بحث شامل ومعمق عن مادة الألمنيوم | الألمنيوم | استعمالات الألمنيوم و خواصه

بحث شامل ومعمق عن مادة الألمنيوم | الألمنيوم | استعمالات الألمنيوم و خواصه

بحث شامل ومعمق عن مادة الألمنيوم

[gdwl]

بحث شامل ومعمق عن مادة الألمنيوم

الألمنيوم

المقدمة

من أهم خصائص الألمنيوم التي جعلته معدنا ثمينا هي خفة الوزن،
والمتانة،و قابلية إعادة التصنيع، مقاومه الصدأ، سهوله التعامل، قابليته للتشكيل و التوصيل الكهربائي. ونتيجة لهده الخصائص المتنوعة تعددت مجالات استخدام الألمنيوم وصار استخدامه ضروريا في حياتنا بحيث أصبحنا لا نستطيع الطيران، أو الركوب قي القطارات والسيارات السريعة كما انه لا يمكننا الحصول على الحرارة والكهرباء في بيوتنا بدونه. بدونه. هذا بالإضافة إلى استعمالنا إياه في عمليه حفظ الطعام،الدواء، تصنيع وأخيرا تصنيع القطع الالكترونية الخاصة بأجهزة الحاسب الآلي..
من الناحية المادية، الكيميائية والميكانيكية الألمنيوم يشبه الحديد والنحاس والزنك والرصاص والتاتنيوم. يمكن صهر وتشكيل الألمنيوم كغيره من المعادن كما أن له قدره على التوصيل الكهربائي. وفي الواقع يمكن استعمال نفس الأدوات المستخدمة في تصنيع وتشكيل الألمنيوم في تصنيع وتشكيل الحديد.

Aluminium

Al

العدد الذري : 13

الكتلة الذرية : 26.981539

درجة الانصهار : 660.37 درجة مئوية

درجة الغليان : 2467.0درجة مئوية

الكثافة : 2.702 جم/سم3

عدد الأكسدة : +3

التوزيع الإلكتروني : Ne]3s2.3p1 ]

تاريخ الألمنيوم ووجوده في الطبيعة اصل التسمية ترجع الى الكلمة اليونانية alumen . وقد اكتشف الألمنيوم عام 1825م بواسطة العالم هانز كريستيم اورستيد وظل حتى نهاية القرن التاسع عشر شيئاً غريباً غالياً , يستخدم لصناعة الحلي . بالرغم من انه أكثر الفلزات وثالث العناصر شيوعاً في القشرة الأرضية بعد الأكسجين والسيليكون إذ يدخل في تكوين معظم أنواع الصخور والطمي .

ويوجد في الطبيعة على عدة أشكال أهمها سيليكات الألمنيوم Al2 (SiO3)3 والبوكسايتAl2O3.XH2O والكريوليت Na3AlF6 .
لم يبدأ استخدام الألمنيوم على نطاق واسع الابعد مطلع القرن العشرين بعد أن تبين أن سبائكه مع فلزات اخرى لها نفس قوة الصلب بثلث الوزن تقريباً, وأصبح الألمنيوم يحتل المركز الثاني في الاستخدامات بين الفلزات بعد الحديد واهم الخصائص التي أوصلته إلى هذا المركز هي خفة وزنة , فوزنه النوعي 2.75(الوزن النوعي للحديد يتراوح بين 7,3الى 7,9 والنحاس 8,95 ) .

استخلاص الألمنيوم

كان الألمنيوم حتى عام 1866يحضر باختزال الاوكسيد بالصوديوم .
x 6Na +Al2 O3 --------> 2Al +3Na2O

ونظراً لارتفاع تكاليف الصوديوم وخطورة استخدامه , كان لابد من إيجاد طريقة اقل تكلفة واقل خطراً .
ففي عام 1886توصل كلاً من بول هيرولت وشارل هول "دون اتصال بينهما" إلى استخلاص الألمنيوم بالتحليل الكهربي للبوكسايت Al2O3 النقي في مصهور الكريوليت Na3AlF6 عند درجة 1000درجة مئوية .
حيث يستخدم وعاء من حديد الصلب مبطن بالجرافيت قطباً سالباً ,بينما يكون القطب الموجب من قضبان كبيرة من الجرافيت تتدلى داخل مصهور Al2O3 _ Na3AlF6) ( ويتكون الألمنيوم النقي على القطب السالب ويهبط الى القعر ويسحب من مخرج خاص .

x 2Al2 O3 -----------> 4Al + 3O2

أهم تفاعلات الألمنيوم

1- يحترق الألمنيوم إذا سخن في الهواء خاصة إذا كان مسحوقاً , وقد وجد أن مخلوطاً من دقائق الألمنيوم والهواء قابل للانفجار . واحد أسباب ذلك أن تفاعله مع الأكسجين يولد كمية كبيرة من الحرارة :

حرارة + x2Al + 3 O2 -----> 2Al2O3

2- يتفاعل مع الهالوجينات :
x 2Al + 3X2 -------> 2AlX3

3- يتفاعل مع حامض الهيدروكلوريك :

x 2Al + 6HCl ------> 2AlCl3 + 3H2

4- يتفاعل مع محلول هيدروكسيد الصوديوم المائي :

x 2Al + 6NaOH --------> x 2Na3AlO3 + 3H2

خواصه

يعتبر من اوفر الفلزات في القشرة الأرضية ولا يفوقه من العناصر الإ السيليكون والأكسجين .
لا يوجد الألمنيوم بشكل حر وإنما على هيئة مركبات .
الألمنيوم فلز فضي اللون ,لين نوعاً ما , لكنة يكتسب صلابة بسبكه مع معادن أخرى كالمغنيسيوم, يمتاز بالمتانة والخفة .

- كثافته منخفضة .
- قابل للطرق والسحب .
- موصل جيد للحرارة والكهرباء .
- عنصر نشط .
- لايتآكل في الجو بسبب تكون طبقة واقية من اكسيدة عند تعرضه للجو .
- عنصر متردد لتفاعله مع الأحماض والقواعد

بعض استخداماته

نظراً لكثافته القليلة ومتانته فإنه يستخدم في الأغراض التي تتطلب متانة وخفة في الوقت نفسه كصناعة الطائرات واستكمال بناء السفن,ونوافذ وأبواب المساكن .

بسبب جودة توصيلة للكهرباء والحرارة فإنه يستخدم في عمل الأسلاك الكهربية , وأدوات الطبخ .
يستخدم الألمنيوم المسحوق في تحضير الدهانات .
يستخدم كرقائق لحفظ الأطعمة .
يستخدم في صناعة علب المشروبات .
حديثاً لعب الألمنيوم دوراً هاماً في ترميم المباني التاريخية .
يستخدم في تصنيع القطع الإلكترونية الخاصة بأجهزة الحاسب الآلي .

استعمالات الألمنيوم:
نشاهد استعمالات مختلفة ومتعددة للألمنيوم, من علب المشروبات الخفيفة وإطارات الأبواب والنوافذ إلى استعماله كوقود لدفع صواريخ المكوك الفضائي.

يعد الألمنيوم أكثر العناصر انتشارا في القشرة الأرضية ويوجد في الطبيعة بأشكال صخرية مختلفة. لكن أهمها البوكسيت ( Bauxite ) وتعتمد طريقة الاستخلاص على التحليل الكهربائي للمركب, التي تستهلك كمية كبيرة من الطاقة – من الطريف أن نعرف انه حتى عام 1886 م كان الألمنيوم أغلى ثمنا من الفضة والذهب, فلقد استعمله إمبراطور فرنسا نابليون الثالث ( 1808 – 1873 م ) كصفائح لعمل تماثيل ومجسمات كهدايا ثمينة لضيوفه. لكن ألان يستعمل الألمنيوم كرقائق من اجل التسخين في مطبخ المنزل

استخلاص الألمنيوم:
يستخلص الألمنيوم النقي من خام البوكسيت ( Bauxite ) وهو عبارة عن أكسيد الألمنيوم المختلط مع شوائب أخري. تم الاستخلاص بطريقة صناعة تسمى طريقة بار (Bayer) . وتبدأ بخلط البوكسيت مع الصودا الكاوية بتأثير ضغط وحرارة كبيرين, وينتج هذا الخلط مادة شبيهه ببلورات السكر وهى عبارة عن أكسيد الألمنيوم النقي.ثم تضاف الكربولايت(cryolit) وتتركب من فلوريد الصوديوم وفلوريد الألمنيوم بخفض درجة الانصهار.أخيرا يستخدم التحليل الكهربائي لفصل الألمنيوم عن الأكسجين للحصول على الألمنيوم النقي.

الألمنيوم عنصر في الجدول الدوري وفلز خفيف يرمز له بالرمز Al. وهو مستخدم في صناعة الطائرات نظرا لخفته. و هو من أكثر المعادن تواجداً على سطح الكرة الأرضية في الهواء والماء والتربة.
ومن خواصه خفة الوزن، غير ممغنط، يشبه الفضة في اللون، جيد التوصيل للحرارة والكهرباء.
ولا يستخدم بمفرده وإنما يضاف إليه معادن أخرى لكي تحسن من خواصه. يستخدم على نطاق واسع في منتجات عديدة في حياتنا اليومية في أدوات المطبخ، الأثاث، لعب الأطفال، مزيلات العرق، أدوية عسر الهضم، أجزاء في الطائرات والصواريخ، رقائق الألومنيوم الشهيرة بالفويل التي تستخدم في المطبخ للف الأطعمة.

13 مغنسيوم → ألومنيوم ← سيليكون

B
↑
Al
↓
Ga

الجدول الدوري

صفات عامة
الإسم, الرقم, الرمز
ألومنيوم, Al, 13
سلاسل كيميائية
poor metals

المجموعة, الدورة, المستوى الفرعي
p , 3 , 13

المظهر
فضي

كتلة ذرية
26.9815386(8) g/mol

شكل إلكتروني
[Ne] 3s2 3p1

عدد الإلكترونات لكل مستوى
2, 8, 3
خواص فيزيائية
الحالة
صلب

كثافة عندح.غ.
2.70 ج/سم³
كثافة السائل عند m.p.
2.375 ج/سم³
نقطة الإنصهار
933.47 ك
660.32 م °
1220.58 ف °

نقطة الغليان
2792 ك
2519 م °
4566 ف °

حرارة الإنصهار
kJ/mol 10.71

حرارة التبخر
kJ/mol 294.0

السعة الحرارية
(25 24.200 C (م) ° ( J/(mol•K
ضغط البخار

P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
at T/K 1482 1632 1817 2054 2364 2790

الخواص الذرية
البنية البللورية
cubic face centered
حالة التأكسد
3
(اكسيد متذبذب)

سالبية كهربية
1.61 (مقياس باولنج)

طاقة التأين
(المزيد)
1st: 577.5 kJ/mol

2nd: 1816.7 kJ/mol
3rd: 2744.8 kJ/mol
نصف قطر ذري
125 pm

نصف قطر ذري (حسابيا)
118 pm

نصف القطر التساهمي
118 pm

متفرقة
الترتيب المغناطيسي
paramagnetic

مقاومة كهربية
20 °C 26.50 nΩ•m
توصيل حراري
(300 K ك ) 237
(W/(m•K)

تمدد حراري
(25 °C) 23.1 µm/(m•K)
سرعة الصوت (قضيب رفيع)
(ح.غ.) (rolled) 5000 م/ث

معامل يونج
70 GPa
معامل القص
26 GPa
معاير الحجم
76 GPa
نسبة بواسون
0.35
صلابة موس
2.75
رقم فيكرز للصلادة
167 MPa
رقم برينل للصلادة
245 MPa
رقم التسجيل
7429-90-5
النظائر المهمة
المقالة الرئيسية: نظائر الaluminium

نظ
ت.ط.
عمر النصف
طر.إ.
طا.إ. MeV
ن.إ.

26Al syn
7.17×105y
β+
1.17 26Mg

ε
- 26Mg

γ
1.8086 -
27Al 100% Al يكون ثابت وله 14 نيوترون

الخاتمة
من أهم ميزات منتجات الألمنيوم الخاص بالمنازل أن تحفظ البرودة داخلها في الصيف والدفء في الشتاء كما انه جاف على مدار العام. كما يمكن استخدام الألمنيوم في عمليه العزل الحراري والمائي للجدران حيث انه يدخل في صناعة المواد المانعة والعازلة. إن الطبقة العازلة من الألمنيوم أفضل بأربع مرات من الخشب غير المعزول، أو الطابوق (سمك أربع انشات) أو الصخور( سمك عشره انشات)
يقوم الألمنيوم بشكل طبيعي بإنتاج غطاء اكسيدي ذو مقاومة عالية للصدأ. كما توجد أنواع متعددة من طرق معالجة الألمنيوم مثل الصبغ و...و... والتي تؤدي إلى تقويه قدرته على مقاومة الصدأ وهذا الأمر مهم في المجالات التي تحتاج إلى حماية ومحافظة.
إن الألمنيوم ذو خصائص مهمة تجعله شريك طبيعي لقطاع البناء. ويعود الفضل في هذا الأمر إلى متانته وسهولة التعامل معه و مقاومته للصدأ وسهولة إعادة تصنيعه. هده الخصائص جعلته شريكا في قطاع البناء على مدى الخمسين عاما الماضية وهده الشراكة لا تزال مستمرة وفي نمو.
تتعدد استخدامات الألمنيوم بتشكيلاته المتنوعة في إطارات النوافذ وأساسات المباني. حيث يدخل في أساسات المباني سواء المحلات الصغيرة أو مجمعات التسوق والملاعب الرياضية. كما يمكن استخدامه في سقوف المنازل والعوازل. يمكن استعمال الألمنيوم في تصنيع مقابض الأبواب والسلالم وأجهزة التكييف والتدفئة. حديثا لعب الألمنيوم دورا هاما في ترميم المباني التاريخية. إن خصائص الألمنيوم كمعدن أدت إلى ثورة وتغيير في طريقه بناء المنازل والمشاريع.
إن صناعة الألمنيوم تقود قطاع المقاولات نحو المستقبل.
[/gdwl]