دانشچی پورتال جامع تحقیق و مقاله، مطالب علمی و هنری ، وبگردی و…
همه چیز درباره عنصر آلومینیوم (Al)
آلومینیوم ، (به انگلیسی : Aluminium) با علامت اختصاری Al و عدد اتمی ۱۳، عنصری از جدول تناوبی در دسته فلزات است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. با دانشچی همراه باشید.
آلومینیوم یک فلز نرم، نقرهای و چکشپذیر با چگالی ۲/۷ g r c m 3 {\displaystyle {gr \over cm3}} {\displaystyle {gr \over cm3}} است که سومین عنصر فراوان و فراوانترین فلز در پوسته کره زمین است. آلومینیوم خالص به دلیل واکنشپذیری بسیار بالای خود بسیار به ندرت بهطور طبیعی یافت میشود به صورت ناخالص در سنگهای معدنی مختلفی وجود دارد. بیشتر آلومینیوم دنیا از سنگ بوکسیت به دست میآید.
شناسنامه آلومینیوم
عدد اتمی: ۱۳
جرم اتمی: ۲۶.۹۸۱۵۴
نقطه ذوب : C°۶۶۰/۳۲
نقطه جوش : C°۲۴۶۷
شعاع اتمی : Å ۱۴۳/۱pm
ظرفیت: ۳+
رنگ: نقره ای
حالت استاندارد: جامد
نام گروه: ۳
انرژی یونیزاسیون : Kj/mol 577.5
شکل الکترونی: ۱۱s2 2s2p6 3s2p1
شعاع یونی : Å: ۰.۵۳۵
الکترونگاتیوی: ۱.۶۱
حالت اکسیداسیون: ۳
دانسیته : ۲.۷ g/cm3
گرمای فروپاشی : Kj/mol 10.79
گرمای تبخیر : Kj/mol 293.4
مقاومت الکتریکی : Ohm m 0.0000000265
گرمای ویژه: J/g Ko 0.9
تاریخچه کشف آلومینیوم
“فردریک وهلر” بطور کلی به آلومینیوم خالص اعتقاد داشت .(لاتین :alum alumen). اما این فلز دو سال پیشتر بوسیله “هانس کریستین ارستد” شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی بدست آمد. در روم و یونان باستان این فلز را بعنوان ثابت کننده رنگ در رنگرزی و نیز بعنوان بند آورنده خون در زخمها بکار میبردند و هنوز هم بعنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده است. در سال ۱۷۶۱ ، “گویتون دموروو” پیشنهاد کرد تا alum را آلومین (alumin) بنامند.
ویژگیهای آلومینیوم
آلومینیوم ، فلزی نرم و سبک ، اما قوی است، با ظاهری نقرهای – خاکستری مات و لایه نازک اکسیداسیون که در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل میشود، از زنگ خوردگی بیشتر جلوگیری میکند. وزن آلومینیوم تقریبأ یک سوم فولاد یا مس است.ِ چکش خوار ، انعطاف پذیر و به راحتی خم میشود. همچنین بسیار بادَوام و مقاوم در برابر زنگ خوردگی است. بعلاوه ، این عنصر غیر مغناطیسی ، بدون جرقه ، دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطافپذیر است.
کاربردهای آلومینیوم
چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش ، آلومینیوم کاربردیترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخشهای صنعت دارای اهمیت میباشد. آلومینیوم خالص ، نرم و ضعیف است، اما میتواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس ، منیزیوم ، منگنز ، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگیهای مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را میسازند.
وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل میدهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس میکند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود میآورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمیدهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینههای تلسکوپهای نجومی است.
برخی از کاربردهای فراوان آلومینیوم عبارتند از:
- حمل و نقل ( اتومبیلها ، هواپیماها ، کامیونها ، کشتیها ، ناوگان های دریایی ، راه آهن و … )
- بستهبندی ( قوطیها ، فویل و… )
- ساختمان ( درب ، پنجره ، دیوار پوشها و … )
- کالاهای با دوام مصرف کننده ( وسایل برقی خانگی ، وسایل آشپزخانه ، … )
- خطوط انتقال الکتریکی ( بهعلت وزن سبک اگرچه هدایت الکترِکی آن تنها ۶۰% هدایت الکتریکی مس میباشد )
- ماشین آلات
اکسید آلومینیوم (آلومینا) بطور طبیعی ، سنگ سمباده (emery) ، یاقوت (ruby) و یاقوت کبود (sapphire) یافت میشود که در صنعت شیشهسازی کاربرد دارد. یاقوت و یاقوت کبود مصنوعی در لیزر برای تولید نور همنوسان بکار میروند. آلومینیوم با انرژی زیادی اکسیده میشود و در نتیجه در سوخت موشکهای با سوخت و دمازاها مورد استفاده واقع میشود.
استخراج آلومینیوم
آلومینیوم یک فلز واکنشگر است و نمیتواند از سنگ معدن خود بوکسیت (Al2O ) بوسیله کاهش با کربن جدا شود. در عوض روش جداسازی این فلز از طریق الکترولیز است. (این فلز در محلول اکسیده شده ، سپس بصورت فلز خالص جدا میشود.) لذا جهت این کار ، سنگ معدن باید درون یک مایع قرار بگیرد. اما بوکسیت دارای نقطه ذوب بالایی است (۲۰۰۰ درجه سانتیگراد) که تامین این مقدار انرﮊی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
برای سالهای زیادی بوکسیت را در فلورید سدیم و آلومینیوم مذاب قرار میدادند و نقطه ذوب آن تا ۹۰۰درجه سانتیگراد کاهش مییافت. اما امروزه مخلوط مصنوعی ازآلومینیوم ، سدیم و فلوئورید کلسیم ، جایگزین فلورید سدیم و آلومینیوم شده است. این فرایند هنوز مستلزم انرژی بسیار زیاد است و کارخانجات آلومینیوم دارای ایستگاههای برق مخصوص خود در اطراف این کارخانهها هستند.
الکترودهایی که در الکترولیز بوکسیت بکار میروند، هر دو کربن هستند. وقتی سنگ معدن در حالت مذاب است، یونهای آن آزادانه حرکت میکنند. واکنش در کاتد منفی اینگونه است:
Al3+ + 3e —-> Al
در اینجا یون آلومینیوم در حالت کاهش است(الکترونها اضافه میشوند). سپس فلز آلومینیوم به سمت پایین فرو میرود و خارج میشود.
آند مثبت ، اکسیژن بوکسیت را اکسیده میکند که بعد از آن با الکترود کربنی واکنش کرده تا تولید دیاکسید کربن نماید.
این کاتد باید عوض شود، چون اغلب تبدیل به دیاکسید کربن میشود. بر خلاف هزینه الکترولیز ، آلومینیوم فلزی ، ارزان با کاربرد وسیع است. امروزه آلومینیوم را میتوان از خاکه معدنی (clay) استخراج کرد، اما این فرایند ، اقتصادی نیست.
ایزوتوپهای آلومینیوم
آلومینیوم، دارای ۹ ایزوتوپ است که عمدهترین آنها بین ۲۳ تا ۳۰ مرتب شدهاند. تنها Al-۲۷ (ایزوتوپ پایدار) و Al-۲۶ (ایزوتوپ رادیواکتیو) بطور طبیعی وجود دارند. Al-۲۶ از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر که در نتیجه پروتونهای اشعه کیهانی رخ میدهد، تولید میشود. ایزوتوپهای آلومینیوم، کاربردهای عملی در تعیین قدمت رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخهای دوران یخبندان، کوارتز در صخرهها و شهاب سنگها دارد.
Al-۲۶ اولین بار در مطالعات ماه و شهابسنگها بکار رفت. اجزاء شهابسنگها بعد از جدا شدن از پیکره مادر در مدت سفر خود در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی هستند که باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار میشود. بعد از سقوط روی زمین، حفاظ اتمسفر مانع از تولید Al-۲۶ بیشتر از قطعات شهابسنگها میشود و واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آنها مؤثر است. تحقیقات روی شهابسنگها ثابت کردهاست که Al-۲۶ در زمان شکلگیری سیاره ما نسبتاً به مقدار فراوان وجود داشتهاست. احتمالاً انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی Al-۲۶، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارکها بعد از شکلگیری آنها را ۲–۴ میلیارد سال پیش در پی داشتهاست.
هشدارها درباره آلومینیوم
آلومینیوم یکی از معدود عناصر فراوانی است که ظاهراً هیچ فعالیت مؤثری در سلول های زنده ندارد. اما درصدی از مردم به آن حساسیت دارند. آنها تجربه کردهاند تماس هر نوع از آن موجب التهاب پوستی میشود. مصرف داروهای بند آورنده خون و مواد ضد عرق باعث ایجاد جوش های خارش آور و سؤ هاضمه میگردد. عدم جذب مواد غذایی مفید از غذاهای پخته شده در ظروف آلومینیومی همچنین تهوع و سایر علائم مسمومیت در نتیجه خوردن اینگونه محصولات مانند Maalox, Amphojel, Kaopectate.
در سایر افراد آلومینیوم مانند فلزات سنگین، سمی نیست، اما در صورت مصرف زیاد علائمی از مسمومیت دیده شدهاست. اگرچه استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگزدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آنها بسیار رایج است، در کل، هیچگونه علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آنها دیده نشدهاست. مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند، احتمال مسمومیت بیشتری دارند. بهعلاوه احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شدهاست، گرچه اخیراً این فرضیه رد شدهاست. مصرف زیاد این عنصر باعث کم خونی نیز میگردد.
اثرات آلومینیم بر سلامتی انسان
آلومینیم فلزی است که بسیار مورد استفاده قرار میگیرد و همچنین یکی از فراوانترین ترکیباتی است که در پوسته زمین وجود دارد. با توجه به این موارد، آلومینیم عنصر مظلومی است. اما زمانیکه غلظت آلومینیم در محیط افزایش می یابد، اثرات شدیدی بر سلامت انسان میگذارند. شکل محلول در آب آلومینیم اثرات خطرناکی را سبب میشود، به ذراتی از آلومینیم که در آب حل شده اند، ذرات یونی گفته میشود. این گونه یونها در محلول آلومینیم یافت میشوند و همراه با سایر یونها وجود دارند به عنوان مثال، کلرید آلومینیم.
در بیشتر اوقات مقدار آلومینیم غذا افزایش پیدا میکند. راههای دیگری که سبب افزایش مقدار آلومینیم میشود تنفس کردن و تماس پوستی آلومینیم است. اگر فردی برای مدت زمان طولانی در تماس با غلظت زیادی از آلومینیم باشد علایم زیر در وی بروز پیدا میکند:
♦ سیستم عصبی مرکزی آسیب میبیند.
♦ سبب جنون میشود.
♦ فرد حافظه خود را از دست میدهد.
♦ باعث سستی و بیحالی میشود.
♦ باعث لرز شدید و تشنج میگردد.
آلومینیم در محیط های کاری به خصوص معادن در صورت حضور آب و مخلوط شدن با آن خطرناک است. افرادی که در کارخانه های فرآوری آلومینیم کار میکنند، دچار مشکلات تنفسی میشوند زیرا این گونه افراد غبار آلومینیم تنفس میکنند. همچنین آلومینیم برای بیماران کلیوی در هنگامی که عمل دیالیز را انجام میدهند و ممکن است آلومینیم وارد بدن آنها شود، خطراتی را به دنبال دارد.
تنفس آلومینیم یا پودر اکسید آلومینیم باعث تصلب ریه ها و آسیب به ششها میشود. این بیماری تحت نام Shaver’s Disease خوانده میشود. در این حالت ممکن است آلومینیم با سیلیسیم و اکسید آهن موجود در هوا نیز واکنش داده و باعث بیماری آلزایمر شود.
اثرات آلومینیم بر محیط زیست
اثرات آلومینیم توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است، زیرا باعث اسیدی شدن میشود. آلومینیم ممکن است در گیاهان انباشته شود و در جانورانی که از گیاهان تغذیه میکنند سبب بروز بیماری شود.
مقدار آلومینیم در دریاچه های اسیدی بسیار بالا است. در این دریاچه ها تعداد ماهی ها و دوزیستان کاهش می یابد زیرا یونهای آلومینیم با پروتئینهای موجود در آبشش ماهی ها و جنین قورباغه ها واکنش میدهد.
غلظت بالای آلومینیم نه تنها بر ماهی ها اثر میگذارد، بلکه بر پرندگان و سایر جانوران که از ماهی و حشرات آلوده تغذیه میکنند و جانورانی که در هوای حاوی آلومینیم تنفس میکنند، اثر میگذارد. اثر مصرف ماهی های آلوده بر پرندگان به گونه ای است که پوست تخم آنها نازک میشود و جوجه های با وزن کم متولد میشوند. اثر تنفس آلومینیم بر جانوران مشکلات تنفسی، کمبود وزن و کاهش فعالیت میباشد.
اثر منفی دیگری که آلومینیم بر محیط زیست دارد، این است که یونها با فسفات واکنش میدهد. واکنش یونها با فسفات باعث کمبود فسفات در ارگانیسمهای آبی میشود.
دریاچه های اسیدی و هوا فقط آلومینیم زیاد ندارند، بلکه آبهای زیرزمینی که از خاکهای اسیدی عبور میکنند هم دارای مقدار زیادی آلومینیم هستند. علائم بسیار زیادی وجود دارد که آلومینیم میتواند به ریشه درختانی که در آبهای زیرزمینی قرار دارند، آسیب میرساند.
آلومینیوم _دانشچی
