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.