מדע פופולרי: זה אלומיניום מתכת? חקירה מעמיקה

כשאנחנו חושבים על חומרים יומיומיים, אלומיניום עולה על הדעת לעתים קרובות בגלל השימוש הנרחב שלו במוצרים החל מפחיות סודה ועד למטוסים. אבל זה מעלה שאלה עקרונית: האם אלומיניום היא מתכת? התשובה היא מהדהדת כֵּן- אלומיניום הוא אכן מתכת. למרות זאת, הסיבות מאחורי סיווג זה, התכונות הייחודיות של האלומיניום, ויישומיו השונים בתעשיות שונות מחייבים בחינה מעמיקה יותר.

פחיות משקה מאלומיניום

עובדות מעניינות על אלומיניום

עוּבדָה	תיאור
מראות	שכבה דקה של אלומיניום משמשת לייצור מראות
אבני חן סינתטיות	משמש לייצור אודם סינתטי ואבני ספיר
התכה שנתית	על אודות 41 מיליון טונות של אלומיניום נמסים מדי שנה
הפחתת אנרגיה בייצור	האנרגיה הדרושה לייצור אלומיניום ירדה ב- 70% באחרון 100 שנים
אנדרטת וושינגטון	החלק העליון מכוסה בפירמידת אלומיניום

מה מגדיר מתכת?

לפני הצלילה למאפייני האלומיניום, בואו נבין תחילה מה קובע חומר כמתכת. מתכות מוגדרות בדרך כלל על ידי קבוצה של תכונות פיזיקליות וכימיות. להלן טבלה המסכמת את תכונות המפתח של מתכות:

תכונה	תיאור
מוֹלִיכוּת	מתכות הן מוליכות מצוינות של חשמל וחום בשל תנועה חופשית של אלקטרונים בתוך המבנה האטומי שלהן.
גְמִישׁוּת	ניתן להכות מתכות או לגלגל ליריעות דקות מבלי להישבר, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומים תעשייתיים שונים.
מְשִׁיכוּת	ניתן למתוח מתכות לחוטים מבלי להישבר, תכונה נוספת שמוסיפה לרבגוניות שלהם.
בְּהִיקוּת	למתכות יש מראה מבריק, מה שנובע מיכולתם להחזיר אור.
צְפִיפוּת	למתכות יש בדרך כלל צפיפות גבוהה, כלומר הם בדרך כלל כבדים לגודלם.
כוח	מתכות חזקות ועמידות בפני כוחות חיצוניים, מה שהופך אותם למתאימים למטרות מבניות ובנייה.
עמידות בפני קורוזיה	בעוד שחלק מתכות עלולות להרוס, לרבים יש עמידות גבוהה בפני קורוזיה או שניתן לטפל בהם כדי לשפר את עמידותם.
מַגנֶטִיוּת	כמה מתכות, במיוחד ברזל, הם מגנטיים, למרות שלא כל המתכות מציגות תכונות מגנטיות.

אֲלוּמִינְיוּם: מתכת בכל הסטנדרטים

אלומיניום מתאים לקטגוריית המתכות מכיוון שהוא מציג את כל המאפיינים העיקריים של מתכות, אם כי עם כמה וריאציות ייחודיות שהופכות אותו לבעל ערך במיוחד. הנה מבט מקרוב על איך האלומיניום מתיישר עם התכונות הכלליות של מתכות:

תכונה	מאפייני האלומיניום
מוֹלִיכוּת	אלומיניום הוא מוליך טוב של חשמל והוא משמש לעתים קרובות בקווי תמסורת חשמליים, שני רק לנחושת מבחינת מוליכות חשמלית בין מתכות.
גְמִישׁוּת	האלומיניום הוא מאוד גמיש, מה שמאפשר לגלגל אותו בקלות ליריעות דקות או נייר כסף.
מְשִׁיכוּת	ניתן למשוך אלומיניום לתוך חוטים, וזו הסיבה שהוא משמש לעתים קרובות בחיווט חשמלי ובייצור מוצרי חוט עדין.
בְּהִיקוּת	אלומיניום חתוך טרי יש בהיר, ברק כסוף-לבן, למרות שהוא יכול להתחמצן ולפתח מראה עמום יותר אם לא מטופל או מצופה.
צְפִיפוּת	אלומיניום קל משקל בהשוואה למתכות אחרות, מה שהופך אותו לבעל ערך רב בתעשיות בהן המשקל הוא גורם קריטי, כמו בהנדסת תעופה וחלל.
כוח	בעוד אלומיניום טהור אינו חזק כמו מתכות אחרות, ניתן לשפר משמעותית את החוזק שלו באמצעות סגסוגת עם יסודות אחרים כמו מגנזיום, נְחוֹשֶׁת, או אבץ.
עמידות בפני קורוזיה	אלומיניום יוצר באופן טבעי שכבת תחמוצת דקה בחשיפה לאוויר, מה שמגן עליו מפני קורוזיה נוספת, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומים חיצוניים וימיים.
מַגנֶטִיוּת	האלומיניום אינו מגנטי, מה שהופך אותו לשימושי ביישומים שבהם יש להימנע מהפרעות מגנטיות, כמו במכשירים אלקטרוניים.

מטיל אלומיניום

המבנה האטומי של האלומיניום ומיקומו בטבלה המחזורית

אלומיניום ממוקם בקבוצה 13 של הטבלה המחזורית, שבו היא מסווגת כמתכת לאחר מעבר. יש לו את המספר האטומי 13 והסמל אל. תצורת האלקטרונים של אלומיניום היא [כֵּן] 3s²3p¹, מה שאומר שיש לו שלושה אלקטרונים ערכיים שניתן לאבד בקלות כדי ליצור יונים חיוביים (אל³⁺), התנהגות אופיינית של מתכות.

להלן טבלה המדגישה את התכונות האטומיות הבסיסיות של האלומיניום:

תכונה	ערך
מספר אטומי	13
מסה אטומית	26.98 u
תצורת אלקטרונים	[כֵּן] 3s²3p¹
קבוצה בטבלה המחזורית	קְבוּצָה 13
צְפִיפוּת	2.70 g/cm³
נקודת המסה	660.3מעלות צלזיוס
נקודת רתיחה	2519מעלות צלזיוס

ההיסטוריה של האלומיניום: ממתכת יקרה ועד רגילה

אלומיניום לא תמיד היה החומר הקיים בכל מקום שהוא היום. למעשה, פעם זה נחשב ליקר יותר מזהב. במאה ה-19, תהליך הפקת האלומיניום מהעפרה שלו, בוקסיט, היה יקר ועתיר עבודה, מה שהופך את המתכת לנדירה ובעלת ערך במיוחד. למרות זאת, עם הפיתוח של תהליך Hall-Héroult ב 1886, מה שהפך את מיצוי האלומיניום ליעילה יותר, המתכת הפכה נגישה הרבה יותר.

יישומים של אלומיניום בתעשייה המודרנית

תכונות האלומיניום הופכות אותו לחומר אידיאלי עבור מגוון רחב של יישומים. להלן טבלה המתארת כמה מענפי המפתח שבהם האלומיניום הוא הכרחי:

תַעֲשִׂיָה	יישום
תעופה וחלל	באלומיניום נעשה שימוש נרחב בבניית מטוסים בשל תכונותיו הקלות והחזקות, התורמים ליעילות הדלק ולביצועים הכוללים.
רכב	אלומיניום משמש במסגרות רכב, רכיבי מנוע, וגלגלים, עוזר להפחית את משקל כלי הרכב, מה שמשפר את יעילות הדלק ומפחית פליטות.
בְּנִיָה	אֲלוּמִינְיוּם is used in window frames, קִירוּי, וציפוי בשל עמידותו, עמידות בפני קורוזיה, ומשיכה אסתטית.
אריזה	אֲלוּמִינְיוּם is commonly used in beverage cans, נייר כסף עוטף, ומכלי מזון בשל אופיו הלא רעיל ותכונות מחסום מצוינות מפני אור, חַמצָן, ולחות.
חַשׁמַלִי	אלומיניום משמש בקווי חשמל, כבלים, ורכיבים אלקטרוניים בגלל המוליכות הטובה ואופיו קל המשקל.
ימי	אלומיניום משמש לבניית ספינות וסירות בגלל עמידותו בפני קורוזיה, במיוחד בסביבות מים מלוחים.
מוצרי צריכה	אלומיניום משמש במגוון כלי בית, כולל כלי מטבח, מכשירים, וגאדג'טים אלקטרוניים, בזכות העמידות והאיכויות האסתטיות שלו.

לוחות קיר מסך

סגסוגות אלומיניום: שיפור תכונות המתכת

בעוד אלומיניום טהור משמש ביישומים רבים, לעתים קרובות הוא מסויג עם מתכות אחרות כדי לשפר את תכונותיו. יסודות סגסוגת נפוצים כוללים מגנזיום, נְחוֹשֶׁת, מַנגָן, סִילִיקוֹן, ואבץ. סגסוגות אלומיניום אלו מסווגות לסדרות שונות, כל אחד עם מאפיינים ספציפיים המתאימים ליישומים שונים.

סדרת סגסוגת	אלמנט סגסוגת ראשוני(ס)	מאפיינים מרכזיים	יישומים נפוצים
1000 סִדרָה	אלומיניום טהור (99% או יותר)	עמידות בפני קורוזיה מעולה, מוליכות תרמית וחשמלית גבוהה	מוליכים חשמליים, מחליפי חום, ציוד כימי
2000 סִדרָה	נְחוֹשֶׁת	חוזק גבוה, יכולת עיבוד טובה, פחות עמיד בפני קורוזיה	מבני מטוסים, מסגרות למשאית
3000 סִדרָה	מַנגָן	עמידות בפני קורוזיה טובה, כוח בינוני, יכולת עבודה טובה	כלי בישול, מכלי לחץ, אחסון כימיקלים
5000 סִדרָה	מגנזיום	חוזק גבוה, עמידות בפני קורוזיה טובה, רָתִיך	יישומים ימיים, לוחות רכב, מכלי לחץ
6000 סִדרָה	מגנזיום וסיליקון	חוזק מאוזן ועמידות בפני קורוזיה, יכולת עיבוד וריתוך מצוינים	רכיבים מבניים, יישומים אדריכליים
7000 סִדרָה	אָבָץ	חוזק גבוה מאוד, פחות עמיד בפני קורוזיה, משמש לעתים קרובות במטוסים	יישומי תעופה וחלל, ציוד ספורט

השפעה סביבתית וקיימות של אלומיניום

אחד ההיבטים המדהימים ביותר של האלומיניום הוא יכולת המיחזור שלו. ניתן למחזר את האלומיניום ללא הגבלה מבלי לאבד את תכונותיו, מה שהופך אותו לאחד החומרים הכי ברי קיימא שיש. מיחזור אלומיניום דורש רק כ 5% מהאנרגיה המשמשת לייצור אלומיניום ראשוני מבוקסיט, מה שמפחית משמעותית את טביעת הרגל הסביבתית.

הנה השוואה של דרישות האנרגיה בין ייצור אלומיניום ראשוני למחזור:

תהליך	צריכת אנרגיה (MJ/kg)	פליטת CO₂ (ק"ג CO₂/ק"ג)	שיעור מיחזור
ייצור ראשוני	190-220	11-13	~30-35%
מִחזוּר	10-15	0.6-0.8	~90-95%

מאמר קודם: מדוע דיסק עגול מאלומיניום הוא אידיאלי לייצור כלי בישול?
המאמר הבא: מדע פופולרי: מה זה אלומיניום?