پوسته آلومینیوم الکتروموتور

 

 

آلومینیوم   ₁₂ آل

آلومینیوم در جدول تناوبی
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
عنصر شیمیایی ، نماد ، عدد اتمی	آلومینیوم، آل، 12
سلسله	فلز
گروه ، دوره ، بلوک	13، 3، ص
ظاهر	نقره ای
نمایندگی	7.57 [1]  ٪
خواص اتمی
جرم اتمی	26.9815385 [2] u
شعاع اتمی (محاسبه شده)	125 (118) بعد از ظهر
شعاع کووالانسی	ساعت 121 شب
شعاع واندروالس	184 [3] بعد از ظهر
پیکربندی الکترونیکی	[ No ] 3s 2 3p 1
تعداد الکترون ها در یک سطح انرژی	2، 8، 3
کار خروجی	4.06-4.26 [4] eV
1. انرژی یونیزاسیون	577.5 کیلوژول بر مول
2. انرژی یونیزاسیون	1816.7 کیلوژول بر مول
3. انرژی یونیزاسیون	2744.1 [5] kJ/mol
4. انرژی یونیزاسیون	11563 [5] – 11578 [6] kJ/mol
خصوصیات فیزیکی
وضعیت کل	محکم
مقیاس سختی Mohs	2.75
ساختار کریستالی	مکعب وسط صورت
تراکم	2700 کیلوگرم بر متر 3
مغناطیس	پارامغناطیس (�متر= 2.1 · 10-5 ) [ 4]
نقطه ذوب	933.47 K (660.32 درجه سانتی گراد )
نقطه جوش	2743 [7] K (2470 درجه سانتیگراد )
حجم مولی	10.00 · 10 −6 m 3 / mol
گرمای تبخیر	284 [7] کیلوژول بر مول
گرمای همجوشی	10.7 کیلوژول بر مول
فشار بخار	2.42 · 10-6 Pa
سرعت صوت	6250-6500 متر بر ثانیه در 293.15 K
گرمای خاص	897 [1] J/(kg · K)
هدایت الکتریکی خاص	37.7 · 10 6 S /m
رسانایی گرمایی	235 W/(m · K)
خواص شیمیایی
عدد اکسیداسیون	1، 2، 3
اکسید	Al 2 O 3
پتانسیل الکترود	-1.66 V [5] (Al 3 + + 3e – → Al)
الکترونگاتیوی	1.61 (مقیاس پالینگ)
ایزوتوپ ها
ایزو RP t 1/2 RA ER ( MeV ) روابط عمومی 25 ال فرزند پسر 7183 س ε 4,277 25 میلی گرم 26 ال فرزند پسر 7.17 · 10 5 a ε 4004 26 میلی گرم 27 ال 100% پایدار 28 ال فرزند پسر 2.2414 دقیقه β – 4642 28 سی 29 ال فرزند پسر 6.56 دقیقه β – 3,680 29 سی
اطلاعیه امنیتی
علائم هشدار دهنده گرد و غبار F بسیار قابل اشتعال
اعلامیه های خطر و امنیت	R: 15 – 17 S: ( 2 -) 7/8 – 43
در صورت امکان و در حال استفاده از واحدهای پایه SI استفاده می شود . مگر اینکه غیر از این ذکر شود، تمام داده ها با اندازه گیری در شرایط عادی به دست می آیند.

آلومینیوم ( لاتین : ‘عنصری شیمیایی با نماد Al و عدد اتمی 13 است . در جدول تناوبی عناصر به فلزات گروه اصلی III تعلق دارد که به گروه بور نیز معروف است که قبلاً گروه فلزات زمین نامیده می شد . آلومینیوم یک فلز سبک نقره ای-سفید است. این عنصر سومین عنصر فراوان و رایج ترین فلز در پوسته زمین است . در سال 2010 حدود 41 میلیون تن آلومینیوم اولیه استخراج و فرآوری شد. ^[8] اگرچه متعلق به فلزات گرانبها نیست ، اما فقط به صورت سطحی با آب هوا واکنش می دهد و یک لایه غیرفعال محافظ روی سطح فلز ایجاد می کند.

تاریخچه

در مقایسه با سایر فلزات، آلومینیوم برای مدت طولانی در تاریخ شناخته نشده است. در سال 1808 بود که هامفری دیوی زمانی که سعی کرد آن را به عنوان فلز جدا کند، آن را آلومینیوم توصیف کرد. با این حال، هانس کریستین اورستد تنها در سال 1825 از طریق واکنش کلرید آلومینیوم (AlCl ₃ ) با آمالگام پتاسیم موفق به انجام این کار شد که به موجب آن پتاسیم به عنوان یک عامل احیا کننده عمل می کرد: ^[9]

4 آلسیل3+3 ک→آل+3 کآلسیل4

فریدریش ویلر در سال 1827 از همین روش استفاده کرد، اما از پتاسیم فلزی برای احیا استفاده کرد و در نتیجه آلومینیوم خالص تری به دست آورد. در آن زمان، آلومینیوم بیشتر از طلا ارزش داشت . هانری اتین سنت کلر دویل در سال 1846 روند وهلر را بهبود بخشید و آن را در کتابی در سال 1859 منتشر کرد. این فرآیند بهبود یافته باعث افزایش بازده آلومینیوم از سنگ معدن شد که باعث شد قیمت آلومینیوم طی ده سال 90 درصد کاهش یابد. در سال 1886، چارلز مارتین هال و پل هرولت ، مستقل از یکدیگر، فرآیندی را برای تولید آلومینیوم با الکترولیز ایجاد کردند که امروزه به نام آنها فرآیند هال-هرولت نامگذاری شده است . سه سال بعد، در سال 1889، کارل یوزف بایر فرآیندی به نام فرآیند بایر را توسعه داد که هنوز به طور گسترده برای به دست آوردن آلومینیوم در مقادیر صنعتی استفاده می شود. در آن زمان آلومینیوم در مرکز توجه علم و عموم مردم قرار داشت که کشتی ساخته شده در سال 1894 به نام آن نامگذاری شد.

ریشه شناسی

نام عنصر از کلمه لاتین alumen گرفته شده است که به معنای زاج است . در منطقه آلمانی زبان، دو نام برای عنصر استفاده می شود: آلومینیوم و آلومینیوم . تقریباً در تمام زبان های دنیا، نوع اول رایج تر است، در حالی که نوع دوم آلومینیوم بیشتر در ایالات متحده استفاده می شود. در سال 1990، IUPAC تصمیم گرفت که نام رسمی عنصر باید آلومینیوم باشد، اما سه سال بعد آلومینیوم را به عنوان یک نوع نام احتمالی پذیرفت .

ویژگی ها

فیزیکی

آلومینیوم فلزی نسبتاً نرم و سخت است. استحکام کششی آلومینیوم خالص حدود 49  مگاپاسکال است ، در حالی که آلیاژهای آن بین 300 تا 700 مگاپاسکال است. مدول الاستیسیته آن بسته به آلیاژ، حدود 70000 مگاپاسکال است. بیرون کشیدن آن آسان است و می توان آن را با غلتاندن به فویل های بسیار نازک تبدیل کرد. به اصطلاح آلیاژهای خمیر شده آلومینیوم را می توان حتی در دماهای پایین تر به خوبی ماشین کاری، خم شدن، فشرده و آهنگری کرد . تنش های ناشی از کار سرد آلومینیوم را می توان با یک فرآیند گرمایش نرم (تا دمای 250 درجه سانتیگراد) از بین برد. دورالومین نیز می تواند در این دماها تشکیل شود . آلیاژهای آلومینیوم با 3% منیزیم یا سیلیکون به خوبی ریخته‌گری می‌شوند (آلومینیوم فشاری) و می‌توانند بیشتر ماشین‌کاری شوند. در دمای حدود 1.2 کلوین، آلومینیوم خالص خواص ابررسانایی از خود نشان می دهد . نقطه ذوب آلومینیوم 660.4 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 2470 درجه سانتیگراد است. آلومینیوم با چگالی 2.7 گرم بر سانتی متر ^مکعب ، خواص فلزات سبک را از خود نشان می دهد.

شیمیایی

عدد اکسیداسیون آلومینیوم +3 است. آلومینیوم خالص به راحتی در هوا اکسید می شود و خود را با لایه ای از اکسید Al ₂ O ₃ می پوشاند که از فلز زیر سطح در برابر خوردگی محافظت می کند . در اسیدهای غیر اکسید کننده حل می شود ، جایی که یون هیدراته Al ³⁺ تشکیل می شود . آلومینیوم به راحتی در بازهای قوی حل می شود (به عنوان مثال، هیدروکسید سدیم – NaOH یا هیدروکسید پتاسیم – KOH)، هیدروژن را جایگزین می کند و به 2Na[Al(OH) ₄ ] تبدیل می شود.

آل+2 نآOاچ+6 اچ2O⟶2 نآ[آل(Oاچ)4]+3 اچ2

اسید نیتریک غلیظ آلومینیوم را غیرفعال می کند.

ایزوتوپ ها

آلومینیوم دارای ایزوتوپ های شناخته شده بسیاری است که اعداد جرمی آنها بین 21 تا 42 است. با این حال، تنها ایزوتوپ پایدار آن ²⁷ Al است . ایزوتوپ ²⁶ Al رادیواکتیو است، اما می توان آن را در طبیعت یافت. نیمه عمر ایزوتوپ ²⁶ Al حدود 716000 سال است، ^[11] اما در طبیعت فقط به صورت ردپایی رخ می دهد. از آرگون موجود در جو زمین از طریق پوسته شدن توسط پروتون های پرتوهای کیهانی ایجاد می شود . ایزوتوپ های آلومینیوم در بسیاری از زمینه ها از جمله تعیین سن رسوبات اقیانوسی ، رسوبات منگنز ، یخ های یخچالی ، کوارتز در سنگ ها و شهاب سنگ ها کاربرد عملی دارند . رابطه بین ایزوتوپ های ²⁶ Al و ¹⁰ Be برای مطالعه نقش انتقال، رسوب، فرسایش و تشکیل رسوبات در بازه های زمانی 100000 تا میلیون سال استفاده می شود.

Cosmogenic ²⁶ Al برای اولین بار در مطالعه ماه و شهاب سنگ ها استفاده شد . قطعات شهاب سنگ پس از جدا شدن از جسم والد خود، در طول سفر خود در فضا در معرض اثر شدید پرتوهای کیهانی قرار گرفتند که باعث تشکیل مداوم ²⁶ Al شد. پس از سقوط قطعات به زمین، تولید ²⁶ Al با عمل جو به طور قابل توجهی کاهش می یابد و با اندازه گیری نیمه عمر آن، می توان طول عمر شهاب سنگ را محاسبه کرد. بررسی شهاب سنگ ها به این روش نشان داد که ایزوتوپ ²⁶ Al در زمان شکل گیری منظومه شمسی نسبتاً گسترده بود . بسیاری از دانشمندان بر این باورند که انرژی آزاد شده از فروپاشی ²⁶ Al مسئول ذوب و تمایز برخی از سیارک ها پس از تشکیل آنها در 4.55 میلیارد سال پیش است.

توزیع

آلومینیوم سومین عنصر متداول در سطح زمین پس از اکسیژن و سیلیکون با کسر جرمی 7.57 درصد و همچنین رایج ترین فلز است . اغلب همراه با سیلیکون و اکسیژن در ترکیب آلومینوسیلیکات است که در ساختار کریستالی آن یک شکل چهار وجهی با اکسیژن و سیلیکون را اشغال می کند. این سیلیکات ها اجزای تشکیل دهنده گنیس و گرانیت هستند . اکسید آلومینیوم را می توان به ندرت به شکل معدنی کوراندوم و انواع آن مانند یاقوت سرخ (قرمز) و یاقوت کبود (رنگ های مختلف یا بی رنگ) یافت. رنگ این کریستال ها به ناخالصی ها و ترکیبات سایر اکسیدهای فلزی بستگی دارد. کوراندوم با حدود 53 درصد بیشترین نسبت آلومینیوم را دارد. جدای از آن، ماده معدنی آکدالایت نیز دارای نسبت بالایی از آلومینیوم در حدود 51 درصد و همچنین دیائویودائیت حدود 50 درصد است. در مجموع 1156 ماده معدنی حاوی آلومینیوم تا سال 2010 کشف شد . ^[14] آلومینیوم و همچنین کرایولیت معدنی Na ₃ AlF ₆ وجود دارد و مهمترین سنگ معدن آن بوکسیت Al ₂ O ₃ ·xH ₂ O است. محتوای هیدروکسید آلومینیوم (Al(OH) ₃ و AlO(OH)) در بوکسیت حدود 60 درصد است و 30 درصد آن ضایعات اکسیدهای آهن و اکسید سیلیکون (SiO ₂ ) است.

بزرگترین ذخایر بوکسیت در جنوب فرانسه ( Les Baux )، گینه ، مجارستان ، روسیه، هند، جامائیکا، استرالیا، برزیل و ایالات متحده آمریکا قرار دارد. مقادیر بسیار زیادی بوکسیت در بوسنی و هرزگوین وجود دارد . تخمین زده می شود که ذخایر بوکسیت در BiH حدود 30 میلیون تن است. ^[15] بوکسیت در بوسنی در نزدیکی Milić ، Bosanska Krupa ، Jajce و Srebrenica ، و در هرزگوین در نزدیکی موستار و Ljubuški بیشترین فراوانی را دارد .

در تولید آلومینیوم بین اولیه که از بوکسیت به دست می آید و ثانویه که از ضایعات آلومینیوم به دست می آید تفاوت وجود دارد. با بازیافت ضایعات آلومینیوم می توان تا 95 درصد در انرژی لازم برای تولید آلومینیوم اولیه صرفه جویی کرد.

اگرچه آلومینیوم دارای خواص کاملاً غیر نجیب است ، اما به ندرت می توان به طور طبیعی در طبیعت یافت ، بیشتر به صورت دانه های دانه ای یا سنگدانه های معدنی عظیم، و در موارد بسیار نادر می تواند به شکل بلورهای صفحه ای تا اندازه یک سانتی متر ایجاد شود. . ^[16] بنابراین سازمان بین‌المللی کانی‌شناسی (IMA) چنین آلومینیومی را به‌عنوان یک ماده معدنی به رسمیت شناخت و آن را با توجه به Strunz با شماره سیستم 1.AA.05 و طبق سیستماتیک قدیمی‌تر (ویرایش هشتم مطابق با Strunz) وارد سیستماتیک مواد معدنی کرد. ) به شماره I/ A.03-05. تا سال 2010، آلومینیوم بومی تنها در 20 ذخایر روی زمین یافت می شد: در آذربایجان ، بلغارستان ، چین (گوانگدونگ، گوئیژو و تبت )، ایتالیا ، روسیه ( سیبری شرقی و اورال ) و ازبکستان . حتی در ماه نیز آثاری از آلومینیوم بومی یافت شده است. ^[17] به دلیل نادر بودن بسیار زیاد، آلومینیوم بومی به عنوان ماده خام اهمیتی ندارد.

دریافت

از آنجایی که آلومینیوم به دلیل نحوه و نوع پیوندهای شیمیایی نمی تواند از آلومینوسیلیکات ها جدا شود، توجیه اقتصادی ترین و کارآمدترین روش تولید آلومینیوم، فرآوری سنگ معدن بوکسیت است . مخلوطی از اکسید آلومینیوم و هیدروکسید آلومینیوم از سنگ معدن بوکسیت از ناخالصی های خارجی مانند اکسیدهای آهن و اکسید سیلیکون، با عمل جوش شیرین (فرایند بایر) آزاد می شود و در کوره های دوار به اکسید آلومینیوم (Al ₂ O ₃ ) برشته می شود.

فرآوری به اصطلاح خشک (فرایند دیویل پس از شیمیدان فرانسوی دیویل ) امروزه تقریباً هرگز استفاده نمی شود. در طی این فرآیند، کربنات سدیم (سودا) و کک را به بوکسیت خام آسیاب شده اضافه می کنند و این مخلوط را در کوره دوار در دمای حدود 1200 درجه سانتیگراد کلسینه می کنند و آلومینات سدیم تشکیل شده در سدیم حل می شود. سودا (NaOH). تولید آلومینیوم خالص به طور انحصاری با الکترولیز اکسید آلومینیوم در نمک های مذاب تکمیل می شود که به اصطلاح فرآیند هال-هرولت را نشان می دهد . برای کاهش دمای لازم برای ذوب اکسید آلومینیوم، کرایولیت به آن اضافه می شود که نقطه یوتکتیک را تا 963 درجه سانتی گراد کاهش می دهد.

استفاده

به عنوان مصالح ساختمانی

به دلیل چگالی کم، آلومینیوم اغلب در جاهایی که برای کاهش وزن لازم است، به عنوان مثال در ماشین های حمل و نقل به منظور کاهش وزن و در نتیجه مصرف سوخت استفاده می شود. این به ویژه در مورد فضاپیماها و هواپیماها صدق می کند . جدای از آنها، اهمیت آلومینیوم در صنعت خودرو نیز افزایش یافته است . در گذشته، صنعت خودروسازی از آلومینیوم به مقدار کم استفاده می‌کرد، زیرا با مشکلات گرانی آن، جوشکاری ضعیف قطعات آلومینیومی و همچنین مقاومت مشکل در برابر خستگی و خواص تغییر شکل مواد همراه بود. قبلاً در دهه 1930، برخی از شرکت های آمریکایی از آلومینیوم برای کاهش وزن وسایل نقلیه آبی خاکی نظامی استفاده کردند. هنگام ساخت قایق های تفریحی با اندازه کوچک و متوسط ، مقاومت آلومینیوم در برابر خوردگی در آب نمک دریا مورد قدردانی قرار گرفت، زیرا با ایجاد یک لایه محافظ نازک اکسید روی سطح، از خود در برابر خوردگی محافظت می کرد . ^[19] در سال 2010، حدود 35 درصد از تولید آلومینیوم جهان توسط صنعت حمل و نقل مصرف می شد. ^[8]

در آلیاژهای منیزیم، سیلیکون و سایر فلزات، آلومینیوم می‌تواند مقاومتی قابل مقایسه با فولاد داشته باشد . بنابراین، استفاده از آلومینیوم برای کاهش وزن عمدتا در کاربردهایی استفاده می شود که هزینه مواد نقش عمده ای ندارد. به طور خاص، استفاده از آلومینیوم و آلیاژ دورالومین آن (آلیاژ آلومینیوم با مس و مولیبدن ) در صنعت هواپیما و فضاپیما رواج دارد. بیشتر ساختار هواپیماهای تجاری امروزی متشکل از ورقه های آلومینیومی با مقاومت ها و آلیاژهای مختلف است که به هم چسبیده اند. در مدل های جدید هواپیما ( بوئینگ 787 ، ایرباس A350 )، آلومینیوم با مواد مصنوعی حتی سبک تر از الیاف کربن جایگزین شده است.

در بازار جهانی، قیمت آلومینیوم خام حدود 1500 دلار آمریکا در هر تن بود . (از آوریل 2016) ^[20]

آلیاژها [ ویرایش | ویرایش منبع ]

در حالت مایع مذاب، آلومینیوم را می توان با مس، منیزیم ، منگنز ، سیلیکون، آهن، تیتانیوم ، بریلیم ، لیتیوم ، کروم ، روی ، زیرکونیوم و مولیبدن آلیاژ کرد . به این ترتیب می توان خواص مطلوب آلومینیوم را به دست آورد و موارد ناخواسته را حذف یا کاهش داد. در اکثر آلیاژها، بزرگترین مشکل در ایجاد یک لایه اکسید محافظ ( غیرفعال ) نهفته است، به همین دلیل است که عناصر ساخته شده از این آلیاژها در معرض خطر خوردگی هستند. تقریباً تمام آلیاژهای با استحکام بالا به دلیل این مشکل در معرض خطر هستند.

مهندسی برق [ ویرایش | ویرایش منبع ]

آلومینیوم رسانای الکتریکی خوبی است. در هر گرم جرم، جریان الکتریکی را بهتر از مس هدایت می کند، اما حجم بیشتری نسبت به مس می گیرد، بنابراین مس رسانای بهتری در هر سانتی متر مربع از سطح مقطع هادی است . در حالی که مس واکنش کمتری دارد و می توان آن را راحت تر از آلومینیوم پردازش کرد، هادی های آلومینیومی تنها در مواردی استفاده می شوند که کاهش وزن هادی ضروری باشد.

آلومینیوم به ویژه به عنوان یک رسانای الکتریکی برای جریان در شبکه الکتریکی، زمانی که با هادی های بزرگ و ضخیم مانند شینه ها و کابل های اتصال به زمین سروکار دارد، استفاده می شود. از این نظر، آلومینیوم ارزان تر از مس است.

با کنتاکت های آلومینیومی مشکل ساز است، زیرا فشار داخل کنتاکت باعث تغییر شکل پلاستیک ( خزش ) مواد می شود. علاوه بر این، به مرور زمان با قرار گرفتن در معرض هوا منفعل می شود. پس از ذخیره سازی طولانی تر یا تماس شدیدتر با آب، لایه اکسید غیرفعال ضخیم می شود و از کارکردن تماس ها جلوگیری می کند. در طول دهه 1960 از کنتاکت های آلومینیومی در کلیدهای الکتریکی ساختمان ها استفاده می شد که گاهی به دلیل اتصالات نامناسب منجر به اتصال کوتاه یا حتی آتش سوزی می شد.

ترکیبات

مهمترین ترکیبات آلومینیوم اکسید آلومینیوم آمفوتریک و هیدروکسید آلومینیوم (III) است. هیدرید آلومینیوم لیتیوم (LiAlH ₄ ) اغلب در شیمی آلی استفاده می شود . آلومینوسیلیکات ها به ویژه MAO (آلومینوسیلیکات فلزی) از اهمیت صنعتی بالایی برخوردار هستند. خاک رس و لوم مورد استفاده در تولید سرامیک مخلوط پیچیده ای از آلومینیوم و K[AlSi ₃ O ₈ ] یا آلومینیوم و Na[AlSi ₃ O ₈ ] هستند. هیدروکسید آلومینیوم (III) برای تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شود، اگرچه اخیراً به دلیل ارتباط ثابت شده یون های Al ³⁺ با شروع بیماری آلزایمر از استفاده از آن اجتناب شده است .

اهمیت بیولوژیکی

علیرغم توزیع گسترده آن در طبیعت، آلومینیوم تا به امروز هیچ نقش شناخته شده ای در زیست شناسی نداشته است. حتی در دوزهای بسیار زیاد نیز سمی نیست. سولفات آلومینیوم دارای سمیت LD50 در موش 6207 میلی گرم بر کیلوگرم است که تقریباً معادل 500 گرم برای یک فرد 80 کیلوگرمی است. علیرغم سمیت حاد بسیار کم آن، اثرات آلومینیوم بر سلامت به دلیل استفاده و توزیع گسترده آن در محیط زیست و اقتصاد، همواره مورد توجه عموم مردم است.

تعداد بسیار کمی از افراد به آلومینیوم حساسیت دارند و پس از تماس یا مصرف خوراکی آلومینیوم و فرآورده های آلومینیومی دچار درماتیت ، تغییرات متابولیسم، استفراغ و سایر علائم می شوند. هنگام مصرف مقادیر بسیار زیاد آلومینیوم، می تواند منجر به سمیت عصبی شود و همچنین با تغییراتی در عملکرد سد خونی مغزی همراه است. ^[23]