کوانتومتری آلومینیوم

پر کاربردترین فلز صنعتی پس از آهن است. توجه خواهیم کرد به بیان این جمله چندان جای تعجبی ندارد اگر نگاهی به اطراف خود توجه کنیم با سیلی از قطعاتی مواجه خواهیم شد که  آلومینیم به عنوان حداقل یکی از اجزای سازنده آن به کار رفته است. قصد داریم کمی دقیق تر با این عنصر فلزی در جدول تناوبی آشنا شویم. شما با خواندن این مطلب با تمامی نکات این فلز از خواص فیزیکی و شیمیایی تا نحوه استخراج، آلیاژسازی و انواع گریدهای آلیاژهای آلومینیوم آشنا خواهید شد.

خواص آلومینیم

آلومینیم ۱۳ امین عنصر جدول تناوبی است. این عنصر فلزی در گروه ۱۳ و تناوب ۳ از جدول تناوبی مندلیف جا خوش کرده است. به همین خاطر خواصی مشابه فلزات این گروه دارد و برای رسیدن به حالت پایدار، نیاز به از دست دادن ۳ الکترون در لایه ظرفیت خود دارد. به همین دلیل آلومینیوم در ترکیبات به صورت Al+3 یافت می شود.

آلومینیم فراوان ترین عنصر فلزی در پوسته کره زمین می باشد که حدودا ۸% آن را تشکیل داده است. این عنصر فلزی به رنگ نقره ای مایل به سفید، چکش خوار و بسیار نرم است که هیچ گونه خاصیت مغناطیسی ندارد.

به دلیل فعالیت شیمیایی بالا، هیچ گاه آلومینیم به صورت خالص در طبیعت پیدا نمی شود و معمولا در ترکیب با عناصر دیگر در سنگ های معدنی مشاهده می شود. معروف ترین سنگ معدن آلومینیوم، به نام بوکسیت (bauxite) شناخته می شود.

آلومینیوم خواص برجسته بسیاری دارد که آن را در بین فلزات متمایز ساخته است، اما شاید مهم ترین ویژگی های آن را بتوان دانسیته بسیار پایین و مقاومت خوردگی بالا دانست. همان طور که در ادامه مقاله مشاهده خواهید کرد، این فلز با تشکیل یک لایه اکسیدی چسبنده و مقاوم، در برابر خوردگی از خود محافظت می کند و به اصطلاح پسیو (passive) می شود. بیشترین ترکیبات آلومینیوم به صورت اکسید و سولفید در طبیعت یافت می شوند.

ایزوتوپ ها

آلومینیوم ۹ ایزوتوپ متفاوت دارد که بین اعداد ۴۳-۲۳ مرتب شده اند. در میان این ایزوتوپ ها، تنها ۲۶Al (ایزوتوپ رادیواکنیو) و ۲۷Al (ایروتوپ پایدار) به صورت طبیعی پیدا می شوند و مابقی را باید به صورت مصنوعی در آزمایشگاه ها تولید کرد. تقریبا تمامی آلومینیوم موجود در پوسته زمین به صورت ۲۷Al یافت می شود. بنابراین، این عنصر را می توان یکی از ۲۱ عنصر ار جدول تناوبی دانست که تنها یک ایزوتوپ پایدار در طبیعت دارند. بنابراین جرم اتمی استاندارد این عنصر را می توان برابر ۲۷ فرض کرد.

الکترون های ظرفیت

اتم آلومینیم مجموعا ۱۳ الکترون دارد و ساختار لایه ظرفیت آن به صورت ۳s23p1 است. بنابراین با از دست دادن سه الکترون به آرایش پایدار 8 تایی می رسد. با از دست دادن سه الکترون، باید انتظار کاهش حجم زیادی را داشته باشیم. به طوری که شعاع آلومینیم پس از دادن سه الکترون از 143pm به 39pm کاهش می یابد!

در دمای اتاق و فشار استاندارد 1atm، آلومینیوم ساختار FCC دارد. آلومینیوم فلزی نرم و چکش خوار است که دمای ذوب نسبتا پایینی دارد.

خواص حجمی

آلومینیم از لحاظ ظاهری رنگی رنگی نقره ای تا خاکستری دارد که بسته به زیری سطح آن و میزان نوری است که از سطح بازتاب می کند. این فلز به صورت خالص در طبیعت یافت نمی شود و به محض قرارگیری در معرض هوا سطح آن با یک فیلم نازک و چسبنده اکسیدی پوشیده می شود. این سطح بازتاب کننده خوبی برای نورهای مادون قرمز و مرئی به حساب می آید.

چگالی این فلز خاکستری رنگ برابر 2.7g/cm3 بوده که از این نظر فلز بسیار سبکی محسوب می شود (حدود یک سوم چگالی فولاد) و به همین دلیل است که امروزه توانسته جایگاه بسیاری از فلزات و آلیاژهای دیگر مثل مس، آهن و فولاد را تصاحب کند! گرچه توجه داشته باشید که این فلز به اندازه آلیاژی مانند فولاد مستحکم نیست، اما چگالی پایین و سبکی این فلز چیزی نیست که به راحتی بتوان آن را نادیده گرفت و با ترکیب فلزاتی مثل مس، سیلیسیوم، منیزیوم و منگنز می توان آلیاژهایی مستحکم و سبک را تولید کرد.

به دلیل نرمی بیش از حد آلومینیوم، کمتر پیش می آید که این فلز به صورت خالص مورد استفاده قرار بگیرد. آلومینیوم خالص استحکام تسلیمی در حدود 7-11 MPa دارد، اما با آلیاژسازی می توان استحکام آن را تا بیش از 50 برابر افزایش داد!

آلومینیوم هدایت الکتریکی و حرارتی نسبتا خوبی دارد، اما نه در حدی که بتوان آن را جایگزینی برای مس در این بخش دانست. اما این فلز خاصیت ابررسانایی دارد و در دمای 1.2K خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد. این فلز از لحاظ مغناطیسی خاصیت پارامغناطیس (Paramagnetism) دارد.