Al · العنصر 13 · فلز بعد انتقالي
كان أغلى من الذهب ذات يوم، وأصبح الآن أكثر الفلزات استخداماً بعد الحديد — لأن أحداً اكتشف طريقة لتحليله كهربائياً بتكلفة منخفضة.
البنية
ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.
القيم المقاسة
يوضح كل شريط موضع ألومنيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق المقياس
نصف القطر 143 pm — أي 0.143 nm، ولذلك فإن نحو 3.5 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.
المدى الحراري
يكون ألومنيوم سائلًا ضمن مجال 1859 K، من 933 K إلى 2792 K.
القصة
الألومنيوم هو الفلز العجيب الذي انتقل من كونه نفيسًا إلى وجوده في كل مكان خلال 100 عام فقط. كان في وقت من الأوقات أغلى من الذهب (كان Napoleon III يقدم لضيوفه الأكثر تكريمًا أدوات مائدة من الألومنيوم، بينما يحصل الضيوف الأقل مكانةً على أدوات من الذهب)، أما هذا الفلز الخفيف فأصبح شائعًا إلى درجة أننا نتخلص منه. تتوج قمة Washington Monument بالألومنيوم؛ ففي عام 1884 كان أغلى فلز على وجه الأرض. غيّرت عملية Hall-Héroult كل شيء في عام 1886، إذ جعلت استخلاص الألومنيوم ميسور التكلفة وأطلقت عصر الطيران. تطير الطائرات لأن الألومنيوم قوي، لكنه يزن ثلث وزن الفولاذ. يحتوي مضاد التعرق الذي تستخدمه على الألومنيوم لحجب غدد العرق، بينما يعكس ورق الألومنيوم في مطبخك 95% من الأشعة تحت الحمراء. لا تتطلب إعادة تدوير الألومنيوم سوى 5% من الطاقة اللازمة لإنتاج ألومنيوم جديد، مما يجعل علبة المشروبات الغازية قابلة لإعادة التدوير بلا نهاية.
تمتد قصة اكتشاف الألومنيوم لأكثر من ألفي عام، من الحضارات القديمة إلى الاختراقات الكيميائية في القرن التاسع عشر. وتتضمن هذه الحكاية عقولاً لامعة، وتجسساً صناعياً، وتحول «معدن الملوك» إلى مادة للاستخدام اليومي.
تبدأ القصة في روما القديمة نحو عام 400 قبل الميلاد، حيث كانت كلمة «alumen» تصف أملاحاً قابضة تُستخدم في الصباغة ودباغة الجلود. وقد وثّق عالم الطبيعة الروماني Pliny the Elder (23-79 ميلادية) خصائص الشب في موسوعته «Naturalis Historia»، واصفاً من دون قصد مركبات الألومنيوم التي استُخدمت لقرون.
في عام 1761، اقترح الكيميائي الفرنسي Louis-Bernard Guyton de Morveau أن الشب يحتوي على معدن غير معروف آنذاك، وصاغ مصطلح «alumine» لما نسمّيه اليوم أكسيد الألومنيوم. وقد مهّد ذلك الطريق لعزل المعدن في نهاية المطاف.
حاول الكيميائي البريطاني Sir Humphry Davy (1778-1829) لأول مرة عزل الألومنيوم بالتحليل الكهربائي عام 1807. وباستخدام بطاريته الكهربائية التي اخترعها حديثاً، نجح Davy في عزل البوتاسيوم والصوديوم، لكنه واجه صعوبة مع نقطة الانصهار المرتفعة لأكسيد الألومنيوم (2,072°C). وعلى الرغم من عدم نجاحه في عزل الألومنيوم النقي، سمّى Davy المعدن الافتراضي «aluminum» عام 1812، ثم غُيّر الاسم لاحقاً إلى «aluminium» ليتوافق مع أسماء العناصر الأخرى المنتهية بالمقطع «-ium».
تمكّن الفيزيائي والكيميائي الدنماركي Hans Christian Ørsted (1777-1851) من تحقيق أول عزل للألومنيوم في August 29, 1825. وباستخدام ملغم البوتاسيوم لاختزال كلوريد الألومنيوم، أنتج Ørsted كريات معدنية صغيرة. وتضمنت طريقته تسخين كلوريد الألومنيوم مع البوتاسيوم في أنبوب مغلق، مما أدى إلى إنتاج أول عينات معروفة من الألومنيوم المعدني.
حسّن الكيميائي الألماني Friedrich Wöhler (1800-1882) طريقة Ørsted، مستخدماً البوتاسيوم المعدني بدلاً من الملغم. وفي July 21, 1827، أنتج Wöhler مسحوق الألومنيوم وحبيبات صغيرة، ليصبح أول من يلاحظ الخصائص الأساسية للألومنيوم: خفة الوزن، ومقاومة الأكسدة، والبريق المعدني. وقد وصف الألومنيوم على نحو شهير بأنه يتمتع «بلون القصدير وبريقه».
أحدث الكيميائي الفرنسي Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818-1881) ثورة في إنتاج الألومنيوم عام 1854. وجعلت طريقته في الاختزال الكيميائي باستخدام الصوديوم إنتاج الألومنيوم مجدياً تجارياً لأول مرة. وقد موّل الإمبراطور Napoleon III of France أبحاث Deville، متصوراً دروعاً ومعدات من الألومنيوم لجيشه.
خلال هذه الحقبة، كان الألومنيوم أعلى قيمة من الذهب. وكان Napoleon III يعرض أدوات مائدة من الألومنيوم في الولائم الرسمية، ويخصصها للضيوف الأكثر تشريفاً، بينما كان الآخرون يستخدمون أدوات ذهبية. أما حجر القمة في نصب واشنطن، الذي اكتمل عام 1884، فقد صُنع من 100 أونصة من الألومنيوم، وكانت قيمته آنذاك تعادل راتب عامل لمدة عام.
اكتشف كيميائيان شابان لامعان، كلٌّ منهما على حدة، العملية التحليلية الكهربائية التي جعلت الألومنيوم متاحاً للجميع:
في سن 22 عاماً، وبينما كان يعمل في مخزن الأخشاب التابع لعائلته في Oberlin بولاية Ohio، اكتشف Hall التحليل الكهربائي للألومنيوم في February 23, 1886. وباستخدام مقالي الحديد الخاصة بشقيقته Julia وبطارية كهربائية منزلية الصنع، أذاب Hall أكسيد الألومنيوم في الكريوليت المنصهر ومرّر تياراً كهربائياً خلاله، فأنتج قطرات من الألومنيوم النقي.
وكان Héroult أيضاً في سن 22 عاماً، وقد توصل إلى الاكتشاف نفسه بعد شهرين فقط، في April 9, 1886. وأثناء عمله في مدبغة والده في Gentilly بفرنسا، طوّر Héroult العملية المطابقة بصورة مستقلة. وُلد الرجلان عام 1863 وتوفيا عام 1914، في مصادفة لافتة في تاريخ العلم.
خفضت عملية Hall-Héroult سعر الألومنيوم من $545 للرطل (في خمسينيات القرن التاسع عشر) إلى $0.68 للرطل (عام 1900)، أي انخفاضاً في السعر بنسبة 99.8%. وقد أطلق هذا الاختراق صناعة الألومنيوم الحديثة:
تنتج صناعة الألومنيوم اليوم أكثر من 65 مليون طن سنوياً، مما يتيح الطيران الحديث واستكشاف الفضاء والتغليف المستدام. ولا تزال عملية Hall-Héroult، التي لم تتغير أساساً منذ عام 1886، تمثل أساس إنتاج الألومنيوم في جميع أنحاء العالم، وهي شهادة على عبقرية كيميائيين يبلغان من العمر 22 عاماً غيّرا الحضارة.
الاستخدامات
إن الجمع الفريد للألومنيوم بين الخفة والقوة ومقاومة التآكل يجعله لا غنى عنه في صناعات متعددة. وبكثافة لا تتجاوز 2.7 g/cm³ - أي نحو ثلث كثافة الفولاذ - أحدث الألومنيوم ثورة في النقل والبناء.
تستهلك صناعة الطيران والفضاء قرابة 20% من الإنتاج العالمي للألومنيوم. تستخدم هياكل الطائرات سبيكة الألومنيوم 2024 (Al-Cu-Mg) في بناء جسم الطائرة، لما توفره من نسب استثنائية بين القوة والوزن. تحتوي طائرة Boeing 787 Dreamliner على أكثر من 20% من الألومنيوم من حيث الوزن، بينما تستخدم المقاتلات الحديثة مثل F-35 Lightning II سبائك متقدمة من الألومنيوم والليثيوم أخف بنسبة 10% وأكثر صلابة بنسبة 15% من سبائك الألومنيوم التقليدية.
تضم المركبات الحديثة الألومنيوم في كتل المحركات وعلب ناقل الحركة وألواح الهيكل. تتميز Ford F-150 (2015+) بهيكل مصنوع بالكامل من الألومنيوم، مما خفّض الوزن بمقدار 700 pounds وحسّن كفاءة استهلاك الوقود بنسبة 20%. تستخدم Tesla Model S هيكلًا فراغيًا مصنوعًا من الألومنيوم، إذ توفر سبيكة الألومنيوم 6061-T6 حماية مثلى من التصادم مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.
تشمل استخدامات الألومنيوم المعمارية الجدران الساترة وإطارات النوافذ وأنظمة الأسقف. تُنشئ عملية الط anodization طبقة أكسيد واقية يصل سمكها إلى 25 micrometers، مما يوفر مقاومة فائقة للعوامل الجوية. يستخدم Burj Khalifa في Dubai أكثر من 1,500 tons من الألومنيوم في نظام واجهته، بينما تُكسى الأصداف المميزة لـ Sydney Opera House ببلاطات ألومنيوم ذات نمط شيفرون.
تجعل الموصلية الكهربائية للألومنيوم (37.7 MS/m) منه مثاليًا لنقل الطاقة. تنقل كابلات موصل الألومنيوم المقوى بالفولاذ (ACSR) الكهرباء عبر القارات، إذ يوفر الألومنيوم الموصلية، بينما يضيف القلب الفولاذي قوة الشد. تستخدم خطوط نقل الجهد العالي الألومنيوم لأن وزنه الأخف يتطلب عددًا أقل من أبراج الدعم مقارنةً بالنحاس.
تستفيد الأجهزة الإلكترونية من الموصلية الحرارية للألومنيوم (205 W/m·K) لتبديد الحرارة. تُشكّل هياكل MacBook آليًا من كتل ألومنيوم مفردة باستخدام التفريز باستخدام التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، بينما تستخدم إطارات الهواتف الذكية سبيكة الألومنيوم 6013 للحجب الكهرومغناطيسي. تستفيد مبددات حرارة LED من الخصائص الحرارية للألومنيوم لمنع ارتفاع الحرارة وإطالة عمر المكونات.
يلامس الألومنيوم حياتنا اليومية بطرق لا تُحصى، وغالبًا ما تكون غير مرئية لكنها ضرورية دائمًا. فمن لحظة استيقاظنا حتى ذهابنا إلى النوم، تحيط بنا منتجات الألومنيوم.
يستهلك الأمريكيون نحو 54 مليار علبة ألومنيوم سنويًا - أي ما يقارب 170 علبة لكل شخص. ولو وُضعت هذه العلب طرفًا إلى طرف، لأمكنها الدوران حول الأرض أكثر من 160 مرة.
مصدره
82300 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 98% من العناصر
الألومنيوم هو ثالث أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إذ يشكل تقريباً 8.23% من الوزن - مما يجعله أكثر شيوعاً من الحديد. وعلى الرغم من هذه الوفرة، لا يوجد الألومنيوم أبداً في الطبيعة على هيئة فلز نقي بسبب تفاعليته العالية.
يحتوي البوكسيت على 45-60% من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)، وهو المصدر الأساسي للألومنيوم في العالم. توجد رواسب كبيرة في:
أكثر المعادن الحاملة للألومنيوم وفرةً في القشرة الأرضية، ومنها:
معادن الألومنيوم الثانوية المتكوّنة بفعل التجوية:
بدأت رحلة الألومنيوم الكونية في قلوب النجوم الضخمة من خلال التخليق النووي النجمي. وخلال حياة النجم، تنتج عمليات احتراق السيليكون الألومنيوم-26 (²⁶Al)، وهو نظير مشع عمر نصفه 720,000 سنة. وعندما تنفجر هذه النجوم على هيئة مستعرات أعظم، فإنها تنثر الألومنيوم في أنحاء المجرة.
يحتوي نظامنا الشمسي على ألومنيوم ناتج من أجيال نجمية متعددة. وتحفظ النيازك، ولا سيما الكوندريتات الكربونية، مركبات ألومنيوم أولية من السديم الشمسي قبل 4.6 مليار سنة. ويحتوي نيزك Allende (سقط عام 1969) على شوائب غنية بالألومنيوم تُسمى CAIs (شوائب غنية بالكالسيوم والألومنيوم) - وهي أقدم المواد المعروفة في نظامنا الشمسي.
مع أن الألومنيوم يشكل 8% من القشرة الأرضية، فلا يُعرف له أي دور بيولوجي أساسي. لكنه يؤثر تأثيراً كبيراً في نمو النباتات في الترب الحمضية، حيث تصبح أيونات Al³⁺ قابلة للذوبان وسامةً للجذور. وقد طورت بعض النباتات، مثل الشاي (Camellia sinensis) وبعض السرخسيات، آليات لتحمل الألومنيوم، فتراكم الفلز فعلياً في أنسجتها.
عصر ما قبل الكامبري (3.8-0.54 مليار سنة مضت): التركيز الأولي للألومنيوم في القشرة الأرضية من خلال التمايز والنشاط البركاني.
حقبتا الحياة القديمة والميزوزوي (540-66 مليون سنة مضت): تكوّن رواسب البوكسيت الرئيسية بفعل التجوية المدارية للصخور الغنية بالألومنيوم.
حقبة الحياة الحديثة (66 مليون سنة مضت-حتى الوقت الحاضر): استمرار تكوّن البوكسيت في المناطق المدارية، مع تكوّن رواسب Australia قبل 35-55 مليون سنة.
التعامل
على الرغم من أن الألومنيوم يُعد آمناً عموماً للاستخدام اليومي، فإن التعامل السليم والوعي بالمخاطر المحتملة أمران أساسيان، ولا سيما في البيئات الصناعية ولدى الأشخاص الذين لديهم حساسيات معينة.
الحد المسموح به من OSHA: 15 mg/m³ (الغبار الكلي)، 5 mg/m³ (الجزء القابل للاستنشاق)
المخاطر: يمكن أن يسبب استنشاق غبار الألومنيوم تليفاً رئوياً ("رئة الألومنيوم") لدى العاملين في الصناعة. ويؤدي لحام الألومنيوم إلى إطلاق أبخرة أكسيد الألومنيوم التي قد تسبب حمى أبخرة المعادن.
الأعراض: السعال، ضيق التنفس، ضيق الصدر، أعراض شبيهة بالإنفلونزا
حالة الأبحاث: تشير أدلة محدودة إلى أن التعرض المرتفع للألومنيوم قد يسهم في اضطرابات عصبية
الفئات المعرضة للخطر: الأشخاص المصابون بأمراض الكلى الذين لا يستطيعون طرح الألومنيوم بفاعلية
الاحتياط: تجنب استخدام أواني الطهي المصنوعة من الألومنيوم مع الأطعمة الحمضية (الطماطم والحمضيات)، لأنها تزيد ترشح الألومنيوم
احتمال التهيج: خطر ضئيل من الألومنيوم الصلب؛ وقد تسبب أملاح الألومنيوم تهيج الجلد
تفاعلات الحساسية: حالات نادرة ولكن موثقة لحساسية الألومنيوم، ولا سيما بسبب مضادات التعرق
الأعراض: الاحمرار، الحكة، التهاب الجلد التماسي لدى الأشخاص الحساسين
مسحوق الألومنيوم: غبار الألومنيوم الدقيق شديد القابلية للاحتراق والانفجار
مصادر الاشتعال: الكهرباء الساكنة، الشرر، مصادر الحرارة التي تزيد عن 760°C
إخماد الحرائق: استخدم طفايات المسحوق الجاف؛ لا تستخدم الماء مطلقاً في حرائق الألومنيوم
التخزين: احتفظ بالمسحوق في حاويات محكمة الإغلاق ومؤرضة، بعيداً عن المواد المؤكسدة
اغسل العينين فوراً بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة. أزل العدسات اللاصقة إذا كان من السهل إزالتها. اطلب العناية الطبية إذا استمر التهيج.
اغسل المنطقة المصابة بالماء والصابون. انزع الملابس الملوثة. في حال حدوث جروح بسبب الألومنيوم، نظف الجرح واستخدم مطهراً.
انتقل إلى الهواء النقي فوراً. إذا حدثت صعوبات في التنفس، فأعطِ الأكسجين واطلب العناية الطبية الفورية.
اشطف الفم بالماء. لا تحفز القيء. اطلب العناية الطبية إذا تم ابتلاع كميات كبيرة أو ظهرت أعراض.
• الألومنيوم آمن عموماً في المنتجات الاستهلاكية عند استخدامه على النحو المقصود
• ينبغي للعاملين في الصناعة اتباع جميع إرشادات OSHA وبروتوكولات السلامة الخاصة بالشركة
• ينبغي للأشخاص المصابين بأمراض الكلى استشارة الأطباء بشأن التعرض للألومنيوم
• اقرأ دائماً نشرات بيانات السلامة للمنتج (SDS) الخاصة بمركبات الألومنيوم المحددة
إجابات سريعة
ألومنيوم (رمزه Al) هو العنصر 13 في الجدول الدوري، وينتمي إلى فلز بعد انتقالي في الدورة 3 والمجموعة 13. كان أغلى من الذهب ذات يوم، وأصبح الآن أكثر الفلزات استخداماً بعد الحديد — لأن أحداً اكتشف طريقة لتحليله كهربائياً بتكلفة منخفضة. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.
[Ne] 3s² 3p¹، ويشغل 3 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 3. يحتوي غلافه الخارجي على 3 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.ينصهر ألومنيوم عند 933.5 K (660.3 °C) ويغلي عند 2792 K (2518.9 °C).
تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ ألومنيوم 26.982 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.
تبلغ كثافة ألومنيوم مقدار 2.7 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من ألومنيوم أثقل بنحو 2.7×.
تبلغ كهروسلبية ألومنيوم وفق مقياس باولنغ 1.61. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.
اكتُشف ألومنيوم في 1825 على يد Hans Christian Orsted. سُمّي على اسم اللاتينية alumen، «الشَّب».
يشكّل ألومنيوم حوالي 8.23% من قشرة الأرض — وهو أحد أكثر العناصر وفرةً.