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.
Özellikleri
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.
Doğal oluşum
Ayrıca bkz. Boksit üretimine göre ülkelerin listesi
Dünya
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)32x)'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.
Yerkabuğunda çok nadir bulunduğundan dolayı alüminyum bir zamanlar altından bile daha kıymetli görülmüştür.
Tarihçe
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.
Üretim ve arıtma
Ayrıca bkz. Birincil alüminyum üretimine göre ülkelerin listesi
Alüminyumun ticari üretim tarihi 100 yıldan biraz fazladır.
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 oksidin ergime sıcaklığı yaklaşık 2000 C olduğundan dolayı ekonomik olmaktan uzaktır.
Alüminyum üretimi, boksit kayanın yerden çıkarılmasıyla başlar. Boksit, Bayer işlemi kullanılarak işlenir ve alümina'ya dönüştürülür, daha sonra HallHéroult işlemi kullanılarak işlenir ve nihai alüminyum metali elde edilir.
Bayer işlemi
Bkz. Boksit üretimine göre ülkelerin listesi
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.
Alüminyum oksit (beyaz toz), yaklaşık %30-40 demir içerdiği için kırmızı renkli olan boksitin arıtılmasıyla üretilir.
Bayer işlemi daha önceleri kullanılan Deville işleminin yerini aldı.
Boksit, Bayer işlemi ile alüminaya dönüştürülür. Boksit, homojen bir bileşim içinde karıştırılır ve sonra öğütülür. Elde edilen bulamaç sıcak sodyum hidroksit çözeltisi ile karıştırılır; daha sonra karışım atmosfer basıncının üstündeki basınçta sindirici bir kapta işlenir, alüminyum hidroksit boksitte çözülürken safsızlıkları nispeten çözünmez bileşiklere dönüştürür:
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.
Wöhler işleminin yerini alan elektroliz yönteminde her iki elektrot da karbondan yapılır. Cevher bir kez ergimiş hale geldikten sonra iyonlar serbestçe dolaşmaya başlar. Negatif elektrotta (katot) gerçekleşen reaksiyon:
Al3+ + 3e- - Al
olup alüminyum iyonunun elektron alarak indirgendiğini gösterir. Alüminyum metali daha sonra hücrenin tabanına sıvı halde çöker ve buradan sifonlanarak dışarı alınır.
Öte yandan, pozitif elektrotta (anot) oksijen gazı oluşur:
2O2- - O2 + 4e-
Anot karbonu bu oksijen ile oksitlenerek tükenir ve dolayısıyla düzenli aralıklarla yenilenmesi gerekir:
O2 + C - CO2
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 kWh/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.
HallHéroult işlemi