المعادن هي مجموعة من العناصر التي لها خصائص فريدة مثل الموصلية الكهربائية، وانتقال الحرارة العالية، ومعامل المقاومة الإيجابية، واللمعان المميز والمرونة النسبية. وهذا النوع من المواد بسيط في المركبات الكيميائية.
التصنيف حسب المجموعات
تعد المعادن من أكثر المواد التي استخدمها الإنسان عبر التاريخ. وتقع معظمها في الطبقات الوسطى من القشرة الأرضية، ولكن هناك أيضًا تلك المختبئة في أعماق الرواسب الجبلية.
في الوقت الحالي، تحتل المعادن معظم الجدول الدوري (94 عنصرًا من أصل 118). ومن بين المجموعات المعترف بها رسميًا، تجدر الإشارة إلى المجموعات التالية:
1. قلوية(الليثيوم، البوتاسيوم، الصوديوم، الفرانسيوم، السيزيوم، الروبيديوم). عندما تتلامس مع الماء فإنها تشكل هيدروكسيدات.
2. القلوية الترابية(الكالسيوم، الباريوم، السترونتيوم، الراديوم). أنها تختلف في الكثافة والصلابة.
3. رئتين(الألومنيوم، الرصاص، الزنك، الغاليوم، الكادميوم، القصدير، الزئبق). نظرًا لكثافتها المنخفضة، غالبًا ما يتم استخدامها في السبائك.
4. انتقالية(اليورانيوم، الذهب، التيتانيوم، النحاس، الفضة، النيكل، الحديد، الكوبالت، البلاتين، البلاديوم، إلخ). لديهم حالات الأكسدة المتغيرة.
5. أشباه المعادن(الجرمانيوم، السيليكون، الأنتيمون، البورون، البولونيوم، الخ). لديهم شبكة تساهمية بلورية في بنيتهم.
6. الأكتينويدات(الأمريسيوم، الثوريوم، الأكتينيوم، البركيليوم، الكوريوم، الفرميوم، الخ).
7. اللانثانيدات(الجادولينيوم، السماريوم، السيريوم، النيوديميوم، اللوتيتيوم، اللانثانم، الإربيوم، إلخ).
ومن الجدير بالذكر أن هناك معادن في القشرة الأرضية لا يتم تحديدها في مجموعات. وتشمل هذه المغنيسيوم والبريليوم.
مركبات أصلية
في الطبيعة، هناك فئة منفصلة من التدوين الكيميائي البلوري. وتشمل هذه العناصر معادن أصلية لا ترتبط ببعضها البعض في التركيب. في أغلب الأحيان، تتشكل المعادن الأصلية في الطبيعة نتيجة للعمليات الجيولوجية.
وفي الحالة البلورية تعرف في القشرة الأرضية 45 مادة. معظمها نادرة للغاية في الطبيعة، وبالتالي تكلفتها العالية. حصة هذه العناصر هي 0.1٪ فقط. ومن الجدير بالذكر أن العثور على هذه المعادن هو أيضًا عملية كثيفة العمالة ومكلفة. يعتمد على استخدام الذرات ذات الأصداف والإلكترونات المستقرة.
تسمى المعادن الأصلية أيضًا بالمعادن النبيلة. وتتميز بالقصور الذاتي الكيميائي واستقرار المركبات. وتشمل هذه الذهب والبلاديوم والبلاتين والإيريديوم والفضة والروثينيوم وما إلى ذلك. وغالبًا ما يوجد النحاس في الطبيعة. يوجد الحديد في موطنه الأصلي بشكل رئيسي في الرواسب الجبلية على شكل نيازك. وأندر العناصر في المجموعة هي الرصاص والكروم والزنك والإنديوم والكادميوم.
الخصائص الأساسية
تقريبًا جميع المعادن في الظروف العادية تكون صلبة ومقاومة. الاستثناء هو الفرانسيوم والزئبق، وهما قلويان لجميع عناصر المجموعة. يتراوح مداها من -39 إلى +3410 درجة مئوية. يعتبر التنغستن الأكثر مقاومة للذوبان. تفقد مركباتها ثباتها فقط عند +3400 درجة مئوية. ومن بين المعادن سهلة الذوبان، يجب التمييز بين الرصاص والقصدير.
وتنقسم العناصر أيضًا وفقًا للكثافة (الخفيفة والثقيلة) واللدونة (الصلبة والناعمة). جميع التوصيلات المعدنية موصلات ممتازة. يتم تحديد هذه الخاصية من خلال وجود شبكات بلورية ذات إلكترونات نشطة. يتمتع النحاس والفضة والألومنيوم بأقصى قدر من الموصلية، بينما يتمتع الصوديوم بموصلية أقل قليلاً. تجدر الإشارة إلى الخصائص الحرارية العالية للمعادن. تعتبر الفضة أفضل موصل للحرارة، والزئبق أسوأها.
المعادن في البيئة
في أغلب الأحيان، يمكن العثور على هذه العناصر في الخامات. المعادن في الطبيعة تشكل الكبريتيت والأكاسيد والكربونات. لتنقية المركبات، من الضروري أولاً عزلها عن الخام. والخطوة التالية هي صناعة السبائك والتشطيب.
في علم المعادن الصناعية، يتم التمييز بين الخامات الحديدية وغير الحديدية. الأول مبني على مركبات الحديد، والثاني على معادن أخرى. تعتبر المعادن الثمينة من البلاتين والذهب والفضة. ويقع معظمها في القشرة الأرضية. ومع ذلك، تأتي حصة صغيرة أيضًا من مياه البحر.
هناك عناصر نبيلة حتى في الكائنات الحية. يحتوي الإنسان على حوالي 3% من المركبات المعدنية. إلى حد كبير، يحتوي الجسم على الصوديوم والكالسيوم، الذي يعمل بمثابة المنحل بالكهرباء بين الخلايا. المغنيسيوم ضروري للعمل الطبيعي للجهاز العصبي المركزي وكتلة العضلات، والحديد مفيد للدم، والنحاس مفيد للكبد.
العثور على المركبات المعدنية
وتقع معظم العناصر في كل مكان تحت الطبقة العليا من التربة. المعدن الأكثر شيوعا في القشرة الأرضية هو الألومنيوم. وتتراوح نسبتها في حدود 8.2%. العثور على المعدن الأكثر شيوعاً في القشرة الأرضية ليس بالأمر الصعب، لأنه يوجد على شكل خامات.
تم العثور على الحديد والكالسيوم بشكل أقل في الطبيعة. نسبتهم 4.1%. يأتي بعد ذلك المغنيسيوم والصوديوم - 2.3٪ لكل منهما، والبوتاسيوم - 2.1٪. أما المعادن المتبقية في الطبيعة فلا تشغل أكثر من 0.6%. من الجدير بالذكر أنه يمكن الحصول على المغنيسيوم والصوديوم بالتساوي في الأرض وفي مياه البحر.
توجد العناصر المعدنية في الطبيعة على شكل خامات أو في حالتها الأصلية، مثل النحاس أو الذهب. هناك مواد يجب الحصول عليها من الأكاسيد والكبريتيدات مثل الهيماتيت والكاولين والماجنتيت والجالينا وغيرها.
إنتاج المعادن
تتلخص عملية استخراج العناصر في استخراج المعادن. يعد اكتشاف المعادن في الطبيعة على شكل خامات من أبسط العمليات وأكثرها شيوعًا في الصناعة الواسعة. للبحث عن الرواسب البلورية، يتم استخدام معدات جيولوجية خاصة لتحليل تكوين المواد على قطعة معينة من الأرض. في كثير من الأحيان، يعود اكتشاف المعادن في الطبيعة إلى الطريقة المبتذلة المفتوحة تحت الأرض.
بعد التعدين تبدأ مرحلة التخصيب، حيث يتم فصل مركز الخام عن المعدن الأصلي. لتمييز العناصر، يتم استخدام الترطيب والتيار الكهربائي والتفاعلات الكيميائية والمعالجة الحرارية. في أغلب الأحيان، يحدث إطلاق خام المعدن نتيجة الذوبان، أي التسخين مع الاختزال.
تعدين الألومنيوم
يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة المعادن غير الحديدية. من حيث حجم الاستهلاك والإنتاج، فهي رائدة بين الصناعات الثقيلة الأخرى. المعدن الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية مطلوب بشدة في العالم الحديث. من حيث حجم الإنتاج، يأتي الألومنيوم في المرتبة الثانية بعد الفولاذ.
يستخدم هذا العنصر بشكل شائع في صناعات الطيران والسيارات والكهرباء. يشار إلى أنه يمكن أيضًا الحصول على المعدن الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية “بشكل مصطنع”. مثل هذا التفاعل الكيميائي يتطلب البوكسيت. منهم يتم تشكيل الألومينا. ومن خلال دمج هذه المادة مع أقطاب الكربون وملح الفلورايد تحت تأثير التيار الكهربائي، يمكنك الحصول على أنقى المواد
الدولة الرائدة بين منتجي هذا المكون هي الصين. يتم صهر ما يصل إلى 18.5 مليون طن من المعدن هناك سنويًا. الشركة الرائدة في تصنيف مماثل لإنتاج الألومنيوم هي الجمعية الروسية السويسرية UC RUSAL.
تطبيق المعادن
جميع عناصر المجموعة متينة وغير قابلة للاختراق ومقاومة نسبيًا لدرجة الحرارة. ولهذا السبب أصبحت المعادن شائعة جدًا في الحياة اليومية. واليوم، يتم استخدامها لصنع الأسلاك الكهربائية والمقاومات والمعدات والأدوات المنزلية.
المعادن هي مواد هيكلية مثالية وتستخدم السبائك النقية والمجمعة في البناء. في الهندسة الميكانيكية والطيران، الروابط الرئيسية هي الفولاذ والروابط الأكثر صلابة.
الأماكن الخمسة الأولى في القشرة الأرضية (من حيث كتلة المادة) تشغلها العناصر التالية: الأكسجين والسيليكون والألمنيوم والحديد والكالسيوم. لكل طن واحد من القشرة الأرضية يوجد 466 كجم من الأكسجين.
سيليكون 277.2 كجم، ألومنيوم 81.3 كجم، حديد 50 كجم، كالسيوم 36.3 كجم. وتشكل الكتلة الإجمالية لهذه العناصر الخمسة في الطن الواحد من القشرة الأرضية حوالي 92% من كتلة القشرة الأرضية. تمثل العناصر الـ 101 المتبقية ما يزيد قليلاً عن 8٪ من كتلتها.
ومن الجدير بالذكر أن من هذه العناصر الخمسة، اثنان يحتلان المركزين الأولين، ليسا معادن على الإطلاق، وتبلغ كميتهما الإجمالية ثلاثة أرباع كتلة القشرة الأرضية تقريبًا. وهكذا، فإن الألمنيوم والحديد وجميع المعادن الـ 77 الأخرى تمثل أقل من ربع كتلة القشرة الأرضية.
لذلك، من بين عشرات المعادن الثمانية، فإن أكبر كمية في القشرة الأرضية هي الألومنيوم (أكثر من 8٪). ومن المفارقة، ولكن الحقيقة، أن المعدن الأكثر وفرة في القشرة الأرضية تم اكتشافه في وقت متأخر عن معظم المعادن الأخرى.
كانت الشبة المحتوية على الألومنيوم معروفة في العصور القديمة. تم ذكرهم في كتابات المؤرخ الروماني القديم بليني الأكبر. بالمناسبة، كانت الشبة تسمى "الشب" في اللاتينية. وجد عالم العصور الوسطى والطبيب وعالم الطبيعة باراسيلسوس أن الشبة هي "ملح نوع معين من الشبة الأرضية". بعد تسع سنوات من وفاة باراسيلسوس، تمكن الكيميائي ماركغراف من عزل "أرض الشب" - الألومينا (أكسيد الألومنيوم Al 2 O 3). في عهد لومونوسوف، تم اقتراح أن الشبة يجب أن تحتوي على عنصر كيميائي غير معروف. بدأ العالم الإنجليزي الشاب همفري ديفي بالبحث عنه عام 1808. حتى أنه أطلق على هذا العنصر اسم الألومنيوم، لكنه لم يتمكن أبدًا من الحصول على الألومنيوم. لمدة 17 عامًا، كان الألومنيوم موجودًا بالاسم فقط. في عام 1825، تمكن الدانماركي أورستد وفي عام 18127 الألماني فولر من الحصول على الحبوب الأولى من هذا المعدن. فقط في عام 1864 تمكن الكيميائي الفرنسي سانت كلير ديفيل من الحصول على أول الألومنيوم الصناعي. وبعد مرور أحد عشر عامًا، ابتكر الكيميائي الروسي ن.ن. بيكيتوف طريقة أكثر اقتصادًا لإنتاج الألومنيوم من الألومينا. تم استخدام هذه الطريقة في فرنسا وألمانيا حتى نهاية القرن التاسع عشر. لكن الألومنيوم الذي تم الحصول عليه بهذه الطريقة كان يعادل قيمة الذهب.
على سبيل المثال، استخدم نابليون الثالث وأفراد عائلته شوكات وملاعق الألمنيوم أثناء المآدب، في حين ترك الجميع لاستخدام أدوات المائدة الذهبية والفضية، لأنها كانت أرخص.
فقط بعد أن أنشأ الكابتن الروسي A. F. Mozhaisky أول طائرة في العالم، وحاول الكابتن الروسي الآخر O. S. Kostovich تثبيت محرك احتراق داخلي على بالون يتم التحكم فيه بدلاً من محرك بخاري، تم تحديد مصير الألومنيوم. اتضح أن هذا هو بالضبط المعدن الذي يحتاجه الطيران. أدى بناء الطائرات في العقد الأول من قرننا إلى إحياء تطور تعدين الألمنيوم وتحسين إنتاجه وانخفاض حاد في التكلفة.
في عام 18®9، كرمت الجمعية الملكية الإنجليزية دميتري إيفانوفيتش مندليف بمناسبة الذكرى العشرين لاكتشافه القانون الدوري. تم تقديم مندليف بمقاييس مصنوعة من الألومنيوم والذهب.
في عام 1604، كان المجتمع العلمي الروسي يستعد للذكرى السبعين ل D. I. Mendeleev. وتم جمع مبلغ كبير من المال. تم تحويل الأموال إلى شركة مجوهرات. تم تكليفها بصنع مزهرية كبيرة من الورود. وكان يشترط أن تكون بتلات الورد مصنوعة من الذهب، وأن تكون المزهرية والأوراق مصنوعة من الألومنيوم. اثنين من المعادن الثمينة!
الآن بعد الحديد، الألومنيوم هو المعدن الأرخص.
زاد الإنتاج العالمي للألمنيوم بشكل حاد في السنوات الأخيرة. لقد كانت متقدمة بفارق كبير عن إنتاج النحاس والقصدير والرصاص والمعادن الأخرى. بعد الحديد الزهر والصلب، أصبح صب الألومنيوم الآن هو الأكثر شيوعًا في جميع أنحاء العالم.
هناك الكثير من المعادن المختلفة على كوكبنا. هناك تلك التي يعرفها عدد قليل من الناس، وهناك أيضا المعدن الأكثر شيوعا على الأرض. هذا المعدن هو الأكثر شيوعًا على كوكبنا ويلعب دورًا رائعًا في تنمية البشرية جمعاء. المعادن الأكثر شيوعًا المستخرجة في بلدنا هي الكروم والحديد والمنغنيز. ولكن إذا كنت تأخذ العالم كله ككل، فمن الممكن الإجابة بثقة على سؤال ما هو المعدن الأكثر شيوعا على الأرض - الألومنيوم.
الخصائص الرئيسية للألمنيوم
تم العثور على المعدن الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية بكميات تبلغ حوالي تسعة بالمائة من التركيب الإجمالي. هذه الكمية من المعدن، التي تم اكتشافها في عام 1825، مثيرة للإعجاب حقا - وفقا للعلماء، حتى في المستقبل البعيد، لا يتوقع استنفاد احتياطياتها. ومع ذلك، لا يوجد الألومنيوم في الطبيعة في شكله النقي - ويرجع ذلك إلى النشاط الكيميائي القوي للمعدن. لكن العلماء حددوا العديد من المعادن التي يوجد فيها المعدن الأكثر شيوعًا.
الألومنيوم ذو قيمة عالية لخصائصه. إنه متين ومرن وخفيف الوزن ولا يسبب صعوبات في المعالجة. إنه مقاوم للتآكل، وله درجة عالية من التوصيل الحراري، وموصل للكهرباء، ويمكن تزويره، ولفه، وختمه، ولحامه بسهولة.
ترجع الشعبية الكبيرة للألمنيوم إلى خصائص القوة وعمر الخدمة الطويل. كما أن المعدن لا يحتوي على مكونات ضارة، مما يدل على أعلى درجات ملاءمته للبيئة.
وجود ليس فقط في القشرة الأرضية
والحقيقة المثيرة للاهتمام هي أن الألومنيوم لا يوجد في القشرة الأرضية فحسب، بل يوجد أيضًا في الكائنات الحية. يتراكم المعدن في الكبد والبنكرياس والغدد الدرقية. يحتوي لحم البقر على ما يقارب سبعين مليغراماً من الألمنيوم في الكيلوغرام الواحد.
المعدن الشائع الاستخدام: التطبيق
بسبب وفرة الألومنيوم، يتم استخدامه على نطاق واسع في مختلف مجالات الحياة. لذلك، ليس من المستغرب على الإطلاق أن يتم استخدام هذا المعدن الفضي في مختلف الصناعات (الطيران، الفضاء، البناء، السيارات).
وكم عدد الأطباق المصنوعة من هذا المعدن الرائع - القوارير والملاعق والشوك والأوعية والأكواب وما إلى ذلك. قبل مائة وخمسين عامًا فقط، كان أغنى الناس فقط يأكلون الطعام من مثل هذه الأطباق، لأنه حتى نهاية القرن التاسع عشر، تجاوز الألومنيوم قيمة الفضة. تم استخدام هذا المعدن الفضي لصنع الأطباق ليس فقط، ولكن أيضًا المجوهرات التي أحب النبلاء إظهارها للعالم أجمع. اليوم يمكن لأي شخص أن يأكل من أواني الطبخ المصنوعة من الألومنيوم، وهي لا تعتبر باهظة الثمن. ومع ذلك، فإن هذا لا يقلل من انتشار المعدن على الإطلاق.
جميع الخصائص المتأصلة في الألومنيوم تسمح باستخدامه في أي مكان تقريبًا. السبائك الرئيسية المستخدمة هي تلك المطلوبة لتطبيقات تتراوح من الهندسة الكهربائية إلى هندسة الفضاء. ويستخدم الألمنيوم على نطاق واسع في إنتاج المتفجرات. 
حتى وقت قريب نسبيًا، كان من النادر رؤية إطارات الألومنيوم على النوافذ. اليوم هذه ظاهرة منتشرة في كل مكان - خاصة النوافذ ذات مقاطع الألمنيوم المستخدمة في تزجيج الشرفات. تُستخدم مقاطع الألمنيوم أيضًا في تصنيع اللافتات الإعلانية والفواصل وإطارات الأعمدة وما إلى ذلك.
المعادن الثمينة المشتركة
الرائد بين المعادن الثمينة من حيث الانتشار هو الروديوم. إنه مقاوم للغاية للتآكل والهجوم الكيميائي والذوبان. لهذه الخصائص هو في الطلب الكبير في صناعة السيارات. ثاني أكثر المعادن الثمينة شيوعًا هو البلاتين، الذي تُصنع منه المجوهرات.
يعد الألومنيوم أحد العناصر الأكثر شيوعًا في الطبيعة، ولا يفوقه سوى الأكسجين والسيليكون، ويحتل المرتبة الأولى بين المعادن من حيث الوفرة. ويوجد منه الكثير لدرجة أن الخبراء يقدرون أن نسبة كتلته في القشرة الأرضية تصل إلى 8%. كعنصر كيميائي، يوجد الألومنيوم في عدد كبير من المعادن، على سبيل المثال، يوجد في الياقوت والياقوت، في الجرانيت والفلسبار، في الزمرد، وبالطبع، في البوكسيت - خام الألومنيوم.
خصائص الألومنيوم
من بين الخصائص الفيزيائية الرئيسية للألمنيوم، تجدر الإشارة بشكل خاص إلى ما يلي:
كثافة منخفضة جدًا، أقل بثلاث مرات من كثافة الفولاذ والزنك والنحاس (الألومنيوم معدن خفيف)؛
- الموصلية الكهربائية العالية، وقيمتها تأتي في المرتبة الثانية بعد النحاس والفضة؛
- الموصلية الحرارية العالية.
- المقاومة للتآكل؛
- ليونة عالية (معدن ناعم)؛
- القدرة العاكسة.
- البارامغناطيسية.
- القدرة على تشكيل السبائك مع معادن أخرى؛
- الحفاظ على الليونة وزيادة القوة في درجات حرارة منخفضة للغاية؛
- غير سامة.
تتم معالجة الألومنيوم بسهولة بالوسائل الميكانيكية، ويمكن إخضاعه للمعالجة الباردة والساخنة، ثم لفه إلى أنحف رقائق وأسلاك، وتحويله إلى مسحوق.
الألومنيوم في شكله النقي هو معدن نشط للغاية يتفاعل كيميائيا مع الأحماض والقلويات والأكسجين والكربون والنيتروجين والهالوجينات والماء وغيرها من المواد.
ومن المفارقات أن مقاومة الألومنيوم المتميزة للتآكل تعتمد على التفاعل الكيميائي للمعدن. في الهواء، يتم تغطية الألومنيوم على الفور بطبقة من Al2O3، والتي في الظروف العادية تحمي المعدن بشكل موثوق من أي تفاعلات أخرى. ولذلك، لم يتم العثور على الألومنيوم عمليا في شكله الأصلي، إلا في شكل مركبات.
تطبيق الألومنيوم
يعد الألومنيوم معدنًا شائعًا للغاية في مجموعة متنوعة من فروع العلوم والإنتاج. يتم إنتاجه بملايين الأطنان سنويًا، ويتزايد كل عام. يعد استخدام الألمنيوم في تصنيع المواد المركبة الحديثة أمرًا واعدًا للغاية.
مصنوع من الألومنيوم:
تتميز السبائك المختلفة، التي ورثت كثافة الألومنيوم المنخفضة، بأنها متينة، مما يجعلها مناسبة لإنتاج الأنابيب والمقاطع والعناصر الهيكلية مثل المكابس والمحامل وأجزاء محركات الطائرات والسيارات والعلب؛
- الأسلاك والكابلات وأسلاك خطوط الكهرباء وموصلات الرقائق الدقيقة؛
- أطباق وحاويات لإعداد وتخزين الطعام؛
- أجزاء المحركات وأنظمة التبريد والتدفئة؛
- المرايا، عاكسات التلسكوب، العاكسات؛
- مواد التعبئة والتغليف ذات معدل إعادة التدوير العالي؛
- مواد التسقيف
- مسحوق الألمنيوم لإنتاج الطلاء المقاوم للظروف الخارجية المعاكسة؛
- رقائق الألومنيوم للمكثفات والعوازل وإنتاج الطباعة وتغليف المواد الغذائية؛
- مكونات المخاليط المتفجرة والألعاب النارية ووقود الصواريخ الصلب وخليط الثرمايت لحام الهياكل ذات الجدران السميكة.
وبالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الألومنيوم: 
ككاشف كيميائي مهم - عامل اختزال؛
- في علم المعادن.
- في التكنولوجيا المبردة.
- للألومنيوم (طلاء بطبقة رقيقة من الألومنيوم).
في متجر Prime Chemicals Group، يمكنك شراء الألومنيوم بأشكال مختلفة وبأسعار جيدة - حبيبي، كبريتات، فلوريد، لا مائي، إلخ. كما نقدم الكواشف الكيميائية، ومعدات وأدوات المختبرات، والأواني الزجاجية المختبرية. التسليم الفوري والاستلام من Mytishchi ممكن.
الغريب بما فيه الكفاية - الألومنيوم
المعدن الأكثر شيوعا على وجه الأرض هو الألومنيوم. الألومنيوم (lat. الألومنيوم)، آل هو عنصر كيميائي من المجموعة الثالثة من الجدول الدوري لمندليف. العدد الذري 13، الكتلة الذرية 26.9815. معدن خفيف فضي-أبيض. يتكون من نظير واحد مستقر 27Al.
مرجع تاريخي
اسم الألومنيوم يأتي من اللاتينية. الشبة - يعود ذلك إلى عام 500 قبل الميلاد. ه. تسمى شبة الألومنيوم، وكانت تستخدم كمادة لصباغة الأقمشة ودباغة الجلود. حصل العالم الدنماركي H. K. Oersted في عام 1825، باستخدام ملغم البوتاسيوم على AlCl 3 اللامائي ثم تقطير الزئبق، على ألومنيوم نقي نسبيًا. تم اقتراح أول طريقة صناعية لإنتاج الألومنيوم في عام 1854 من قبل الكيميائي الفرنسي أ. إي. سانت كلير ديفيل: تتكون الطريقة من اختزال كلوريد مزدوج من الألومنيوم والصوديوم Na3AlCl6 مع الصوديوم المعدني. على غرار اللون الفضي، كان الألومنيوم باهظ الثمن في البداية. وفي الفترة من 1855 إلى 1890، تم إنتاج 200 طن فقط من الألومنيوم. تم تطوير الطريقة الحديثة لإنتاج الألومنيوم عن طريق التحليل الكهربائي لمصهور الكريوليت والألومينا في عام 1886 بشكل متزامن ومستقل بواسطة C. Hall في الولايات المتحدة الأمريكية وP. Heroux في فرنسا.
توزيع الألمنيوم في الطبيعة
ومن حيث توافره في الطبيعة، يحتل الألومنيوم المرتبة الثالثة بعد الأكسجين والسيليكون والمرتبة الأولى بين المعادن. ويبلغ محتواه في القشرة الأرضية 8.80% وزناً. لا يتواجد الألومنيوم بشكل حر بسبب نشاطه الكيميائي. ومن المعروف أن عدة مئات من معادن الألومنيوم، وخاصة سيليكات الألومنيوم. للبوكسيت والألونيت والنيفيلين أهمية صناعية. صخور النيفلين أفقر في الألومينا من البوكسيت، ولكن استخدامها المعقد ينتج منتجات ثانوية مهمة: الصودا والبوتاس وحمض الكبريتيك. تم تطوير طريقة للاستخدام المتكامل للنيفيلين في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية. خامات النيفلين في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية تشكل، على عكس البوكسيت، رواسب كبيرة جدًا وتخلق فرصًا غير محدودة عمليًا لتطوير صناعة الألومنيوم.
الخصائص الفيزيائية للألمنيوم
يجمع الألومنيوم بين مجموعة قيمة جدًا من الخصائص: الكثافة المنخفضة، الموصلية الحرارية والكهربائية العالية، الليونة العالية والمقاومة الجيدة للتآكل. يمكن تزويرها وختمها ولفها ورسمها بسهولة. يتم لحام الألمنيوم جيدًا بالغاز والتلامس وأنواع اللحام الأخرى. شبكة الألمنيوم مكعبة الشكل ومتمركزة على الوجه مع المعلمة a = 4.0413 Å. خصائص الألومنيوم، مثل جميع المعادن، تعتمد على نقائه. خصائص الألومنيوم عالي النقاء (99.996%): الكثافة (عند 20 درجة مئوية) 2698.9 كجم/م3؛ ر 660.24 درجة مئوية؛ نقطة الغليان حوالي 2500 درجة مئوية؛ معامل التمدد الحراري (من 20 درجة إلى 100 درجة مئوية) 23.86·10 -6 ; الموصلية الحرارية (عند 190 درجة مئوية) 343 واط/م·ك، السعة الحرارية النوعية (عند 100 درجة مئوية) 931.98 جول/كجم·ك. ; الموصلية الكهربائية بالنسبة للنحاس (عند 20 درجة مئوية) 65.5%. يتمتع الألومنيوم بقوة منخفضة (قوة الشد 50-60 مليون/م2)، والصلابة (170 مليون/م2 وفقًا لبرينل) وليونة عالية (تصل إلى 50%). أثناء الدرفلة على البارد، تزيد قوة الشد للألمنيوم إلى 115 مليون/م2، والصلابة - حتى 270 مليون/م2، وتنخفض الاستطالة النسبية إلى 5% (1 مليون/م2 ~ و0.1 كجم قوة/مم2). الألومنيوم مصقول للغاية ومؤكسد وله انعكاسية عالية قريبة من الفضة (يعكس ما يصل إلى 90% من الطاقة الضوئية الساقطة). بسبب قابليته العالية للأكسجين، يتم تغطية الألومنيوم الموجود في الهواء بطبقة رقيقة ولكنها قوية جدًا من أكسيد Al 2 O 3، مما يحمي المعدن من المزيد من الأكسدة ويحدد خصائصه العالية المضادة للتآكل. تتناقص قوة طبقة الأكسيد وتأثيرها الوقائي بشكل كبير في وجود شوائب الزئبق والصوديوم والمغنيسيوم والنحاس وما إلى ذلك. الألومنيوم مقاوم للتآكل الجوي والبحر والمياه العذبة، ولا يتفاعل عمليا مع النيتريك المركز أو المخفف للغاية الأحماض والأحماض العضوية والمنتجات الغذائية.
الخواص الكيميائية للألمنيوم
يتكون الغلاف الإلكتروني الخارجي لذرة الألومنيوم من 3 إلكترونات وله البنية 3s 2 3p 1. في الظروف العادية، يكون الألومنيوم في المركبات ثلاثي التكافؤ، ولكن في درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن يكون أحادي التكافؤ، مكونًا ما يسمى بالمركبات الفرعية. هاليدات الألومنيوم الفرعية AlF وAlCl، مستقرة فقط في الحالة الغازية، في الفراغ أو في جو خامل، عندما تنخفض درجة الحرارة، تتحلل (غير متناسبة) إلى Al وAlF 3 أو AlCl 3 النقي وبالتالي يمكن استخدامها لإنتاج الألومنيوم فائق النقاء . عند تسخينه، يحترق الألومنيوم المطحون جيدًا أو المسحوق بقوة في الهواء. عن طريق حرق الألومنيوم في تيار من الأكسجين، يتم الوصول إلى درجات حرارة أعلى من 3000 درجة مئوية. تُستخدم خاصية الألومنيوم للتفاعل النشط مع الأكسجين لاستعادة المعادن من أكاسيدها (الألومينوثرمي). عند الحرارة الحمراء الداكنة، يتفاعل الفلور بقوة مع الألومنيوم، مكونًا AlF 3 . يتفاعل الكلور والبروم السائل مع الألومنيوم في درجة حرارة الغرفة، ومع اليود - عند تسخينه. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتحد الألومنيوم مع النيتروجين والكربون والكبريت، ليشكل نيتريد AlN، وكربيد Al 4 C 3 وكبريتيد Al 2 S 3، على التوالي. الألومنيوم لا يتفاعل مع الهيدروجين؛ تم الحصول على هيدريد الألومنيوم (AlH 3) X بشكل غير مباشر. من الأمور ذات الأهمية الكبيرة هيدريدات الألومنيوم المزدوجة وعناصر المجموعتين الأولى والثانية من النظام الدوري للتركيب MeH n · n AlH 3، أو ما يسمى بهيدريدات الألومنيوم. يذوب الألومنيوم بسهولة في القلويات، ويطلق الهيدروجين ويشكل الألومينات. معظم أملاح الألومنيوم قابلة للذوبان بدرجة عالية في الماء. تظهر محاليل أملاح الألومنيوم تفاعلًا حمضيًا بسبب التحلل المائي.
الحصول على الألومنيوم
في الصناعة، يتم إنتاج الألومنيوم عن طريق التحليل الكهربائي للألومينا Al 2 O 3 المذاب في الكريوليت المنصهر NasAlF 6 عند درجة حرارة حوالي 950 درجة مئوية. يتم استخدام المحللات الكهربائية من ثلاثة تصميمات رئيسية: 1) المحللات الكهربائية ذات الأنودات المستمرة ذاتية الخبز وإمداد التيار الجانبي ، 2) نفس الشيء، ولكن مع مصدر تيار علوي و3) محللات كهربية ذات أنودات مخبوزة. حمام الإلكتروليت عبارة عن غلاف حديدي، مبطن من الداخل بمادة عازلة للحرارة والكهرباء - طوب حراري، ومبطن بألواح وكتل الفحم. يتم ملء حجم العمل بإلكتروليت منصهر يتكون من 6-8% ألومينا و94-92% كريوليت (عادة مع إضافة AlF3 وحوالي 5-6% من خليط فلوريد البوتاسيوم والمغنيسيوم). الكاثود هو الجزء السفلي من الحمام، والأنود عبارة عن كتل كربون محترقة مغمورة في المنحل بالكهرباء أو أقطاب كهربائية ذاتية الخبز. عندما يمر التيار، يتم إطلاق الألومنيوم المنصهر عند الكاثود، الذي يتراكم على الموقد، وعند الأنود - الأكسجين، الذي يشكل ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون مع أنود الكربون. الألومينا، المادة الاستهلاكية الرئيسية، لديها متطلبات عالية للنقاء وحجم الجسيمات. إن وجود أكاسيد عناصر أكثر إيجابية من الألومنيوم يؤدي إلى تلوث الألومنيوم. مع وجود محتوى كاف من الألومينا، يعمل الحمام بشكل طبيعي بجهد كهربائي يتراوح بين 4-4.5 فولت. وترتبط الحمامات بمصدر تيار مباشر على التوالي (في سلسلة من 150-160 حمام). تعمل المحللات الكهربائية الحديثة بتيارات تصل إلى 150 كيلو أمبير. تتم إزالة الألومنيوم عادة من الحمامات باستخدام مغرفة فراغ. يتم صب الألومنيوم المصهور بدرجة نقاء 99.7% في القوالب. يتم الحصول على الألومنيوم عالي النقاء (99.9965%) عن طريق التكرير الكهربائي للألمنيوم الأولي باستخدام ما يسمى بطريقة الطبقات الثلاثة، والتي تقلل محتوى شوائب الحديد والسيليكون والنحاس. أظهرت الدراسات التي أجريت على عملية تكرير الألومنيوم كهربائيًا باستخدام الإلكتروليتات العضوية الإمكانية الأساسية للحصول على الألومنيوم بدرجة نقاء 99.999٪ مع استهلاك منخفض للطاقة نسبيًا، ولكن حتى الآن تتمتع هذه الطريقة بإنتاجية منخفضة. للتنقية العميقة للألمنيوم، يتم استخدام ذوبان المنطقة أو التقطير من خلال الفلورايد.
تطبيق الألومنيوم
أثناء عملية إنتاج الألومنيوم بالتحليل الكهربائي، قد تحدث صدمة كهربائية وارتفاع في درجة الحرارة وغازات ضارة. لتجنب وقوع الحوادث، يتم عزل أحواض الاستحمام بشكل موثوق، ويستخدم العمال أحذية جافة وملابس واقية مناسبة. يتم الحفاظ على جو صحي من خلال التهوية الفعالة. مع الاستنشاق المستمر للغبار من معدن الألمنيوم وأكسيده، قد يحدث ألومنيوم رئوي. غالبًا ما يعاني العمال العاملون في إنتاج الألومنيوم من نزلات الجهاز التنفسي العلوي (التهاب الأنف، التهاب البلعوم، التهاب الحنجرة). الحد الأقصى المسموح به للتركيز في الهواء لغبار معدن الألمنيوم وأكسيده وسبائكه هو 2 ملغم / م 3.
إن الجمع بين الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والكيميائية للألمنيوم يحدد استخدامه على نطاق واسع في جميع مجالات التكنولوجيا تقريبًا، خاصة في شكل سبائكه مع معادن أخرى. في الهندسة الكهربائية، يحل الألمنيوم محل النحاس بنجاح، خاصة في إنتاج الموصلات الضخمة، على سبيل المثال، في الخطوط الهوائية، والكابلات ذات الجهد العالي، وحافلات المفاتيح الكهربائية، والمحولات (تصل الموصلية الكهربائية للألمنيوم إلى 65.5٪ من الموصلية الكهربائية للنحاس، و وهو أخف وزنًا من النحاس بثلاث مرات؛ مع وجود مقطع عرضي يوفر نفس الموصلية، وكتلة أسلاك الألمنيوم نصف كتلة النحاس). يستخدم الألومنيوم فائق النقاء في إنتاج المكثفات الكهربائية والمقومات، ويعتمد عملها على قدرة طبقة أكسيد الألومنيوم على تمرير التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط. يستخدم الألومنيوم فائق النقاء، المنقى بواسطة ذوبان المنطقة، في تصنيع مركبات أشباه الموصلات من النوع A III B V، المستخدمة في إنتاج أجهزة أشباه الموصلات. يستخدم الألمنيوم النقي في إنتاج أنواع مختلفة من عاكسات المرايا. يستخدم الألومنيوم عالي النقاء لحماية الأسطح المعدنية من التآكل الجوي (الكسوة، طلاء الألومنيوم). نظرًا لامتلاكه مقطعًا عرضيًا منخفض الامتصاص للنيوترونات، يُستخدم الألومنيوم كمادة هيكلية في المفاعلات النووية.
تقوم خزانات الألمنيوم ذات السعة الكبيرة بتخزين ونقل الغازات السائلة (الميثان والأكسجين والهيدروجين وما إلى ذلك) وأحماض النيتريك والأسيتيك والمياه النظيفة وبيروكسيد الهيدروجين والزيوت الصالحة للأكل. يستخدم الألومنيوم على نطاق واسع في معدات وأجهزة صناعة الأغذية، وتغليف المواد الغذائية (على شكل رقائق)، وإنتاج أنواع مختلفة من المنتجات المنزلية. لقد زاد بشكل حاد استهلاك الألمنيوم لتشطيب المباني والهياكل المعمارية ومنشآت النقل والرياضة.
الألومنيوم في المعادن
في علم المعادن، يعد الألومنيوم (بالإضافة إلى السبائك المعتمدة عليه) واحدًا من أكثر إضافات السبائك شيوعًا في السبائك المعتمدة على Cu وMg وTi وNi وZn وFe. يستخدم الألومنيوم أيضًا لإزالة الأكسدة من الفولاذ قبل صبه في القالب، وكذلك في عمليات إنتاج معادن معينة باستخدام طريقة الألومنيوم الحراري. استنادًا إلى الألومنيوم، تم تصنيع SAP (مسحوق الألومنيوم الملبد) باستخدام تعدين المساحيق، الذي يتمتع بمقاومة عالية للحرارة عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية.
ويستخدم الألمنيوم في صناعة المتفجرات (الأمونال، والألوموتول). تستخدم مركبات الألومنيوم المختلفة على نطاق واسع.
يتزايد إنتاج واستهلاك الألمنيوم بشكل مستمر، وهو ما يفوق بشكل كبير معدل نمو إنتاج الفولاذ والنحاس والرصاص والزنك.
جيوكيمياء الألومنيوم
يتم تحديد الخصائص الجيوكيميائية للألمنيوم من خلال قابليته العالية للأكسجين (في المعادن، يتم تضمين الألومنيوم في مجسمات الأكسجين ورباعي السطوح)، والتكافؤ الثابت (3)، وانخفاض قابلية الذوبان لمعظم المركبات الطبيعية. في العمليات الداخلية أثناء تصلب الصهارة وتكوين الصخور النارية، يدخل الألومنيوم الشبكة البلورية للفلسبار والميكا والمعادن الأخرى - سيليكات الألومنيوم. في المحيط الحيوي، يعتبر الألومنيوم مهاجرًا ضعيفًا، وهو نادر في الكائنات الحية والغلاف المائي. في المناخ الرطب، حيث تشكل البقايا المتحللة للنباتات الوفيرة العديد من الأحماض العضوية، يهاجر الألومنيوم في التربة والمياه على شكل مركبات غروية عضوية معدنية؛ يتم امتصاص الألومنيوم بواسطة الغرويات ويترسب في الجزء السفلي من التربة. يتم كسر الرابطة بين الألومنيوم والسيليكون جزئيًا وفي بعض الأماكن في المناطق الاستوائية تتشكل المعادن - هيدروكسيدات الألومنيوم - البوهميت، الشتات، الهيدرارجيليت. معظم الألومنيوم جزء من سيليكات الألومنيوم - الكاولينيت والبيدليت ومعادن طينية أخرى. تحدد الحركة الضعيفة التراكم المتبقي للألمنيوم في القشرة الجوية للمناطق الاستوائية الرطبة. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل البوكسيت إلوفيال. في العصور الجيولوجية الماضية، تراكم البوكسيت أيضًا في البحيرات والمناطق الساحلية للبحار في المناطق الاستوائية (على سبيل المثال، البوكسيت الرسوبي في كازاخستان). في السهوب والصحاري، حيث يوجد القليل من المواد الحية والمياه محايدة وقلوية، لا يهاجر الألومنيوم تقريبًا. تكون هجرة الألومنيوم أكثر نشاطًا في المناطق البركانية، حيث يتم ملاحظة الأنهار شديدة الحموضة والمياه الجوفية الغنية بالألمنيوم. وفي الأماكن التي تختلط فيها المياه الحمضية بالمياه القلوية - مياه البحر (عند مصبات الأنهار وغيرها)، يترسب الألمنيوم مع تكوين رواسب البوكسيت.
الألومنيوم في الجسم
الألومنيوم جزء من أنسجة الحيوانات والنباتات؛ في أعضاء الثدييات، تم العثور على 10 -3 إلى 10 -5٪ من الألومنيوم (على أساس خام). يتراكم الألمنيوم في الكبد والبنكرياس والغدد الدرقية. في المنتجات النباتية، يتراوح محتوى الألومنيوم من 4 ملجم لكل 1 كجم من المادة الجافة (البطاطس) إلى 46 ملجم (اللفت الأصفر)، وفي المنتجات ذات الأصل الحيواني - من 4 ملجم (العسل) إلى 72 ملجم لكل 1 كجم من المادة الجافة ( لحم). في النظام الغذائي اليومي للإنسان يصل محتوى الألومنيوم إلى 35-40 ملغ. الكائنات الحية المعروفة بتركيز الألومنيوم هي، على سبيل المثال، الطحالب (Lycopodiaceae)، التي تحتوي على ما يصل إلى 5.3% من الألومنيوم في رمادها، والرخويات (Helix وLithorina)، التي تحتوي على 0.2-0.8% من الألومنيوم في رمادها. من خلال تكوين مركبات غير قابلة للذوبان مع الفوسفات، يعطل الألومنيوم تغذية النباتات (امتصاص الفوسفات عن طريق الجذور) والحيوانات (امتصاص الفوسفات في الأمعاء).
بناءً على مواد من chem100.ru