الجدول الدوري

ألومنيوم (Al)

Howard Birdsong جُمع من مصادر أولية: IUPAC وNIST وPubChem

الألومنيوم هو العنصر رقم 13، رمزه Al، توزيعه الإلكتروني [Ne] 3s² 3p¹، وكتلته الذرية المعيارية 26.9815384 وحدة. يمثّل نحو 8 % من القشرة الأرضية كتلةً، أكثر من أي فلز آخر، ولا يوجد حرًّا في الطبيعة.

لماذا كان أغلى من الذهب؟

الألومنيوم ثالث أوفر العناصر في القشرة الأرضية، بعد الأكسجين والسيليكون، وأولها بين الفلزات بنحو 8 % كتلةً.

وفي منتصف القرن التاسع عشر كان يساوي للغرام أكثر من الذهب.

ويُفسَّر التناقض بين الوفرة والإتاحة برقم واحد. فالألومنيوم يرتبط بالأكسجين بقوة استثنائية: إنثالبي تكوين Al₂O₃ نحو −1676 كيلوجول/مول. وفصلهما يقتضي بذل تلك الطاقة، ولا ينجح في ذلك مختزل عادي.

فالكربون يختزل أكسيد الحديد في فرن عالٍ دون عناء. أما أمام الألومينا فلا يكاد يفعل شيئًا عند الحرارات القابلة للبلوغ.

وحتى 1886 كان الألومنيوم يُستحصل بتفاعل كلوريد الألومنيوم مع الصوديوم الفلزي، وهو بدوره باهظ الإنتاج. والحصيلة بضعة كيلوغرامات سنويًّا بسعر فلز ثمين.

وقمّة نصب واشنطن، الموضوعة عام 1884، قطعة ألومنيوم تزن نحو 2.8 كيلوغرام. اختيرت لكونها غريبة ومكلفة، وعُرضت في متجر تيفاني قبل تركيبها.

ما الذي تغيّر عام 1886؟

شابّان في الثانية والعشرين، في قارتين، حلّا المشكلة في السنة نفسها وبالطريقة نفسها دون أن يعرف أحدهما الآخر: تشارلز مارتن هول في أوهايو وبول هيرو في فرنسا. وُلد كلاهما عام 1863 ومات كلاهما عام 1914.

وكانت الفكرة إذابة الألومينا في كريوليت منصهر، Na₃AlF₆، وتحليل المحلول كهربائيًّا. فالألومينا وحدها تنصهر عند 2072 °م، وهي حرارة بعيدة المنال؛ وذائبةً في الكريوليت يعمل الحوض عند نحو 960 °م.

وعند المهبط يترسّب ألومنيوم سائل يتراكم في قاع الخلية ويُسحب دوريًّا. وعند المصعد الكربوني يتحرر أكسجين يحرق المصعد نفسه فيجب استبداله.

وهبط سعر الألومنيوم من نحو 17 دولارًا للرطل عام 1884 إلى أقلّ من 40 سنتًا عام 1893. فتحوّل فلز ثمين إلى مادة تغليف في أقلّ من عقد.

⚠️ والعملية كثيفة الاستهلاك للكهرباء: بين 13 و15 كيلوواط-ساعة لكل كيلوغرام. ولهذا تقوم المصاهر قرب محطات كهرمائية، ولهذا تنتج آيسلندا والنرويج وكندا ألومنيومًا رغم أنها لا تملك بوكسيتًا.

والمادة الخام تصل بطريق آخر: فعملية باير تذيب البوكسيت في صودا ساخنة لفصل الألومينا عن شوائب الحديد، التي تبقى وحلًا أحمر. وذلك المخلّف، وهو شديد القلوية ويُنتَج بكميات هائلة، من المشكلات البيئية المعلّقة في هذه الصناعة.

لماذا لا يتآكل؟

الألومنيوم شديد النشاط ترموديناميكيًّا. فجهد قطبه −1.66 فولت، وهو أشد سلبية بكثير من الحديد. وكان ينبغي أن يتآكل أسرع لا أبطأ.

وما يحدث أنه يتآكل فورًا ثم يتوقف. فعند ملامسة الهواء يكوّن طبقة أكسيد بين 2 و10 نانومترات. وتلك الطبقة متراصّة غير مسامية، وحجمها يساوي تقريبًا حجم الفلز الذي استهلكته، فلا تتشقق ولا تنسلخ.

والنتيجة حاجز متصل يعزل الفلز عن الأكسجين. وإن خُدش تجدد فورًا.

والأنودة تستغل الآلية. فبغمس القطعة في حمض واستقطابها مصعدًا تنمو الطبقة حتى عشرات الميكرومترات. والطبقة المؤنودة مسامية قبل الغلق، وهو ما يتيح إدخال أصبغة: فالأجسام الألومنيومية الملونة مؤنودة لا مطلية.

⚠️ وتخفق الحماية أمام الكلوريدات. فأيون الكلوريد يخترق الغشاء عند نقاط ضعف ويحدث تآكلًا نقريًّا، وهو هجوم موضعي عميق. ولهذا يسلك الألومنيوم سلوكًا سيئًا في البيئة البحرية بلا حماية إضافية.

ويخفق أيضًا في وسط شديد القلوية، لأن أكسيد الألومنيوم متردد ويذوب في الصودا. فمنظّف قلوي يهاجم الألومنيوم.

فيمَ يُستعمل؟

الاستعمال الأكبر هو النقل، حيث يحسم الوزن.

فالطائرة التجارية ألومنيوم في جانب كبير منها، عادةً سبائك السلسلة 2000 مع النحاس أو 7000 مع الزنك، وهي تبلغ مقاومات تضاهي أنواعًا من فولاذ البناء بثلث الكثافة.

وفي السيارات يخفض استبدال الفولاذ بالألومنيوم وزن المركبة ومعه الاستهلاك، وإن رفع كلفة الإصلاح لأن الألومنيوم لا يُلحم بالمعدات نفسها.

والتغليف هو الوجهة الكبرى الأخرى. فعلبة المشروب قطعة هندسية لافتة: جدارها أقلّ من 0.1 ملم ويتحمل ست أجواء من الضغط الداخلي. ورقاقة الألومنيوم، بنحو 0.016 ملم، حاجز مطلق للضوء والأكسجين والرطوبة، وهي خاصة لا يضاهيها فيها بلاستيك.

وفي البناء يُستعمل في النجارة المعدنية والواجهات، وفي الكهرباء في خطوط الجهد العالي، حيث تعوّض خفّته موصليته الأدنى.

هل الألومنيوم خطر؟

طبقة الأكسيد تجعل ما ينتقل منه إلى الطعام في الاستعمال العادي قليلًا جدًّا. والأطعمة الحامضية المطبوخة طويلًا في ألومنيوم عارٍ تنقل أكثر، والأواني المؤنودة أقلّ.

وينبع القلق العام من دراسة في الستينيات وجدت ألومنيومًا في لويحات دماغية لمرضى ألزهايمر. ولم تُقم عقود من البحث اللاحق علاقة سببية، وتُعدّ الفرضية اليوم ضعيفة السند: فالألومنيوم الموجود نتيجة على الأرجح لا سبب.

أما السمّية الحقيقية والموثقة فتصيب المصابين بقصور كلوي شديد، ممن لا يطرحون الألومنيوم كما ينبغي. وقد كان اعتلال الدماغ بالغسيل الكلوي، الناجم عن ألومنيوم في ماء الأجهزة، مشكلة جدّية في السبعينيات وحُلّت بتنقية الماء.

وفي عموم السكان يُمتص الألومنيوم المبتلع بنسبة ضئيلة ويُطرح كلويًّا دون عناء.

حقائق أساسية

Z
13
Atomic weight
26.982 u
Category
فلز ما بعد انتقالي
State at 298 K
Solid
Occurrence
primordial
Discovered
1825
CAS
7429-90-5

الخصائص المقيسة

PropertyValueSource
Electronegativity 1.61 National Center for Biotechnology Information (NIH)
Melting point 933.44 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Boiling point 2,792 K National Center for Biotechnology Information (NIH)
Density stp 2.7 g/cm³ National Center for Biotechnology Information (NIH)
Atomic radius empirical 184 pm National Center for Biotechnology Information (NIH)
Ionization energy 1st 577.6 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)
Electron affinity 42.6 kJ/mol National Center for Biotechnology Information (NIH)

التوزيع الإلكتروني

2 8 3 Al
Noble gas notation
[Ne] 3s² 3p¹
Full notation
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
Electrons per shell
2, 8, 3

النظائر

أسئلة شائعة

لماذا بلغ الألومنيوم سعرًا يفوق الذهب؟

لأنه يرتبط بالأكسجين بقوة هائلة ولم يكن أحد يعرف فصلهما بكلفة معقولة. فإنثالبي تكوين الألومينا نحو −1676 كيلوجول/مول، وهو أكبر من أن يختزلها الكربون عند حرارات قابلة للبلوغ. وحتى 1886 كان الألومنيوم يُستحصل بالصوديوم الفلزي، وهو إجراء باهظ. وكان نابليون الثالث يخصّ ضيوف الشرف بأدوات مائدة من ألومنيوم ويقدّم لسواهم الذهب.

لماذا لا يتآكل الألومنيوم مع أنه بهذا النشاط؟

لأنه يكوّن فورًا طبقة أكسيد بسمك بضعة نانومترات، وهي متراصّة لاصقة وبحجم من رتبة حجم الفلز المستهلك. فيغلق ذلك الغشاء السطح ويوقف الهجوم. والأنودة تُثخّنه اصطناعيًّا حتى عشرات الميكرومترات. فالألومنيوم شديد النشاط ترموديناميكيًّا وخامل حركيًّا، وهو مزيج قليل التكرار.

لماذا لرقاقة الألومنيوم وجه لامع وآخر مطفأ؟

ذلك أثر التصنيع لا فرق في الوظيفة. فالرقاقة تُدرفل اثنتين معًا في التمريرة الأخيرة. فيخرج الوجه الملامس لأسطوانة الفولاذ المصقولة لامعًا؛ والوجه الملامس للرقاقة الأخرى مطفأً. والوجهان يتصرفان في المطبخ التصرف نفسه.

لماذا يُعاد تدوير كمّ كبير من الألومنيوم؟

لأن إعادة صهر الخردة تستهلك من رتبة 5 % من الطاقة اللازمة لاستحصال فلز جديد من البوكسيت. كما يُعاد تدوير الألومنيوم بلا فقد في الجودة وبلا حدّ. فقد تعود علبة إلى الرفّ في نحو ستة أسابيع، ونحو 75 % من الألومنيوم المنتَج في التاريخ لا يزال قيد الاستعمال.

المصادر