten sonra karışım sınıflandırıcılara gönderilir. Küçük alüminyum hidroksit kristalleri, tohumlama ajanları olarak hizmet etmek üzere toplanır; kaba parçacıklar ısıtılarak alüminaya dönüştürülür; fazla çözelti buharlaştırma yoluyla çıkarılır, (gerekirse) saflaştırılır ve geri dönüştürülür.

olup alüminyum iyonunun elektron alarak indirgendiğini gösterir. Alüminyum metali daha sonra hücrenin tabanına sıvı halde çöker ve buradan sifonlanarak dışarı alınır.

Katotlar elektroliz işlemi sırasında, anotların tersine tükenmezler çünkü katotta oksijen çıkışı olmaz. Katodun karbonu, hücre içinde sıvı alüminyum ile örtülmüş olduğu için korunmalıdır. Öte yandan katotlar, elektrokimyasal işlemler gereği erozyona uğrarlar. Elektrolizde uygulanan akıma bağlı olarak, hücrelerin 5-10 yılda bir tümüyle yenilenmesi gerekir.

Hall-Héroult işlemiyle alüminyum elektrolizi çok elektrik enerjisi tüketse de alternatif yöntemler gerek ekonomik gerekse ekolojik olarak uygulanabilirlikten uzaktır. Dünya genelinde, ortalama spesifik enerji tüketimi, kg Al başına yaklaşık 15±0.5 kilowatt saat'tir (52-56 MJ/kg). Modern tesislerde bu rakam yaklaşık 12.8 kW·h/kg (46.1 MJ/kg) civarındadır. İndirgeme hattının taşıdığı elektrik akımı, eski teknolojilerde 100-200 kA iken bu değer, modern tesislerde 350 kA'e kadar çıkmış olup 500 kA'lik hücrelerde deneme çalışmaları yapıldığı bilinmektedir.

Alümina'nın alüminyum metale dönüştürülmesi Hall–Héroult işlemiyle sağlanır. Bu enerji yoğun süreçte, kriyolit (Na3AlF6) ile kalsiyum florür ('de erimiş karışımdaki alümina çözeltisi metalik alüminyum üretmek için elektroliz edilir. Sıvı alüminyum metal çözeltinin dibine çöker ve akıtılır ve daha sonraki işlemler için genellikle alüminyum kütükler (ingilizce: billet) adı verilen büyük bloklara dökülür.

Elektroliz hücresinin anotları, florür korozyonuna karşı en dirençli malzeme olan karbondan yapılmıştır veya işlem sırasında pişirilir ya da önceden fırınlanır. Söderberg anotları olarak da adlandırılan birincisi güç açısından daha az verimlidir ve pişirmede açığa çıkan dumanların toplanması maliyetlidir, bu nedenle katotları önceden pişirmek için güç, enerji ve işçilikten tasarruf edilmesine rağmen, önceden pişirilmiş anotlarla değiştirilmelerinin nedeni budur. Anotlar için karbon tercihen saf olmalıdır, böylece ne alüminyum ne de elektrolit kül ile kirlenmez. Karbonun korozyona karşı direncine rağmen, üretilen her bir kilogram alüminyum için hala 0.4–0.5 kg oranında tüketilir.

Katotlar antrasit'den yapılmıştır, çok saf olmaları gereksizdir çünkü safsızlıkların süzülmesi çok yavaştır. Katot, üretilen her kilogram alüminyum için 0.02-0.04 kg oranında tüketilir. Bir hücre genellikle katodun arızalanmasının ardından 2-6 yıl sonra sonlandırılır.

Hall-Heroult işlemi, saflığı %99'un üzerinde olan alüminyum üretir. Hoopes işlemi ile daha fazla saflaştırma yapılabilir. Bu işlem, erimiş alüminyumun sodyum, baryum ve alüminyum florür elektroliti ile elektrolizini içerir. Elde edilen alüminyumun saflığı %99.99'dur.

Elektrik gücü, izabe tesisinin konumuna bağlı olarak, alüminyum üretim maliyetinin yaklaşık %20 ila %40'ını temsil eder. Alüminyum üretimi, Amerika Birleşik Devletleri'nde üretilen elektriğin kabaca %5'ini tüketir. Bu nedenle, Hall-Héroult sürecine alternatifler araştırıldı ancak hiçbirinin ekonomik olarak uygulanabilir olmadığı ortaya çıktı.

Alüminyum üretim maliyetinin %20-40'ını, tesisin bulunduğu yere göre değişmek üzere, elektrik enerjisi oluşturmaktadır. Bu nedenle alüminyum üreticisi işletmeler, Güney Afrika, Yeni Zelanda'nın Güney Adası, Avustralya, Çin, Orta Doğu, Rusya, İzlanda, Kanada'da Québec gibi elektrik enerjisinin bol ve ucuz olduğu bölgelere yakın olmak eğilimindedirler.

Geri kazanım işlemi 1900'lü yılların başlarından beri uygulanmakta olup yeni değildir. Metalin geri dönüşüm yoluyla geri kazanılması, alüminyum endüstrisinin önemli bir görevi haline geldi. Geri dönüşüm, 1960'ların sonlarına kadar, alüminyum içecek kutuları kullanımının artmasıyla kamuoyunun bilinçlendirilmesine kadar önemsiz bir faaliyetti. Diğer geri döndürülen alüminyum kaynakları arasında otomobil parçaları, pencere ve kapılar, cihazlar ve konteynerler sayılabilir.

Geri kazanım, girdi malzemesinin %15'ine kadar önemli bir kısmını cüruf, (kül benzeri oksit) olarak kaybolmasına rağmen, cevherden alüminyum üretmek için kullanılan enerjinin yalnızca %5'ini gerektiren hurdanın eritilmesini kapsar. Bir alüminyum yığın eritici, %1'in altında bildirilen değerlerle çok daha az cüruf üretir.

Birincil alüminyum üretiminden ve ikincil geri dönüşüm işlemlerinden kaynaklanan beyaz cüruf, endüstriyel olarak çıkarılmış olabilecek yararlı miktarlarda alüminyum içerir. İşlem, son derece karmaşık atık malzeme ile birlikte alüminyum kütükler üretir. Bu israfın yönetimi zordur. Su ile reaksiyona girerek hava ile temas ettiğinde kendiliğinden tutuşan bir gaz karışımı (diğerlerinin yanı sıra hidrojen, asetilen ve amonyak dahil) açığa çıkarır; nemli hava ile temas çok miktarda amonyak gazının salınmasına neden olur. Bu zorluklara rağmen, atık asfalt ve beton'da dolgu maddesi olarak kullanılır.

Alüminyumun canlı hücreler üzerinde yararlı bir işleve sahip olduğu gözlemlenmemiştir. Bazı kişilerde, alüminyumun herhangi bir formundan kaynaklanabilen temas dermatiti (deri iltihabı), stiptik (kan durdurucu) veya ter önleyici ürünler kullanımıyla birlikte ortaya çıkan kaşıntılı kızarıklık, alüminyum tencerelerde pişen yemeklerin yenmesiyle ortaya çıkan sindirim bozuklukları ve besinlerin emiliminin durması, ve Rolaids, Amphojel, ve Maalox gibi antasit (asit giderici) ilaçların kullanımıyla ortaya çıkan kusma gibi zehirlenme belirtileri şeklinde alerjik reaksiyonlar yaratabilir. Diğer kişilerde alüminyum, ağır metaller kadar zehirli olmasa da ve alüminyumdan yapılmış mutfak gereçleri kullanımının (yüksek korozyon direnci ve iyi ısı iletkenliği nedeniyle tercih edilir), genelde alüminyum zehirlenmesine yol açtığı kanıtlanmamış olsa da, yüksek dozlarda alındığında zehirlenme belirtileri gösterebilir. Alüminyum bileşikleri içeren antasitlerin aşırı dozda tüketimi ve alüminyum içeren ter önleyicilerin aşırı miktarda kullanımı zehirlenme nedeni olabilir. Alüminyumun Alzheimer hastalığına yol açtığı iddia edilmişse de bu araştırmanın tam tersine, Alzeimer hastalığının neden olduğu tahribatın, vücutta alüminyum birikimine yol açtığı şeklinde çürütülmüştür. Özetle, eğer alüminyum zehirlenmesi varsa bunun oldukça spesifik bir mekanizma ile gerçekleşmesi gerekir. Zira insanın yaşamı boyunca, toprakta doğal kil mineralinin içindeki alüminyum ile olan teması zaten yeterince yüksektir.

Alüminyumun, onun hızla korozyona uğramasına neden olan bazı kimyasallarla temas etmesinden kaçınmak gerekir. Örneğin, bir parça alüminyumun yüzeyine damlatılan çok küçük bir miktar cıva, koruyucu alüminyum oksit tabakasını kolayca deler ve birkaç saat içinde devasa yapı kirişleri bile önemli derecede zayıflayabilir. Bu nedenle, pek çok havayolu şirketi, uçakların yapısal iskeletinde alüminyum önemli bir yer tuttuğu için cıvalı termometrelere izin vermemektedir.

Al2S3 ün alüminyum talaşları ile 1300 °C'de vakum altında ısıtılması ile Al2S üretilir. Ancak hızlıca başlangıç maddelerine ayrışır. İki değerlikli selenyum da benzer şekilde yapılır.

Fajans kuralı, basit bir üç değerlikli katyonun (Al3+) susuz tuzlarda veya Al2O3 gibi ikili bileşiklerde bulunamayacağını gösterir. Hidroksit zayıf bir bazdır ve karbonat gibi zayıf baz olan alüminyum tuzları hazırlanamaz. Nitrat gibi kuvvetli asit tuzları kararlı ve suda çözünürler. En az altı moleküllü hidratlar oluştururlar.

Alüminyum hidrür (AlH3)n, trimetil-alüminyum ve aşırı oksijen kullanarak üretilebilir. Havada patlayarak yanar. Alüminyum klorürün eter çözeltisi içinde lityum hidrürle muamelesi sonucu da üretilebilir. Ancak çözücüden ayrıştırılamaz.

Alüminyum karbür (Al4C3) elementlerin oluşturduğu karışımın 1000 °C'nin üzerine ısıtılması ile üretilebilir. Açık sarı renkli kristallerinin kompleks bir kafes yapısı vardır ve su veya seyreltik asitle metan gazı verirler. Asetilit (Al2(C2)3), ısıtılmış alüminyum üzerinden asetilen geçirmek suretiyle üretilir.

Alüminyum oksit (Al2O3), doğada korundum olarak bulunur ve alüminyumun oksijenle yakılması veya hidroksit, nitrat veya sülfatının ısıtılmasıyla elde edilir. Kıymetli taş olarak sertliği elmas, bor nitrür ve karborundum'dan sonra gelir. Suda hemen hemen hiç çözünmez.

Alüminyum hidroksit, bir alüminyum tuzunun sulu çözeltisine amonyak ilavesi yoluyla jelatinimsi bir çökelek şeklinde elde edilebilir. Amfoteriktir; hem çok zayıf bir asit olup hem de alkalilerle alüminatlar yapar. Değişik kristal formlarında bulunur.

Alüminyum florür (AlF3), hidroksitinin HF ile muamelesi sonucu veya elementlerinden üretilir. 1291 °C'de ergimeksizin gaz fazına geçen dev bir molekül yapısına sahiptir. Çok inerttir. Diğer üç değerliürleri dimerik ve köprü benzeri yapıdadırlar.

Ampirik formülü AlR3 olan organo-metalik bileşikleri vardır ve dev yapılı moleküller değilse de en azından dimerik veya trimeriktirler. Organik sentez alanında (örneğin, trimetil alüminyum) kullanılırlar.

Alümino-hidrürler bilinen en elektro-pozitif yapılardır. İçlerinde en kullanışlı olan lityum alüminyum hidrür'dür (Li[AlH4]). Isıtıldığında lityum hidrür, alüminyum ve hidrojene parçalanır ve su ile hidrolize olur. Organik kimyada pek çok kullanım alanı vardır. Alümino-halojenürler de benzer yapıya sahiptirler.

Alüminyum kolay soğuyup ısıyı emen bir metal olması nedeniyle soğutma sanayinde geniş bir yer bulur. Bakırdan daha ucuz olması ve daha çok bulunması, işlenmesinin kolay olması ve yumuşak olması nedeniyle birçok sektörde kullanılan bir metaldir.

Alüminyum genel manada soğutucu yapımında, spot ışıklarda, mutfak gereçleri yapımında, hafiflik esas olan araçların yapımında (uçak, bisiklet, otomobil motorları, motosikletler vb.) kullanılır. Bunun yanında sanayide önemli bir madde olan alüminyum, kapı pencere ve bina cephesi kaplamalarında kullanılmakla beraber günlük hayatta her zaman karşımıza çıkan bir metaldir.

Alüminyumun diğer bir kullanım alanı ise asenkron motorlardır. Saf alüminyum (~%99.7 Al) basınçlı döküm yöntemi ile asenkron motorların rotor üretiminde kullanılır. Bakıra göre hafifliği, ucuzluğu ve göreceli olarak iyi elektriksel iletkenliğe sahip olması (~%59-60 IACS) alüminyumun asenkron motor endüstrisinde geniş bir yer almasını sağlamaktadır.

İngilizce konuşulan ülkelerde, adının hem aluminium hem de aluminum şeklinde yazılması ve uygun tarzda okunması yaygındır. ABD'de aluminium pek bilinmemekte ve daha çok aluminum kullanılmaktadır. ABD'nin dışındaki diğer ülkelerde ise durum tam tersine olup aluminium şeklinde yazılış tarzı daha iyi bilinmektedir. Ancak Kanada'da her iki yazılış tarzı da yaygındır.

"International Union of Pure and Applied Chemistry" (IUPAC) organizasyonu 1990'da aluminium kullanımını, dünya standardı olarak onaylamıştır. Ancak üç yıl sonra aluminum sözcüğünü de kabul edilebilir bir terim olarak tasdik etmiştir.