אלומיניום

אלומיניום

צורן - אלומיניום - מגנזיום
B Al Ga       13 Al                                                                                                                                                                                                                                                                                           הטבלה המחזורית
נתונים בסיסיים
מספר אטומי	13
סמל כימי	Al
סדרה כימית	מתכות
מראה
אפור כסוף מתכתי
תכונות אטומיות
משקל אטומי	26.981538 u
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה	2, 8, 3
קונפיגורציה אלקטרונית	[Ne] 3s² 3p¹
דרגות חמצון	1, 2, 3
תכונות פיזיקליות
צפיפות	2,700 kg/m3
מצב צבירה בטמפ' החדר	מוצק
נקודת רתיחה	2,793K (2,520°C)
נקודת התכה	933.47K (660.32°C)
מהירות הקול	5,100 מטר לשנייה ב-933K
שונות
אלקטרושליליות	1.61
קיבול חום סגולי	900 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית	37.7 106/m·Ω
מוליכות חום	237 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה	577.5 kJ/mol
היסטוריה
מגלה	האמפרי דייווי
תאריך גילוי	1825
נקרא על שם	אלום

אלומיניום לשימושים תעשייתיים

אָלוּמִינְיוּם (Aluminium, בשמו העברי, "חַמְרָן") הוא יסוד כימי מתכתי שסמלו הכימי Al ומספרו האטומי 13. האלומיניום הוא מתכת רקיעה וכסופה. אלומיניום מופק בעיקר מבוקסיט. זהו היסוד השלישי בשכיחותו (כ-8 אחוז) בקרום כדור הארץ, אחרי חמצן וצורן, והשכיח ביותר בין המתכות.

אלומיניום עמיד לחמצון. צפיפותו הנמוכה של אלומיניום מאפשרת שימוש באלומיניום כחומר-גלם לייצור מוצרים קלי משקל. לאלומיניום חשיבות כלכלית גבוהה והוא משמש בתעשיות רבות (משקופים וכנפי חלונות, מטוסים, דלתות, ידיות וכיוצא בזה).

תכונות

האלומיניום היא מתכת קלה, שצפיפותה שליש מצפיפות פלדה או נחושת. חשיל (מחושל בקלות, השני בחשילותו אחרי זהב), רקיע (מקום ששי ברקיעותו), מתגבש ומעוצב בקלות. רך יחסית ונוח לעיבוד שבבי. לאלומיניום ברק עמום הנוצר בעקבות שכבה דקה של אלומיניום חמצני – אלומינה, המופיעה מיד בחשיפה לאוויר. האלומינה קשה ביותר, ואינה מתפוררת מגוף האלומיניום, ובכך מקנה לו עמידות לשיתוך.

חסר תכונות מגנטיות. מוליך בצורה טובה חשמל וחום.

שימושים

פחית אלומיניום

במונחים של כמות או ערך, השימוש באלומיניום עולה על זה של כל מתכת אחרת פרט לברזל. על פי נתוני איגוד האלומיניום הבינלאומי בשנת 2011 הופקו בעולם (לא כולל מחזור) כ-44 מיליוני מטר מעוקב אלומיניום.

לאלומיניום טהור חוזק מתיחה נמוך, אך בסגסוגות עם מתכות אחרות, כגון נחושת, אבץ, מגנזיום וצורן, מפגין האלומיניום תכונות מצוינות המתאימות לתפקידים רבים.

האלומיניום משמש ליצירת מוצרים העומדים בעומס מכני בינוני ודורשים משקל נמוך ועמידות בשיתוך.

שימושים נוספים:

• משמש ליצירת חלקי מכוניות, מטוסים, משאיות, פסי רכבת, כלי שיט, טילים וכדומה בזכות משקלו הקל.
• שימושים רבים מאוד בתחום הבנייה – הוא משמש כחומר עיקרי למסגרות חלונות ודלתות.
• כלים יומיומיים כמו כלי מטבח, בגלל הולכת החום של האלומיניום והקלות שבה ניתן להחזיקו נקי ומבריק.
• פחיות שתייה, משום שהמכלים אינם מחלידים, משקלם זניח וקל מאוד למעוך אותן לצורך איסוף.
• רדיד אלומיניום הוא יריעת אלומיניום דקה הניתנת לגלילה, לקיפול ולעטיפה. שימושי לעטיפת מוצרי מזון.
• קווי תמסורת חשמליים; על אף שאלומיניום מוליך רק 60% מהמוליכות של נחושת הוא זול יותר.
• לאלומיניום טהור (99.999%) שימוש בתעשיית האלקטרוניקה ובייצור תקליטורים.
• אבקת אלומיניום משמשת לעיתים קרובות להכנת צבע כסף.
• בתעשיית המזון הוא משמש כצבע מאכל (E173).
• גופי קירור לרכיבים אלקטרוניים פולטי חום, למשל: מעבדי מחשבים עשויים מאלומיניום בזכות מוליכות החום הטובה שלו. נחושת עדיפה לתפקיד זה אך היא יקרה וקשה יותר לייצור.
• שכבת אלומיניום במשטח האחורי של מראות. גם במראות של טלסקופים משתמשים באלומיניום.
• באלומיניום פחמני משתמשים בתעשיית תרסיסי הדאודורנט כחומר מונע הזעה.
• לאלומיניום חמצני תפקיד בייצור מינרלים סינתטיים.
• תערובת של תחמוצת מתכתית (כתחמוצת ברזל) עם אבקת אלומיניום נקראת תרמיט ומשמשת לריתוך ולמטרות צבאיות.
• כמרכיב באלום, משמש ברפואה כתוסף (ממרץ, אדג'ובנט) בחיסונים רבים, כולל חיסוני DTP (דיפתריה, צפדת, שעלת), צהבת A, צהבת B, פפילומה (HPV) ופנאומוקוק. בימינו, רוב עומס האלומיניום הנצבר בגוף התינוק בשנה הראשונה מגיע מחיסוני השגרה.

היסטוריה

היוונים והרומאים הקדמונים השתמשו במלחי אלומיניום כחומרי צביעה ובתור חומר עוצר דימום בפצעים. אלום (מלח אלומיניום) עדיין משמש כחומר עוצר דימום. ב-1761 גיטון דה מורבו הציע לקרוא לאלום אלומין.

ב-1754 הכימאי הגרמני אנדריאס זיגיסמונד מרגרף הצליח לייצר אלומינה (תחמוצת האלומיניום) על ידי בישול חרסית עם חומצה גופרתית ולבסוף תוספת אשלג.

ב-1808 זיהה האמפרי דייווי את האלומיניום כמתכת באלום.

בידוד אלומיניום בוצע לראשונה על ידי פרידריך ולר ב-1827 כשערבב אשלגן עם אלומיניום כלורי. ולר שיפר את התהליך שביצע הנס כריסטיאן ארסטד שנתיים לפני כן, בו הופק לכאורה אלומיניום, וטען כי ארסטד הפיק למעשה אשלגן.

האדם הראשון שגילה את האלומיניום במכרה בוקסיט (מינרל המכיל אלומיניום) ומיצה אותו בהצלחה היה פ. ברטייה.

אנרי סנט-קלר דוויל (Henri Etienne Sainte-Claire Deville) שיפר את התהליך, תוך שימוש בנתרן. נפוליאון השלישי שהתרשם מהמתכת ציווה להחליף את הסכו"ם בארמון לכלי אלומיניום. החפצים הראשונים שיוצרו מאלומיניום היו רעשן לבנו הפעוט של נפוליאון השלישי, ושרשרת שעון עשויה אלומיניום אשר הוענקה למלך סיאם שביקר אז בצרפת. חזונו של נפוליאון השלישי לייצר ציוד צבאי מאלומיניום הביא לתמיכת ממשלת צרפת בפיתוח ואיפשרה לדוויל להרחיב את ייצור החומר עד ל-2 טונות שהופקו בשנת 1859. עם זאת הפקת האלומיניום המשיכה להיות יקרה ומסובכת.

בשנת 1884 הושלמה בארצות הברית בניית אנדרטת וושינגטון. כמפגן של עוצמה טכנולוגית, הותקנה בראשה פירמידת אלומיניום שמשקלה כ-3 ק"ג אשר הייתה פריט האלומיניום הכבד ביותר שהופק עד אז.

ייצור המוני של אלומיניום התאפשר רק בזכות פיתוחיו של האמריקאי צ'ארלס מרטין הול שרשם פטנט ב-1886 על תהליך אלקטרוליזה למיצוי אלומיניום. בתהליך זה מבוצעת אלקטרוליזה של תחמוצת אלומיניום המומסת במינרל קריאוליט כשהוא מותך. פטנט זה הוזיל את מיצוי האלומיניום ממינרלים וכיום זהו תהליך המקובל בכל העולם.

ב-1909 התגלה בגרמניה כי עירוב של אלומיניום, נחושת, מנגן ומגנזיום יוצר סגסוגת חדשה שנקראה דוראלומין (Duralumin, שם מסחרי שאיננו כבר בשימוש) שלה תכונות הדומות לפלדה רכה אך משקלה הסגולי שליש בלבד מזה של פלדה. תכונות אלו איפשרו ייצור מטוסים קלים וחזקים מדוראלומין.

ייצור אלומיניום

אף-על-פי שאלומיניום הוא יסוד נפוץ בקרום כדור הארץ (בין 7.5% ל-8.1%), הוא אינו מופיע בטבע כמתכת ולא ניתן להפרידו בשיטות מסורתיות. אלומיניום נחשב מתכת מסחרית חדשה והיא מיוצרת בכמויות מסחריות מ-1900. מיחזור אלומיניום הפך לחלק חשוב בתעשיית ייצורו. זיקוק אלומיניום דורש כמויות חשמל עצומות.

תהליך באייר

רוב האלומיניום מופק מהמינרל בוקסיט, בתהליך שנקרא "תהליך באייר" (Bayer Process).

הבוקסיט נטחן ומושרה בנתרן הידרוקסידי (NaOH) בסיר לחץ. בתנאים אלו Al₂O₃ הופך ל-NaAl(OH)₄ ומתמוסס בעוד טיטניום, צורן וברזל נשארים כמשקע. התערובת מסוננת ומועברת למכל שיקוע שבו NaAl(OH)₄ מתגבש ל-Al(OH)₃. הגבישים נשטפים ומחוממים בכבשן לטמפרטורה של 1000 מעלות צלזיוס עד שנוצר Al₂O₃, בהתאם למשוואה הבאה:

$\ 2Al(OH)_{3(s)}\rightarrow Al_{2}O_{3(s)}+3H_{2}O_{(g)}$

תחמוצת האלומיניום עוברת אלקטרוליזה ועל הקתודה מתקבל אלומיניום נוזלי טהור (ברמת נקיות של 99%).

מיחזור אלומיניום

על מנת להפיק אלומיניום כחומר גלם תעשייתי, בתהליך הרגיל שאינו כולל מיחזור אלומיניום, יש לכרות אותו במכרות עפרת בוקסיט (Bauxite), לאחר מכן מפרידים את האלומיניום מהעפרה, מעבירים אותו תהליך מורכב, מחממים אותו ואז מעבירים אותו אלקטרוליזה – בסיומו של תהליך ארוך ויקר זה מתקבל אלומיניום שניתן לייצר ממנו דברים. זהו תהליך הצורך כמויות אדירות של אנרגיה, שמעורב בו זיהום סביבתי שונה. בעוד שמיחזור דורש רק 5% מהאנרגיה הדרושה לייצורו.

בישראל, יש כמה חברות ומפעלים העוסקים בתהליכי מיחזור אלומיניום – בעיקר חברות המייצרות פרופילי אלומיניום וממחזרים חומר גלם וכמו כן מיחזור לצורכי ייצור פחיות משקה חדשות. גרוטאות אלומיניום נאספות בישראל ונמכרות למיחזור לפי משקל, כאשר השווי לקילוגרם נגזר ממדד הבורסה למתכות בלונדון (LME) ומושפע מסוג הסגסוגת ומדרגת הניקיון של החומר.

כימיה

דרגת חימצון 1+

• AlH מיוצר בחימום אלומיניום ב-1,500 מעלות צלזיוס בסביבת מימן.
• Al₂O מיוצר בחימום Al₂O₃ עם צורן בריק בטמפרטורה של 1,800 מעלות צלזיוס.
• Al₂S מיוצר בחימום Al₂S₃ יחד עם שבבי אלומיניום בריק בטמפרטורה של 1,300 מעלות צלזיוס.
• AlF, AlCl ו-AlBr קיימים במצב צבירה גז והם מיוצרים כשתרכובת הלוגנית מחוממת עם אלומיניום.

דרגת חימצון 2+

• אלומיניום חד-חמצני (AlO) יכול להיווצר כששורפים אבקת אלומיניום בחמצן.

דרגת חימצון 3+

• ניתן להפיק אלומיניום הידריד AlH₃)_n) מ-Al(CH₃)₃ ומימן. ניתן גם לייצרו מ-AlCl₃ כשנמצא בתמיסת אתר.
• אלומיניום קרביד Al₄C₃ מופק בחימום אלומיניום ופחמן בטמפרטורה העולה על 1,000 מעלות צלזיוס.
• ניתן להפיק אלומיניום חנקתי (AlN) בחימום אלומיניום וחנקן בטמפרטורה של 800 מעלות צלזיוס או בהידרוליזה של אמוניה עם אלומיניום הידרוקסידי.
• אלומיניום זרחתי (AlP) מיוצר גם הוא בצורה דומה לזו של AlN.
• Al₂S₃ מיוצר כשמעבירים על אבקת אלומיניום מימן גופרתי (H₂S), זהו חומר רב צורתי.

סיכונים בריאותיים

על-פי רוב, אין לאלומיניום השפעה על תאים חיים. עם זאת, ישנם אנשים המפתחים אלרגיה לאלומיניום, המתבטאת בדלקת בעור, גירודים ועוד^{[דרוש מקור]}.

קיימים מחקרים המראים קשר בין ריכוזי אלומיניום גבוהים במי השתייה למחלת אלצהיימר, כמו גם למחלות ניווניות אחרות של המוח. במחקרים אחרים נמצא כי המחיצות (plaques), הנוצרות במוחותיהם של חולי אלצהיימר, מכילות לעיתים כמויות אלומיניום גדולות יחסית, אף כי טרם הוצע מנגנון המקשר בין נוכחות האלומיניום לבין המחלה.

ייחוס סיכונים מוטעה בתקשורת הפופולרית

מלחי אלומיניום נקראים על שם המתכת שממנה מתקבל היון, אך הם אינם מתכת. בעוד שאלומיניום במצבו היסודי הוא מתכת בעלת תכונות מתכתיות מובהקות, במלחי אלומיניום הוא מופיע כיון הקשור לאניונים שונים. כתוצאה מכך מתקבלות תרכובות יוניות בעלות תכונות כימיות ופיזיקליות שונות לחלוטין מאלה של מתכת אלומיניום. תרכובות כגון אלומיניום כלוריד או אלומיניום סולפט הן מלחים יציבים, ואינן מתנהגות כחומר מתכתי. על כן, ייחוס סיכונים בריאותיים למלח אלומיניום המשמש אדג'ובנט (חומר מחזק תגובה חיסונית) בחיסונים, הוא טעות, כי מדובר בחומר שונה מאלומיניום.

מחקר אפידמיולוגי רחב היקף מדנמרק, שעקב אחר למעלה ממיליון ילדים במשך כשני עשורים, בחן את בטיחותם של מלחי אלומיניום המשמשים כאדג'וונטים בחיסוני שגרה. המחקר ניצל שינויים במדיניות החיסונים לאורך השנים כ"ניסוי טבעי", שאפשר השוואה בין קבוצות אוכלוסייה שנחשפו לרמות שונות של אלומיניום ללא תלות בגורמים בריאותיים או סוציו-אקונומיים. ממצאיו הצביעו על היעדר קשר בין חשיפה לאלומיניום מחיסונים לבין התפתחות מחלות כרוניות, אסתמה או הפרעות קשב וריכוז, גם ברמות החשיפה הגבוהות ביותר במסגרת תוכניות החיסון.

ממצאים אלה מתיישבים עם גוף ידע מדעי רחב המבחין בין חשיפה רפואית מבוקרת לאלומיניום במינונים נמוכים לבין חשיפה תעשייתית או סביבתית גבוהה ומתמשכת, אשר לעיתים נקשרה להשפעות בריאותיות במחקרים אחרים. המחקר הוסיף ראיות לכך ששימוש במלחי אלומיניום בחיסונים נחשב בטוח, ואינו תומך בטענות לקשר סיבתי בינם לבין מחלות אלרגיות, נוירו-התפתחותיות או אוטואימוניות.

קישורים חיצוניים

• אלומיניום בWebelements
• ד"ר יניב עובדיה‏, האם המתכות שחודרות לאוכל שלנו מסוכנות לבריאות?, באתר וואלה, 21 באוקטובר 2019
• אלומיניום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• אלומיניום - החומר ששינה את העולם, סרטון באתר יוטיוב, 24 באוגוסט 2016
• אלומיניום, דף שער בספרייה הלאומית