آلومینیم: پُرکاربردترین!

آلومینیوم دومین عنصر فراوان پوسته‌ی کره‌ی زمین پس از سیلیکُن است. از این فلز در ساخت قوطی‌های نوشابه و بسته‌بندی غذاهای دیگر، بدنه‌ی هواپیما و اتومبیل و حتی در گوشی هوشمند آیفون ۶ استفاده می‌شود.

بر اساس داده‌های دانشگاه ویسکانسین، حدود ۸ درصد از وزن پوسته‌ی زمین مربوط به فلز آلومینیوم است. این عنصر بسیار سبک است. وزن آن یک سوم وزن فولاد یا مس است. آلومینیوم با اسانی شکل می‌پذیرد و در برابر خوردگی مقاوم است. همچنین می‌توان آن را بازیافت کرد و چندین مرتبه دوباره مورد استفاده قرار داد. با توجه به این دلایل از عنصر آلومینیوم استفاده‌های زیادی می‌شود.

نکته‌ی طنزآمیزی که درباره‌ی آلومینیوم وجود دارد این است که اصلاً نباید این همه پر مصرف باشد. این عنصر اکسید می‌شود، یا به راحتی الکترون‌هایش را از دست می‌دهد و تبدیل به یون مثبت می‌شود. این پدیده موجب زنگ زدن آن درست مانند آهن می‌شود. اما برخلاف اکسید آهن، اکسید آلومینیوم که حاصل واکنش آلومینیوم و اکسیژن است، مقاوم‌تر است. در واقع یک لایه اکسید آلومینیوم که روی آن تشکیل می‌شود مانند یک لایه‌ی محافظ عمل می‌کند و از اکسید شدن لایه‌های زیرین فلز جلوگیری به عمل می‌آورد.

مهم‌ترین ویژگی‌های آلومینیوم عبارت‌اند از:

عدد اتمی (تعداد پروتون‌‌ها در هسته): ۱۳

نماد اتمی (در جدول تناوبی):Al

وزن اتمی (جرم متوسط اتم): ۲۶.۹۸۱۵۳۸۶

حالت فیزیکی در دمای اتاق: جامد

چگالی: ۲.۷۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب

نقطه‌‌ی ذوب: ۶۶۰.۳۲ درجه‌‌ی سانتی‌گراد

نقطه‌‌ی جوش: ۲۵۱۹ درجه‌‌ی سانتی‌گراد

تعداد ایزوتوپ‌‌ها (اتم هایی از یک عنصر با تعداد متفاوت نوترون): ۲۲ ایزوتوپ، که 1ایزوتوپ آن پایدار است

رایج‌‌ترین ایزوتوپ ها: آلومینیوم ۲۷ (پایدار) و آلومینیوم ۲۶ (رادیواکتیو با نیمه عمر ۷۳۰۰۰۰ سال)

فلز معجزه‌آسا

آلومینیوم اولین بار از واکنش‌های هسته‌ای در دل ستارگان ایجاد شد. به این صورت که عنصر منیزیم یک پروتون بیشتر دریافت کرده و به هسته‌ی آلومینیوم تبدیل شده است. آلومینیوم در طبیعت به صورت خالص وجود ندارد، بلکه در ترکیب با عناصر دیگر یافت می‌شود. یکی از متداول‌ترین ترکیب‌های آلومینیوم آلوم نام دارد. نام دیگر این ترکیب پتاسیم آلومینیوم سولفات است.

اولین بار در سال ۱۸۲۵ هانس کریستین اورستد سعی کرد آلومینیوم را از آلوم استخراج کند. پس از او محققان شیمی راه‌های مختلفی را برای رسیدن به این هدف آزمودند. اما هزینه‌های بالای استخراج آلومینیوم عملاً آن را ناممکن می‌کرد. برای دهه‌های متوالی، بهای آلومینیوم از طلا هم بیشتر بود. مشهور است که ناپلئون سوم، اولین رئیس جمهور پس از انقلاب فرانسه در سال ۱۸۴۸ از مهمانان خود در ظروفی از جنس آلومینیوم پذیرایی می‌کرد. در آن دوران تصور میشد که آلومینیوم بسیار کمیاب است. حتی در مجله‌ی گود هوسکیپینگ چاپ سال ۱۹۱۱ نوشته شده که ناپلئون سوم یک جغجغه از جنس آلومینیوم برای پسرش هدیه گرفته بود.

در نهایت در سال ۱۸۸۶ یک مهندس فرانسوی به نام پائول هرولت (Paul Heroult) و یک فارغ‌التحصیل رشته‌ی شیمی به نام چارلز هال (Charles Hall) به طور مستقل موفق شدند آلومینیوم خالص به دست آورند. آن‌ها فرآیندی را اختراع کردند که طی آن آلومینیوم اکسید موجود در کریولیت (سدیم آلومینیوم فلوراید) را ذوب کرده و سپس به آن جریان برق اعمال می‌کردند. امروزه نیز از روش هال-هرولت برای استخراج آلومینیوم استفاده می‌شود. روش دیگری که برای خالص‌سازی آلومینیوم وجود دارد فرآیند بایر (Bayer process) است. در این متد آلومینیوم از سنگ معدنی بوکسیت استخراج می‌شود.

تنها شکل پایدار آلومینیوم، آلومینیوم ۲۷ است. بسیاری از ایزوتوپ‌های آلومینیوم نیمه عمری در حدود چند میلی ثانیه دارند. یعنی در یک چشم به هم زدنی واپاشی می‌شوند. آلومینیوم ۲۶ نیمه عمری بسیار طولانی دارد. نیمه عمر این ایزوتوپ رادیواکتیو ۷۳۰۰۰۰ سال است. این ایزوتوپ در نواحی ستاره‌ساز کهکشان راه شیری رصد شده است. محققان ناسا با تخمین‌هایی توانستند نیمه عمر آلومینیوم 26 را دریابند. بنابر یافته‌های ناسا، تقریباً هر پنجاه سال یک انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد و هر سال حدود هفت ستاره متولد می‌شوند.

جالب است بدانید:

آلومینیوم فراوانی قابل توجهی دارد. بر اساس داده‌های آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده‌ی امریکا در سال ۲۰۱۲، تنها ۱.۹ میلیون تن آلومینیوم برای بسته بندی نوشیدنی‌ها و سایر مواد غذایی مصرف شده است. ۱.۷ میلیون تن دیگر هم کاربردهای مختلفی در وسایل نقلیه و سایر کالاها به مصرف رسیده است.

یک بوئینگ ۷۴۷ به تنهایی ۶۶۰۰۰ کیلوگرم آلومینیوم دارد.

پودر آلومینیوم به علاوه‌ی پودر ید و چند قطره آب، نمایشی زیبا را می‌سازند. ابرهای بنفش بخارات سمی ید متصاعد می‌شوند و سپس شعله‌ای ایجاد می‌شود. این آزمایش به خوبی نشان می‌دهد که آلومینیوم تا چه حد واکنش‌پذیر است. (هرگز این آزمایش را در منزل انجام ندهید)

بازیافت! بازیافت آلومینیوم تنها پنج درصد هزینه‌ی استخراج آلومینیوم تازه را دارد.

یک قوطی آلومینیوم مصرف شده می‌تواند تنها پس از ۶۰ روز به چرخه‌ی تولید بازگردد.

حدود ۷۵ درصد آلومینیوم مصرفی انسانها از راه بازیافت به دست می‌آید.

پژوهش‌های فعلی

بر طبق گفته‌ی یونتیان زو (Yuntian Zhu)، استاد شیمی و مواد دانشگاه کارولینای شمالی صدها آلیاژ آلومینیوم در دنیای شیمی وجود دارد. آلومینیوم به تنهایی سبک اما ضعیف است. افزودن فلزات دیگر به این عنصر موجب استحکام آن می‌شود. زو و همکارانش آلیاژی از آلومینیوم ساخته‌اند که از فولاد هم مقاوم‌تر است. نتایج پژوهش‌های آن‌ها در ژورنال نیچر منتشر شده است.اگر آلومینیوم به همراه کمی منیزیم و روی تحت فشار بسیار بالا قرار بگیرد، فشار می‌تواند آلومینیوم را تا ابعاد نانو کوچک کند. این دانه‌های نانویی موجب می‌شوند آلیاژ بتواند حرکت کند و از طرفی در برابر ضربه مستحکم باشد. اما این آلیاژ گرانروی بالایی دارد و به همین دلیل مقاوم نیز هست. زو می‌گوید: «این آلیاژ تحت نیروی زیاد به حرکت درمی‌آید اما در حالت عادی ساکن است.»

در حال حاضر پژوهشی هم درباره‌ی اکسیدهای آلومینیوم در حال اجرا است. داگلاس کسلر (Douglas Keszler)، مدیر مرکز شیمی مواد دانشگاه ایالتی اورگان می‌گوید: «اکسیدهای آلومینیم می‌توانند در رسوب دادن ذرات موجود در آب و تصفیه‌ی آب بسیار مفید باشند.» کسلر و همکارانش اکنون در حال یافتن روشی برای ایجاد نوارهای بسیار نازک اکسیدهای آلومینیم هستند. آن‌ها فرآیندهای شیمیایی و فناوری لیزر را به کار می‌برند. یکی دیگر از استفاده‎های نوارهای نازک اکسید آلومینیم، بررسی اثر کوانتومی تونل‌زنی الکترون است. این پدیده یعنی اگر نوار را در میان دو الکترود محصور کنیم، الکترون می‌تواند بدون برهم‌کنش با نوار، از یک الکترود به الکترود مقابل برود. می‌توان از این کیت تونل‌زنی الکترون برای برقراری اتصالات الکترونیکی استفاده کرد.