Alüminyum

Alüminyum (veya aluminyum, Simgesi Al). Gümüşümsü renkte sünek bir metaldir. Atom numarası 13 tür. Doğada genellikle boksit cevheri halinde bulunur ve oksidasyona karşı üstün direnci ile tanınır. Bu direncin temelinde pasivasyon özelliği yatar. Endüstrinin pek çok kolunda milyonlarca farklı ürünün yapımında kullanılmakta olup dünya ekonomisi içinde çok önemli bir yeri vardır. Alüminyumdan üretilmiş yapısal bileşenler uzay ve havacılık sanayii için vazgeçilmezdir. Hafiflik ve yüksek dayanım özellikleri gerektiren taşımacılık ve inşaat sanayiinde geniş kullanım alanı bulur.

Özellikleri

Alüminyum, yumuşak ve hafif bir metal olup mat gümüşümsü renktedir. Bu renk, havaya maruz kaldığında üzerinde oluşan ince oksit tabakasından ileri gelir. Alüminyum, zehirleyici ve manyetik değildir. Kıvılcım çıkarmaz. Saf alüminyumun çekme dayanımı yaklaşık 49 megapascal (MPa) iken alaşımlandırıldığında bu değer 700 MPa'a çıkar. Yoğunluğu, çeliğin veya bakırın yaklaşık üçte biri kadardır. Kolaylıkla dövülebilir, makinede işlenebilir ve dökülebilir. Çok üstün korozyon özelliklerine sahip olması, üzerinde oluşan oksit tabakasının koruyucu olmasındandır.

Uygulama alanları

Dünyadaki kullanımı, hem miktar hem de değer olarak demirden sonra gelir.
Saf alüminyumun çekme dayanımı düşük olmakla birlikte, bakır, çinko, magnezyum, manganez, ve silisyum gibi pek çok elementle alaşımlandırılarak mekanik özellikleri geliştirilebilir. Yüksek dayanım/ağırlık oranlarından ötürü alüminyum alaşımları, uçak ve uzay araçlarının vazgeçilmez bileşenleridir.Kullanım alanlarından bazıları:

Ulaşım (otomobil, uçak, kamyon, tren vagonları, deniz araçları, vs.)
Ambalaj (alüminyum kutular, folyolar, vs.)
Su arıtma
İnşaat (cam, kapı, duvar, bina, vs.)
Dayanıklı tüketim aletleri (cihazlar, mutfak araç gereçleri, vs.)
Elektrik iletim hatları (alüminyum, bakırla eşit elektrik iletkenliğine sahip olup onun yarı ağırlığındadır ve fiyatı da daha ucuzdur)
Makine imalatı
Kendisi manyetik olmamakla birlikte MKM çeliği ve Alnico manyetlerinin yapımında Yüksek safiyette alüminyum (SPA, %99.98 - %99.999 Al) elektronik ve CD lerde
Toz haline getirilmiş alüminyum boyalara gümüşümsü renk vermede kullanılır. Alüminyum pulcukları (özellikle ahşap boyamada), astar boyalarına da katılabilir. Böylece kurumayla birlikte alüminyum pulcuklar su geçirmez bir tabaka oluşturur.
Anodize edilmiş alüminyumun oksidasyon direnci daha da yüksektir ve inşaat sanayinin pek çok alanında kullanılır. Kolay şekillendirilebilir oluşu ve yüksek ısı iletkenliğinden ötürü, yeni bilgisayarların CPU'larının ısı uzaklaştırıcılarında alüminyum kullanılır. Bakır ısı uzaklaştırıcıları daha küçük olmalarına karşın daha pahalı ve yapımları daha zordur.

Alüminyum oksit (alumina), doğada corundum (rubi ve safir) halinde bulunur ve cam yapımında kullanılır. Sentetik rubi ve safir, lazerlerde koherent ışık yapımında kullanılır.

Alüminyumun çok hızlı oksitlenme özelliği, katı roket yakıtı olarak ve diğer piroteknik kompozisyonların üretiminde kullanılmasına yol açar.Alüminyum aynı zamanda bir süper iletkendir. Süper iletkenliğe geçiş kritik sıcaklığı 1,2 K dir.

Tarihçe

Eski Yunanlılar ve Romalılar, alüminyumun tuzlarını, boyaların renklerini sabitleştirmede ve kan durdurucu olarak kullanmışlardır. Alum günümüz tıbbında hala kan durdurucu ve damar büzücü olarak kullanılmaktadır.

Friedrich Wöhler'in, alüminyumu, 1827'de, susuz alüminyum klorürü potasyum ile karıştırarak ayrıştıran ilk kişi olduğu bilinirse de metal, o tarihten iki sene kadar önce, Danimarkalı bir fizikçi ve kimyacı olan Hans Christian Øersted tarafından saf olmayan bir formda üretilmiştir. Dolayısıyla almanaklarda ve kimya literatüründe Øersted'in adı alüminyumu bulan kişi olarak geçer. Fransız Henri Saint-Claire Deville, 1846'da, Wöhler'in metodunu, daha pahalı olan potasyum yerine sodyum kullanarak geliştirmiştir.

Amerikalı Charles Martin Hall 1886'da, alüminyumun elektrolitik bir prosesle eldesine ilişkin bir patent başvurusunda (patent no: 400655) bulunmuş, aynı yıl, Hall'un bu buluşundan tamamen habersiz olmak üzere Fransız Paul Héroult da aynı tekniği Avrupa'da geliştirmiştir. Hall-Heroult prosesi günümüzde alüminyumun cevherinden eldesinde bütün dünyada kullanılan temel yöntemdir.



Londra'da bulunan ve Eros adıyla bilinen bu heykel, 1893'te yapılmış olup alüminyumdan üretilmiş ilk heykellerden biridir.

ABD'deki Washington abidesinin zirvesinin yapımında alüminyum kullanılması kararlaştırılmış ve o tarihte alüminyumun yaklaşık 30 gramının maliyeti bu projede çalışan bir işçinin yevmiyesinin iki katına eşdeğer olmuştur.

Adolf Hitler'in yönetime gelişinden hemen sonraki yıllarda Almanya, alüminyum üretiminde dünya lideri olmuştur. Ancak 1942'de, ABD'de yeni hidroelektrik santral projelerinin (örneğin, Grand Coulee Barajı) devreye alınması, ABD'ye Nazi Almanya'sının başedemeyeceği bir üstünlük vermiştir. Bu üstünlük, dört yıl içinde 60 bin savaş uçağı yapmaya yetecek kadar alüminyum üretimi şeklinde ortaya çıkmıştır.

Doğada bulunuşu

Yerkabuğunda bol miktarda (%7,5 - 8,1) bulunmasına rağmen serbest halde çok nadir bulunur ve bu nedenle bir zamanlar altından bile daha kıymetli görülmüştür. Alüminyumun ticari olarak üretiminin tarihi 100 yıldan biraz fazladır.Alüminyum ilk keşfedildiği yıllarda cevherinden ayrıştırılması çok zor olan bir metal idi. Alüminyum rafine edilmesi en zor metallerden biridir. Bunun nedeni, çok hızlı oksitlenmesi, oluşan bu oksit tabakasının çok kararlı oluşu ve demirdeki pasın aksine yüzeyden sıyrılmayışıdır.

Alüminyumun hurdalardan geri kazanımı, günümüz alüminyum endüstrisinin önemli bir bileşeni haline gelmiştir. Geri kazanım prosesi, metalin basitçe tekrar ergitilmesi esasına dayanır, ki bu yöntem metalin cevherinden üretimine nazaran çok daha ekonomiktir. Alüminyum rafinasyonu çok yüksek miktarlarda elektrik enerjisi gerektirir, buna karşılık geri kazanım prosesi, üretiminde kulanılan enerjinin %5'ini harcar. Geri kazanım prosesi 1900'lü yılların başlarından beri uygulanmakta olup yeni değildir. 1960'lı yılların sonlarına kadar düşük profilli bir faaliyet olarak devam eden geri kazanım olgusu, bu tarihte içecek kutularının alüminyumdan yapılmaya başlanması ile gündeme daha yoğun şekilde gelmiştir. Diğer geri döndürülen alüminyum kaynakları arasında otomobil parçaları, pencere ve kapılar, cihazlar, ve konteynerler sayılabilir.

Alüminyum reaktif bir metal olup cevherinden (alüminyum oksit, Al2O3) kazanımı çok zordur. Örneğin, karbonla doğrudan redüksiyonu, alüminyum oksitin ergime sıcaklığı yaklaşık 2000°C olduğundan ekonomik olmaktan uzaktır. Dolayısıyla, alüminyum elektroliz yöntemiyle kazanılır. Bu yöntemde alüminyum oksit, ergimiş kriyolit içinde çözündürülür ve daha sonra saf metale redüklenir. Bu yöntemde redüksiyon hücrelerinin çalışma sıcaklığı 950-980°C civarındadır. Kriyolit, Grönland adasında bulunan doğal bir mineraldir fakat alüminyum üretimi için sentetik olarak yapılır. Kriyolit, alüminyum ve sodyumun florürlerinin bir karışımı olup formülü Na3AlF6 şeklindedir. Alüminyum oksit (beyaz toz), yaklaşık %30-40 demir içerdiği için kırmızı renkli olan boksitin rafinasyonu ile üretilir. Bu işlemin adı Bayer prosesidir ve daha önceleri kullanılmakta olan Deville prosesinin yerini almıştır.

Wöhler prosesinin yerini alan elektroliz yönteminde her iki elektrot da karbondan yapılmıştır. Cevher bir kez ergimiş hale geldikten sonra iyonlar serbestçe dolaşmaya başlarlar. Negatif elektrotta (katot) gerçekleşen reaksiyon:

Al3+ + 3e- → Al

olup alüminyum iyonunun elektron alarak redüklendiğini gösterir. Alüminyum metali daha sonra hücrenin tabanına sıvı halde çöker ve buradan sifonlanarak dışarı alınır.Öte yandan, pozitif elektrotta (anot) oksijen gazı oluşur:

2O2- → O2 + 4e-

Anot karbonu bu oksijen ile oksitlenerek tükenir ve dolayısıyla düzenli aralıklarla yenilenmesi gerekir:

O2 + C → CO2

Katotlar elektroliz işlemi sırasında, anotların tersine, tükenmezler çünkü katotta oksijen çıkışı olmaz. Katodun karbonu, hücre içinde sıvı alüminyum ile örtülmüş olduğu için korunmalıdır. Öte yandan katotlar, elektrokimyasal prosesler gereği erozyona uğrarlar. Elektrolizde uygulanan akıma bağlı olarak, hücelerin 5-10 yılda bir tümüyle yenilenmesi gerekir.

Hall-Héroult prosesiyle alüminyum elektrolizi çok fazla elektrik enerjisi tüketirse de, alternatif yöntemler gerek ekonomik gerekse ekolojik olarak uygulanabilirlikten uzaktırlar. Dünya genelinde, ortalama spesifik enerji tüketimi, kg Al başına yaklaşık 15±0.5 kilowatt-saat dir (52-56 MJ/kg). Modern tesislerde bu rakam yaklaşık 12.8 kW·h/kg (46.1 MJ/kg) civarındadır. Redüksiyon hattının taşıdığı elektrik akımı, eski teknolojilerde 100-200 kA iken bu değer, modern tesislerde 350 kA'e kadar çıkmış olup 500 kA'lik hücrelerde deneme çalışmaları yapıldığı bilinmektedir.

Alüminyum üretim maliyetinin %20-40'ını, tesisin bulunduğu yere göre değişmek üzere, elektrik enerjisi oluşturmaktadır. Bu nedenle alüminyum üreticisi işletmeler, Güney Afrika, Yeni Zelanda'nın Güney Adası, Avustralya, Çin, Orta Doğu, Rusya, İzlanda, Kanada'da Quebec gibi elektrik enerjisinin bol ve ucuz olduğu bölgelere yakın olmak eğilimindedirler.

Çin 2004 itibarıyla, alüminyum üretiminde dünya lideridir.

Güvenlik önlemleri

Alüminyumun canlı hücreler üzerinde yararlı bir işleve sahip olduğu gözlemlenmemiştir. Bazı kişilerde, alüminyumun herhangi bir formundan kaynaklanabilen temas dermatiti (deri iltihabı), stiptik (kan durdurucu) veya ter önleyici ürünler kullanımıyla birlikte ortaya çıkan kaşıntılı kızarıklık, alüminyum tencerelerde pişen yemeklerin yenmesiyle ortaya çıkan sindirim bozuklukları ve besinlerin emiliminin durması, ve Rolaids, Amphojel, ve Maalox gibi antasit (asit giderici) ilaçların kullanımıyla ortaya çıkan kusma vb. gibi zehirlenme belirtileri şeklinde alerjik reaksiyonlar yaratabilir. Diğer kişilerde alüminyum, ağır metaller kadar zehirli olmasa da ve alüminyumdan yapılmış mutfak gereçleri kullanımının (yüksek korozyon direnci ve iyi ısı iletkenliği nedeniyle tercih edilir), genelde alüminyum zehirlenmesine yol açtığı kanıtlanmamış olsa da, yüksek dozlarda alındığında zehirlenme belirtileri gösterebilir. Alüminyum bileşikleri içeren antasitlerin aşırı dozda tüketimi ve alüminyum içeren ter önleyicilerin aşırı miktarda kullanımı zehirlenme nedeni olabilir. Alüminyumun Alzheimer hastalığına yol açtığı iddia edilmişse de o araştırma, tam tersine, Alzheimer hastalığının neden olduğu tahribatın, vücutta alüminyum birikimine yol açtığı şeklinde çürütülmüştür. Özetle, eğer alüminyum zehirlenmesi varsa bunun oldukça spesifik bir mekanizma ile gerçekleşmesi gerekir. Zira insanın yaşamı boyunca, toprakta doğal kil mineralinin içindeki alüminyum ile olan teması zaten yeterince yüksektir.

Alüminyumun, onun hızla korozyona uğramasına neden olan bazı kimyasallarla temas etmesinden kaçınmak gerekir. Örneğin, bir parça alüminyumun yüzeyine damlatılan çok küçük bir miktar civa, koruyucu alüminyum oksit tabakasını kolayca deler ve birkaç saat içinde devasa yapı kirişleri bile önemli derecede zayıflayabilir. Bu nedenle, pek çok havayolu şirketi, uçakların yapısal iskeletinde alüminyum önemli bir yer tuttuğu için civalı termometrelere izin vermemektedir.

Kimyası

Oksidasyon kademesi 1

Alüminyum hidrojen atmosferi altında 1500°C ye ısıtıldığında AlH üretilir.
Alüminyumun normal oksidi (Al2O3) silisyum ile 1800°C de vakum altında ısıtıldığında Al2O üretilir.
Al2S3 ün alüminyum talaşları ile 1300°C de vakum altında ısıtılması ile Al2S üretilir. Ancak hızlıca başlangıç maddelerine ayrışır. İki değerlikli selenyum da benzer şekilde yapılır.
Üç değerlikli halojenürleri, alüminyum ile ısıtıldıklarında AlF, AlCl ve AlBr gaz fazında elde edilebilir.

Oksidasyon kademesi 2

Alüminyum tozu oksijenle yandığında alüminyum alt-oksidinin (AlO) varlığı gösterilebilir.

Oksidasyon kademesi 3

Fajans kuralı, basit bir üç değerlikli katyonun (Al3+) susuz tuzlarda veya Al2O3 gibi ikili bileşiklerde bulunamayacağını gösterir. Hidroksit zayıf bir bazdır ve karbonat gibi
zayıf baz olan aluminyum tuzları hazırlanamaz. Nitrat gibi kuvvetli asit tuzları kararlı ve suda çözünürdürler. En az altı moleküllü hidratlar oluştururlar.
Alüminyum hidrür (AlH3)n, trimetil-alüminyum ve aşırı oksijen kullanarak üretilebilir. Havada patlayarak yanar. Alüminyum klorürün eter çözeltisi içinde lityum hidrürle muamelesi sonucu da üretilebilir. Ancak çözücüden ayrıştırılamaz.
Alüminyum karbür (Al4C3) elementlerin oluşturduğu karışımın 1000°C nin üzerine ısıtılması ile üretilebilir. Açık sarı renkli kristallerinin kompleks bir kafes yapısı vardır ve su veya seyreltik asitle metan gazı verirler. Asetilit (Al2(C2)3), ısıtılmış alüminyum üzerinden asetilen geçirmek suretiyle üretilir.
Alüminyum nitrür (AlN), elementlerinden 800°C de üretilebilir. Su ile hidrolize olarak amonyak ve alüminyum hidroksit verir.
Alüminyum fosfit (AlP), benzer şekilde yapılır ve fosfin vererek hidrolize olur.
Alüminyum oksit (Al2O3), doğada korundum olarak bulunur ve alüminyumun oksijenle yakılması veya hidroksit, nitrat veya sülfatının ısıtılmasıyla elde edilir. Kıymetli taş olarak sertliği elmas, bor nitrür ve karborundum'dan sonra gelir. Suda hemen hemen hiç çözünmez.
Alüminyum hidroksit, bir alüminyum tuzunun sulu çözeltisine amonyak ilavesi yoluyla jelatinimsi bir çökelek şeklinde elde edilebilir. Amfoteriktir; hem çok zayıf bir asit olup hem de alkalilerle alüminatlar yapar. Değişik kristal formlarında bulunur.
Alüminyum sülfür (Al2S3), alüminyum tozu üzerinden hidrojen sülfür geçirerek üretilebilir. Polimorfiktir.
Alüminyum florür (AlF3), hidroksitinin HF ile muamelesi sonucu veya elementlerinden üretilir. 1291°C de ergimeksizin gaz fazına geçen dev bir molekül yapısına sahiptir. Çok inerttir. Diğer üç değerli halojenürleri dimerik ve köprü benzeri yapıdadırlar.
Ampirik formülü AlR3 olan organo-metalik bileşikleri vardır ve dev yapılı moleküller değilse de en azından dimerik veya trimeriktirler. Organik sentez alanında (örneğin, trimetil alüminyum) kullanılırlar.
Alümino-hidrürler bilinen en elektro-pozitif yapılardır. İçlerinde en kullanışlı olan lityum alüminyum hidrür'dür (Li[AlH4]). Isıtıldığında lityum hidrür, alüminyum ve hidrojene parçalanır ve su ile hidrolize olur. Organik kimyada pek çok kullanım alanı vardır. Alümino-halojenürler de benzer yapıya sahiptirler.

Adı üzerine

İngilizce konuşulan ülkelerde, adının hem aluminium hem de aluminum şeklinde yazılması ve uygun tarzda okunması yaygındır. ABD'de aluminium pek bilinmemekte ve daha çok aluminum kullanılmaktadır. ABD'nin dışındaki diğer ülkelerde ise durum tam tersine olup aluminium şeklinde yazılış tarzı daha iyi bilinmektedir. Ancak Kanada'da her iki yazılış tarzı da yaygındır.
İngilizcenin hakimiyeti dışındaki ülkelerde ise "ium" şeklindeki yazılış daha yaygındır. Hem Almanca hem de Fransızcada sözcük aluminium şeklindedir."International Union of Pure and Applied Chemistry" (IUPAC) organizasyonu 1990 da aluminium kullanımını, dünya standardı olarak onaylamıştır. Ancak üç yıl sonra aluminum sözcüğünü de kabul edilebilir bir terim olarak tasdik etmiştir.