شرح درس الألـومـيـنـيـوم ( Al ) وما خواصه وما استخداماته
الألـومـيـنـيـوم هـو ثاني عنـصـر فـي المجـمـوعـة الـرئـيـسـة الـثـالثـة (IIIA)، وهو ثالث الفلزات وفرة في القشرة الأرضية، وهو من أكثر عناصر هذه المجموعة استخداماً .
وجـود الألـومـيـنـيـوم ( Al ) في الطبيعـة :
يوجد الألومينيوم في الطبيعة متحداً بعناصر أخرى مكوناً أكاسيد أو سيليكات ،
التي توجد في بعض الصـخـور كـالـجـرانـيـت، وبعض أنواع الطين، أمـا الخـام الـرئـيـس للألومينيوم فهو البوكسيت، ويحتوي على أكسيد الألومينيوم Al2O
استخلاص الألومينيـوم :
يستخلص الألومـيـنـيـوم على نطاق واسع وبتكاليف زهيـدة مـن مـزج البـوكـسـيت
Al2O3xH2O مع الـكـريـولـيـت NagAlF6 المنصـهـر، وهذا المزيج مـوصـل لـلـتـيـار
الـكـهـربائي، وعند تحليله نحصل على فـلـز الألـومـيـنـيـوم وذلك باسـتـخـدام خـلـيـة تحليل كهربائي كما في الشكل ( ٣ ) .
شكل ( 3 ) إنتاج الألومينيوم بطريقة هول
من الشكل ( 3 ) يتضح أن هذه الخـليـة تتكون مـن وعـاء يـحـتـوي على خليط
المصهور، وهذا الوعاء مصنوع من الحديد المبطن بالكربون بحيث يعمل كمهبط، أما
قضبان الكربون فتعمل كمصعد حيث تغمر في المصهور.
وعند مرور التيار الكهربي في الخلية تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال، وينتج عنها فلز الألومينيوم النقي عند المهبط ( الكاثود )، ويتجمع في قاع الوعاء .
والمعادلات الآتية توضح التفاعلات التي تحدث في الخلية :
أكسدة عند المصعد ( أنود )
3O²- ــــــــــــ> O +6e
2Al³ + 6e- ــــــــــــ> 2Al
اختزال عند المهبط ( كاثود )
خلال هذا التـفـاعـل يـتـصـاعـد نـوعـان من الغازات، هما أول وثاني أكـسـيـد
الكربون، اللذان يتكونان نـتـيـجـة لـتـفـاعـل الـكـربـون الذي يغلف الـوعـاء الحديدي مع
الأكسجين الذري الناتج من التفاعل السابق، كما توضحه المعادلتان التاليتان :
C + 20 ــــــــــــ> CO2
C + 0 ــــــــــــ> CO
ويمكن كتابة التفاعل العام لتحضير الألومينيوم في الخلية على النحو الآتي :
7Al2O3 + 12C ______ 14Al + 3CO+ 9CO2
وفي وقتنا الحـاضـر تـسـتـعـمـل مـواد أخرى محل الكريوليت، بحيث تسمح هذه
المواد بالعمل عند درجات حرارة أقل، وهي أقل كثافة من الكريوليت، وتؤدي الكثافة
الأقل لخليط الإلكتروليت إلى فصل مصهور الألومينيوم بطريقة أسهل.
خـواص الألومينيـوم :
اطلب من مدرسك أن يريك فلز الألومينيوم الموجود في المعمل المدرسي، فهو فلز
أبيض فضي لامع، ينصهر عند 658م، وكثافته ۲٫۷ جم /سم3، والألومينيوم يمكن
سحبه إلى أسلاك، وطرقـه إلـى صـفـائح مختلفة الأشكال، شـديـد التـحـمل؛ إذ يـقـاوم التآكل، وعند صقله يكتسب لمعاناً شديداً، وهو موصل جيد للحرارة والكهرباء .
الألومينيوم لايتأثر بالهـواء الجـوي الجاف، ولكن يتأثر بالهـواء الرطب، والغليان في
الماء مكوناً طـبـقـة من الأكـسـيـد يـحـمي الـطـبـقـة التي تحتـهـا مـن الـتـأكـسـد، يشتعل في درجات الحرارة المرتفعة بشدة مكوناً أكسيد الألومينيوم الأبيض، أما إذا خلط مسحوق من الألومينيوم والأكسجين المسال فإنهما يتحدان وينتج عن ذلك وميض شديد بمجرد تقريب شظية مشتعلة من المخلوط، ومن أهم خواص الألومينيوم ما يأتي :
1- القدرة على الاختزال :
الألـومـيـنـيـوم عـامل مـخـتـزل قـوي، وشديد الميل للاتحاد بالأكجسين، ولذلك فهو
يستخدم في :
أ - تحضير الفلزات بـالاخـتـزال :
حيث يـسـتـخـدم الألـومـيـنـيـوم فـي تحـضـيـر بعض الفلزات ، مثل : الحديد، والمنجنيز، والكروم، والتنجستن، كما في المعادلة الآتية :
حرارة + 3MnO2 + 4Al___ 3Mn +2Al2O3
ب - لحـام الثـر ميـث :
وهي -أيضاً- عملية اختزال، والثرميث هو خليط مـن بـرادة الألـومـيـنـيـوم وأكـسـيـد الحديد (III)، حيث يوضع الخليط في بوتقة ، كما في الشكل ( 4 ) .
ويتم التسخين إلى درجة الإحمرار، أو يمكـن عـرض شريطاً محترقاً من الماغنيسيوم،
فيحترق المخلوط بشدة، وترتفع درجة الحرارة أثناء الاختزال إلى حوالي 3500ْ م
Fe2O3 + 2Al ____ 2Fe +Al2O3
۲- تفـاعـل الألومينيوم مع الأكسجين :
يتفاعل الألومينيوم مع الأكسجين مكوناً أوكسيد الألومينيوم، كما توضحه المعادلة الآتية :
4Al + 3O2 ________ 2Al2O3
نشـاط (۱)
نفذ هذا النشاط والخاص بالكشف عن بعض خواص الألومينيوم والموجود في كتاب الأنشطة والتجارب العملية .
3- تـأثيـر الحموض على الألومينيوم :
للحموض تأثير على فلز الألومينيوم ، ويمكن توضيح ذلك على النحو الآتي
أ- تفاعله مع حـمـض الـهـيـدرو كـلـوريـك : يتفاعل فلز الألـومـيـنـيـوم مـع حـمـض
الـهـيـدروكلوريك المخفف ببطء، أما مع الحمض المركز فـيـحـدث التفاعل بسرعة ،
ويتصاعد غاز الهيدروجين :
2Al + 6 HCl (المركز)→AlCl3 + 3H2
- تفاعله مع حمض الكبـريـتـيـك : لايتأثر الألومينيوم بالحمض المخفف، ولكنه
يتأثر بحمض الكبريتيك المركز الساخن .
2Al + 6 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2
جـ - تفـاعـلـه مع حمض النيـتـريـك :
لايحدث تفاعل للألـومـيـنـيـوم مـع حـمـض
الـنـيـتـريك، ويعزى ذلك إلى أن الحـمـض يغطي الألـومـيـنـيـوم بـطـبـقـة واقـيـة من
الأكسيد، ولذلك تستخدم أواني الألومينيوم في حفظ ونقل هذا الحمض .
4- تأثير القلويات على الألومينيوم :
يتفاعل الألومينيوم في محاليل القلويات القوية المركزة، مثل: محلول هيدروكسيد
الـصـوديـوم، أو هيدروكـسـيـد البوتاسيوم، وتتكون ألومينات الصوديوم (NaAlO2)،
أوألومينات البوتاسيوم (KAlO2)، ويتصاعد غاز الهيدروجين، كما يأتي :
2Al + 2NaOH + 2H2O→2NaAlO2 + 3H2
اكتب معادلة موزونة توضح فيها تفاعل الألومينيوم مع هيدروكسيد البوتاسيوم
لتكوين ألومينات البوتاسيوم .
نشـاط ( ۲)
نفذ هذا النشاط والخاص بالكشف عن تأثير الـصـودا الكاوية على الألومنيوم والموجود في كتاب الأنشطة والتجارب .
5- تـفـاعـل الألومينيوم مع بعض اللافلزات :
يتفاعل الألومينيوم مع بعض اللافلزات، مثل: الكبريت، حيث يتكون كبريتيد
الألـومـيـنـيـوم (AlS3)، ومع النتروجين مـكـونـاً نـيـتـريـد الألـومـيـنـيـوم (AIN)، ومع الكربون مكونا كربيد الألومينيوم (AlC3).
6 - تـفـاعـل الألومينيوم مع الـهـالـوجينـات :
يتفاعل الألومينيوم مع الهالوجينات مكوناً هاليدات مثل: (AlCl3) و(AlF3) .
اكـتـب مـعـادلـة موزونة توضح فـيـهـا تـفـاعل الألومينيوم مع غـاز الكلور لـتـكـويـن
كلوريد الألومينيوم .
سبائك الألومينيوم :
للألومينيوم سبائك مختلفة أهمها :
1 - الـدورالـومين Duralumin :
هذه السبيكة تتكون من الألومينيوم بنسبة 95% ، 0.5٪ ماغنيسيوم ، 0.5٪ منجنيز ، و4٪ نحاس، وهي خفيفة ولكنها تفوق في متانتها الحديد الصلب .
٢ – المـاجـنـالـيـوم Magnalium :
وهذه السبيكة من الألومينيوم والماغنيسيوم بنسبة 90٪ و ۱۰٪ على الترتيب ، تمتاز بلونها الذهبي ومقاومتها للصدمات الفجائية .
مـركبـات الألومينيوم :
من أهم مركبات الألومينيوم كبريتات الألومينيوم 3(Al2(SO4 .
تحضيرها :
تحضر كبريتات الألومينيوم بتفاعل أكسيد الألومينيوم أو هيدروكسيد الألومينيوم
المرسبة حديثاً مع حمض الكبريتيك المخفف الساخن، والمعادلة الآتية توضح التفاعل :
تسخين
Al2O3 + H2SO4→ Al2(SO4)3 + H2O
• خواصهـا : من خواص كبريتات الألومينيوم أنها :
۱ - سريعة الذوبان في الماء .
۲ – تتبلر في وجود ١٨ جزيء ماء ( 18H2O)، ومن خواص الـكـبـريـتـات المتبلرة أنهـا تفـقـد تبلرها بالتسخين الهين ويتكون الملح اللامائي، وتنحل بالتسخين
الشديد إلى درجة الاحـمـرار مكونة الألـومـيـنا ( أكـسـيـد الألـومـيـنـيـوم )، وثاني أكسيد الكبريت، والأكسجين حسب المعادلة الآتية :
2Al2(SO4)3→2Al2O3 + 6SO2 + 3O2
3 - مـحـلـولـهـا في الماء حـمـضي لأنهـا تـتـمـيـأ إلى حمض كـبـريـتـيـك وهـيـدروكـسـيـد الألومينيوم الذي يترسب .
Al2(SO4)3 + 6H2O →3H2SO4 + 2Al(OH)3
استخـدامـاتهـا :
لكبريتات الألومينيوم استخدامات كثيرة منها :
۱ - يـسـتـخـدم في أجـهـزة الإطفاء الـرغـويـة، فعندما تمتزج مع بيكربونات الـصـوديـوم يتكون ثاني أكـسـيـد الـكـربـون الذي يحدث فـقـاعـات رغوية ثابتة، هذه الرغوة تستخدم لإطفاء حرائق الزيوت .
۲ – يستخدم في صناعة الورق ودبغ الجلود وتثبيت الأصباغ وتنقية مياه الشرب .
3 – تثبيت الألوان : والفكرة الأساسية هي أنه عندما يرسب هيدروكسيد الألومينيوم
بصـورة جـلاتين في سائل ملون ( بـه صـبـغـة ) فـإن الـصـبـغـة تُرسب على المادة
الجلاتينية، وعندما تستقران على المنسوج يتم امتزاز اللون ( الصبغة ) ويثبت في
الخيوط، وهذا يستخدم فقط في المنسوجات من الأصل النباتي .
استخـدامـات الألومينيوم :
للألومينيوم استخدامات كثيرة حيث يستخدم في الأغراض الآتيـة :
1 – في الأعمال الانشائية، والأدوات المنزلية، وأدوات الزينة، والأسلاك الكهربائية .
٢ – في طلاء الأخشاب والمعادن، حيث يستخدم مسحوق الألومينيوم مع الزيوت في الطلاء لتأخذ لوناً فضياً لايتأثر بالهواء .
3 – في تغليف المواد الغذائية، حيث يطرق الألـومـيـنـيـوم إلى صـفـائـح رقـيـقـة جـداً
تستخدم لهذا الغرض .
4 - في صناعة القوارب، وأواني الطباخة، وحفظ الوقود السائل.
5 - في صناعة الفولاذ لتنقيته من الأكسجين لقوة اختزاله .
6 – في صناعة بعض السبائك التي تستخدم في الصناعات المختلفة .
7 - في صناعة هياكل الطائرات الخفيفة.