Al · Element 13 · Boron group
Once more precious than gold, now the most-used metal after iron — because someone worked out how to electrolyse it cheaply.
البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع ألومنيوم بين العناصر الـ118 جميعها 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 مقياس
Radius 143 pm — that is 0.143 nm, so about 3497 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
ألومنيوم is liquid over a 1859 K window, from 933 K to 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 نابليون الثالث يقدم لضيوفه الأكثر تشريفًا أدوات مائدة من الألومنيوم، بينما كان الضيوف الأقل مكانة يحصلون على أدوات من الذهب)، أما الآن فأصبح هذا الفلز الخفيف شائعًا جدًا لدرجة أننا نتخلص منه. تتوج قمة نصب واشنطن قطعة من الألومنيوم؛ 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. تحلق الطائرات لأن الألومنيوم قوي، لكنه يزن ثلث وزن الفولاذ. يحتوي مضاد التعرق على الألومنيوم لمنع الغدد العرقية من إفراز العرق، بينما يعكس ورق الألومنيوم في مطبخك 95% من الأشعة تحت الحمراء. لا يتطلب تدوير الألومنيوم سوى 5% من الطاقة اللازمة لإنتاج ألومنيوم جديد، مما يجعل علبة المشروبات الغازية قابلة لإعادة التدوير بلا حدود.
تمتد قصة اكتشاف الألومنيوم لأكثر من ألفي عام، من الحضارات القديمة إلى الاختراقات الكيميائية في القرن التاسع عشر. وتتضمن هذه القصة عقولًا لامعة، وتجسسًا صناعيًا، وتحويل «معدن الملوك» إلى مادة للاستخدام اليومي.
تبدأ القصة في روما القديمة نحو 400 قبل الميلاد، حيث كانت كلمة «alumen» تصف أملاحًا قابضة تُستخدم في الصباغة والدباغة. وقد وثّق عالم الطبيعة الروماني Pliny the Elder (23-79 ميلادية) خصائص الشب في موسوعته «Naturalis Historia»، واصفًا من دون أن يدري 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) أولًا عزل الألومنيوم بالتحليل الكهربائي في عام 1807. وباستخدام بطاريته الكهربائية المبتكرة حديثًا، نجح Davy في عزل بوتاسيوم وصوديوم، لكنه واجه صعوبة بسبب نقطة الانصهار المرتفعة لأكسيد الألومنيوم (2,072°C). وعلى الرغم من عدم نجاحه في عزل الألومنيوم النقي، سمّى Davy المعدن الافتراضي «aluminum» في عام 1812، ثم غُيّر الاسم لاحقًا إلى «aluminium» ليتوافق مع أسماء العناصر الأخرى المنتهية بـ «-ium».
حقق الفيزيائي والكيميائي الدنماركي Hans Christian Ørsted (1777-1851) أول عزل للألومنيوم في August 29, 1825. وباستخدام ملغمة البوتاسيوم لاختزال كلوريد الألومنيوم، أنتج Ørsted كريات معدنية صغيرة. وتضمنت طريقته تسخين كلوريد الألومنيوم مع البوتاسيوم في أنبوب مغلق، مما أوجد أول عينات معروفة من الألومنيوم الفلزي.
حسّن الكيميائي الألماني Friedrich Wöhler (1800-1882) طريقة Ørsted، مستخدمًا البوتاسيوم الفلزي بدلًا من الملغمة. في July 21, 1827، أنتج Wöhler مسحوق الألومنيوم وخرزات صغيرة، وأصبح أول من لاحظ الخصائص الأساسية للألومنيوم: خفة الوزن، ومقاومة الأكسدة، والبريق الفلزي. 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 للاختزال الكيميائي باستخدام الصوديوم إنتاج الألومنيوم مجديًا تجاريًا للمرة الأولى. وقد موّل إمبراطور Napoleon III of France أبحاث Deville، متطلعًا إلى استخدام دروع ومعدات من الألومنيوم لجيشه.
خلال هذه الحقبة، كان الألومنيوم أغلى من الذهب. وكان Napoleon III يعرض أدوات مائدة من الألومنيوم في الولائم الرسمية، ويخصصها للضيوف الأكثر تكريمًا، بينما كان الآخرون يستخدمون أدوات ذهبية. أما حجر القمة في نصب واشنطن، الذي اكتمل في عام 1884، فقد صُنع من 100 أونصة من الألومنيوم، وكانت قيمته آنذاك تعادل الأجر السنوي لعامل.
اكتشف كيميائيان شابان لامعان، كلٌّ منهما على نحو مستقل، العملية التحليلية الكهربائية التي جعلت الألومنيوم متاحًا للجميع:
في سن 22، وبينما كان يعمل في سقيفة الأخشاب التابعة 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 تيارًا كهربائيًا خلاله، منتجًا قطرات من الألومنيوم النقي.
وكان Héroult في سن 22 أيضًا، وقد توصل إلى الاكتشاف نفسه بعد شهرين فقط، في April 9, 1886. وبينما كان يعمل في مدبغة والده في Gentilly بفرنسا، طوّر Héroult العملية ذاتها بصورة مستقلة. وُلد الرجلان في عام 1863 وتوفيا في عام 1914، وهي مصادفة لافتة في تاريخ العلم.
خفّضت عملية Hall-Héroult سعر الألومنيوم من $545 للرطل (1850s) إلى $0.68 للرطل (1900)، أي انخفاضًا في السعر بنسبة 99.8%. وقد أطلق هذا الاختراق صناعة الألومنيوم الحديثة:
تنتج صناعة الألومنيوم اليوم أكثر من 65 مليون طن سنويًا، مما يتيح الطيران الحديث، واستكشاف الفضاء، والتغليف المستدام. ولا تزال عملية Hall-Héroult، التي لم تتغير أساسًا منذ عام 1886، تمثل أساس إنتاج الألومنيوم في جميع أنحاء العالم، وهي شهادة على براعة كيميائيين شابين يبلغان 22 عامًا غيّرا مسار الحضارة.
الاستخدامات
يجعل الجمع الفريد بين خفة الألومنيوم وقوته ومقاومته للتآكل هذا الفلز central عبر صناعات متعددة. وبكثافة تبلغ 2.7 g/cm³ فقط — أي نحو ثلث كثافة الفولاذ — أحدث الألومنيوم ثورة في النقل والبناء.
تستهلك صناعة الطيران والفضاء نحو 20% من إنتاج الألومنيوم العالمي. تستخدم هياكل الطائرات سبيكة الألومنيوم 2024 (Al-Cu-Mg) في بناء هياكل الطائرات، إذ توفر نسبًا استثنائية بين القوة والوزن. تحتوي طائرة Boeing 787 Dreamliner على أكثر من 20% من الألومنيوم من حيث الوزن، بينما تستخدم الطائرات المقاتلة الحديثة مثل F-35 Lightning II سبائك متقدمة من الألومنيوم والليثيوم أخف بنسبة 10% وأكثر صلابة بنسبة 15% من سبائك الألومنيوم التقليدية.
تستخدم 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 الصدمات مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.
تشمل تطبيقات الألومنيوم المعمارية الجدران الساترة وإطارات النوافذ وأنظمة الأسقف. تنشئ عملية الأكسدة الأنودية طبقة أكسيد واقية يصل سمكها إلى 25 micrometers، مما يوفر مقاومة فائقة للعوامل الجوية. يستخدم برج خليفة في دبي أكثر من 1,500 tons من الألومنيوم في نظام واجهته، بينما تُكسى الأصداف المميزة لدار أوبرا سيدني ببلاطات من الألومنيوم ذات نمط شيفرون.
تجعل الموصلية الكهربائية للألومنيوم (37.7 MS/m) هذا الفلز مثاليًا لنقل الطاقة. تنقل كابلات الموصل الألومنيومي المقوّى 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 مقارنة بالنحاس.
تستفيد الأجهزة الإلكترونية من الموصلية الحرارية للألومنيوم (205 W/m·K) لتبديد الحرارة. تُشكّل هياكل MacBook آليًا من كتل ألومنيوم واحدة باستخدام التفريز باستخدام التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، بينما تستخدم هياكل الهواتف الذكية سبيكة الألومنيوم 6013 للحجب الكهرومغناطيسي. تستفيد مشتتات حرارة LED من الخصائص الحرارية للألومنيوم لمنع ارتفاع الحرارة وإطالة عمر المكونات.
يمسّ الألومنيوم حياتنا اليومية بطرق لا حصر لها، غالباً من دون أن نلاحظه، لكنه يظل ضرورياً دائماً. فمنذ لحظة استيقاظنا حتى ذهابنا إلى النوم، تحيط بنا منتجات الألومنيوم.
يستهلك الأمريكيون نحو 54 مليار علبة ألومنيوم سنوياً - أي ما يقارب 170 علبة لكل شخص. ولو وُضعت هذه العلب طرفاً إلى طرف، لأحاطت بالأرض أكثر من 160 مرة.
مصدره
82300 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 98% of elements
الألومنيوم هو ثالث أكثر العناصر وفرةً في القشرة الأرضية، إذ يشكّل تقريباً 8.23% من الوزن، مما يجعله أكثر شيوعاً من الحديد. وعلى الرغم من هذه الوفرة، لا يوجد الألومنيوم 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 ألومنيوم ثانوية تتكوّن بفعل التجوية:
بدأت رحلة الألومنيوم الكونية في قلوب النجوم الضخمة من خلال التخليق النووي النجمي. وخلال حياة النجم، تُنتج عمليات احتراق السيليكون الألومنيوم-26 (²⁶Al)، وهو نظير مشع يبلغ عمر النصف له 720,000 سنة. وعندما تنفجر هذه النجوم على هيئة مستعرات عظمى، تنثر الألومنيوم في أنحاء المجرة.
يحتوي نظامنا الشمسي على ألومنيوم ناتج من أجيال نجمية متعددة. وتحفظ النيازك، ولا سيما الكوندريتات الكربونية، مركّبات ألومنيوم أصلية من السديم الشمسي قبل 4.6 مليار سنة. ويحتوي نيزك أليندي (سقط عام 1969) على شوائب غنية بالألومنيوم تُسمّى CAIs (شوائب غنية بالكالسيوم والألومنيوم)، وهي أقدم المواد المعروفة في نظامنا الشمسي.
على الرغم من أن الألومنيوم يشكّل 8% من القشرة الأرضية، فإنه لا يؤدي أي دور حيوي أساسي معروف. ومع ذلك، يؤثر تأثيراً كبيراً في نمو النباتات في الترب الحمضية، حيث تصبح أيونات Al³⁺ قابلة للذوبان وسامةً لأنظمة الجذور. وقد طوّرت بعض النباتات، مثل الشاي (Camellia sinensis) وبعض السراخس، آليات لتحمّل الألومنيوم، فتراكم الفلز فعلياً في أنسجتها.
حقبة ما قبل الكامبري (قبل 3.8-0.54 مليار سنة): التركّز الأولي للألومنيوم في القشرة الأرضية من خلال التمايز والنشاط البركاني.
حقبتا الحياة القديمة والميزوزوي (قبل 540-66 مليون سنة): تكوّن رواسب البوكسيت الرئيسية بفعل التجوية المدارية للصخور الغنية بالألومنيوم.
حقبة الحياة الحديثة (قبل 66 مليون سنة-حتى الحاضر): استمرار تكوّن البوكسيت في المناطق المدارية، مع تكوّن رواسب أستراليا قبل 35-55 مليون سنة.
التعامل
على الرغم من أن الألومنيوم يُعد آمنًا عمومًا للاستخدام اليومي، فإن التعامل السليم والوعي بالمخاطر المحتملة أمران ضروريان، لا سيما في البيئات الصناعية ولدى الأفراد الذين يعانون من حساسيات معينة.
OSHA PEL: 15 mg/m³ (الغبار الكلي)، 5 mg/m³ (الجزء القابل للاستنشاق)
الخطر: يمكن أن يسبب استنشاق غبار الألومنيوم التليف الرئوي («رئة الألومنيوم») لدى العاملين في المجال الصناعي. ويؤدي لحام الألومنيوم إلى إطلاق أبخرة أكسيد الألومنيوم التي قد تسبب حمى أبخرة المعادن.
الأعراض: السعال، ضيق التنفس، ضيق الصدر، أعراض شبيهة بالإنفلونزا
حالة البحث: تشير أدلة محدودة إلى أن التعرض المرتفع للألومنيوم قد يسهم في اضطرابات عصبية
الفئات المعرضة للخطر: الأفراد المصابون بأمراض الكلى الذين لا يستطيعون طرح الألومنيوم بفعالية
الاحتياط: تجنب استخدام أواني الطهي المصنوعة من الألومنيوم مع الأطعمة الحمضية (الطماطم والحمضيات)، إذ تزيد هذه الأطعمة من ترشح الألومنيوم
احتمال التهيج: خطر ضئيل من الألومنيوم الصلب؛ وقد تسبب أملاح الألومنيوم تهيج الجلد
التفاعلات التحسسية: حالات نادرة لكنها موثقة لحساسية الألومنيوم، لا سيما بسبب مضادات التعرق
الأعراض: الاحمرار، الحكة، التهاب الجلد التماسي لدى الأفراد ذوي الحساسية
مسحوق الألومنيوم: غبار الألومنيوم الدقيق قابل للاحتراق والانفجار بدرجة عالية
مصادر الاشتعال: الكهرباء الساكنة، الشرر، مصادر الحرارة التي تتجاوز 760°C
إخماد الحريق: استخدم طفايات المسحوق الجاف؛ لا تستخدم الماء مطلقًا في حرائق الألومنيوم
التخزين: احفظ المسحوق في حاويات محكمة الإغلاق ومؤرضة، بعيدًا عن المواد المؤكسدة
اغسل العينين فورًا بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة. أزل العدسات اللاصقة إذا أمكن نزعها بسهولة. اطلب العناية الطبية إذا استمر التهيج.
اغسل المنطقة المصابة بالماء والصابون. انزع الملابس الملوثة. في حال حدوث جروح بسبب الألومنيوم، نظف الجرح وضع مطهرًا.
انتقل فورًا إلى هواء نقي. إذا حدثت صعوبات في التنفس، فأعطِ الأكسجين واطلب العناية الطبية فورًا.
اشطف الفم بالماء. لا تحفز القيء. اطلب العناية الطبية إذا تم ابتلاع كميات كبيرة أو ظهرت أعراض.
• الألومنيوم آمن عمومًا في المنتجات الاستهلاكية عند استخدامه حسب الغرض المخصص له
• ينبغي على العاملين في المجال الصناعي اتباع جميع إرشادات OSHA وبروتوكولات السلامة الخاصة بالشركة
• ينبغي على الأفراد المصابين بأمراض الكلى استشارة الأطباء بشأن التعرض للألومنيوم
• اقرأ دائمًا نشرات بيانات سلامة المنتج (SDS) الخاصة بمركبات الألومنيوم المحددة
إجابات سريعة
ألومنيوم (symbol Al) is element 13 on the periodic table, a فلز بعد انتقالي in period 3, group 13. Once more precious than gold, now the most-used metal after iron — because someone worked out how to electrolyse it cheaply. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p¹, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.ألومنيوم melts at 933.5 K (660.3 °C) and boils at 2792 K (2518.9 °C).
The standard atomic weight of ألومنيوم is 26.982 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
ألومنيوم has a density of 2.7 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of ألومنيوم is about 2.7× heavier.
ألومنيوم has a Pauling electronegativity of 1.61. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
ألومنيوم was discovered in 1825 by Hans Christian Orsted. It is named after latin alumen, "alum".
ألومنيوم makes up about 8.23% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.