الألمنيوم | الفلز الفضي الذي غزا السماء والأرض - من حلي الملوك إلى هياكل الطائرات وثورة التعبئة والتغليف

حسين علي حياوي المؤذن
كاتب روائي باحث سياسي
(Hussein Ali Hayawi Al-mu’adhin)

الحوار المتمدن-العدد: 8753 - 2026 / 7 / 1 - 16:51
المحور: التربية والتعليم والبحث العلمي
    

يأتي الألمنيوم أو الألومنيوم، الذي يحمل الرمز Al والعدد الذري 13، ثالث عشر العناصر في الجدول الدوري، وهو أول عنصر في مجموعة البورون يبدأ بملء المدار p بعد اكتمال غلاف النيون. يتميز الألومنيوم بكونه فلزاً أبيض فضي اللون، خفيف الوزن، مطيلياً وقابلاً للطرق، وهو أكثر الفلزات وفرة في القشرة الأرضية على الإطلاق، حيث يشكل حوالي 8.23% من كتلة القشرة الصلبة، متقدماً بذلك على الحديد والنحاس والزنك والرصاص وجميع الفلزات الأخرى. الكتلة الذرية للألومنيوم هي 26.9815386 غراماً لكل مول، وكثافته المنخفضة تبلغ 2.70 غراماً لكل سنتيمتر مكعب عند درجة حرارة الغرفة، أي أنه أخف بحوالي الثلث من الحديد (7.87) وأخف بحوالي 30% من النحاس (8.96)، ولهذا فهو الفلز الهيكلي المثالي للتطبيقات التي تتطلب خفة الوزن مع قوة معقولة. نقطة انصهار الألومنيوم هي 660.32 درجة مئوية، وهي منخفضة نسبياً مقارنة بالحديد (1538 درجة مئوية) ولكنها أعلى من المغنيسيوم (650 درجة مئوية)، ونقطة غليانه تبلغ 2519 درجة مئوية.

الألومنيوم هو فلز الحضارة الحديثة بامتياز. هو الذي حمل الطائرات إلى عنان السماء وجعل السفر الجوي ممكناً، وهو الذي غلف ملايين الأطنان من الأغذية والمشروبات في رقائق وعلب خفيفة تحميها من التلف، وهو الذي بنى واجهات ناطحات السحاب اللامعة، وهو الذي يشكل قلوب محركات السيارات وهياكلها، وهو الذي يصنع منه أغلفة الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة التي نمسكها بأيدينا كل يوم. الألومنيوم هو ثاني أكثر المعادن استخداماً في العالم بعد الحديد، ويبلغ إنتاجه السنوي أكثر من 64 مليون طن، وهو يتفوق على جميع الفلزات غير الحديدية من حيث حجم الإنتاج والاستهلاك. لكن الألومنيوم لم يكن دائماً بهذه الوفرة والرخاء؛ فقبل قرن ونصف فقط، كان الألومنيوم أغلى من الذهب، وكان الملوك والأباطرة يتفاخرون بأوانيهم المصنوعة من هذا الفلز الفضي النادر، حتى أن نابليون الثالث كان يقدم مأدباته على أطباق من الألومنيوم لضيوفه الكرام بينما يستخدم أطباقاً ذهبية لضيوفه الأقل أهمية. لكن الثورة الصناعية في مجال استخلاص الألومنيوم، وخاصة اختراع عملية هول-هيرو في عام 1886، قلبت المعادلة رأساً على عقب، وحولت الألومنيوم من معدن ثمين إلى سلعة رخيصة متاحة للجميع. اليوم، يستهلك الفرد الواحد في الدول المتقدمة ما بين 350 إلى 500 كيلوغرام من الألومنيوم خلال حياته، في شكل سيارات، ومباني، وأجهزة إلكترونية، وعبوات غذائية. لكن هذا الانتشار الهائل له ثمن بيئي باهظ: إنتاج الألومنيوم الأولي يستهلك كميات هائلة من الطاقة الكهربائية (حوالي 5% من إنتاج الكهرباء في الولايات المتحدة) وينبعث منه كميات كبيرة من غازات الدفيئة. ومع ذلك، فإن الألومنيوم يتمتع بميزة فريدة: إمكانية إعادة تدويره إلى ما لا نهاية دون أن يفقد خواصه، وإعادة تدويره تستهلك فقط 5% من الطاقة اللازمة لإنتاجه من الخام، مما يجعله أحد أكثر المواد استدامة في الاقتصاد الدائري الحديث.

قصة اكتشاف الألومنيوم وعزلته هي واحدة من أطول القصص وأكثرها تعقيداً في تاريخ الكيمياء، وتمتد على مدى أكثر من ألفي عام، وترتبط بأسماء بعض من أعظم العقول العلمية في التاريخ. تعود البدايات إلى العصور القديمة، حيث عرف الإنسان أملاح الألومنيوم منذ آلاف السنين. كان ملح الشب (alum)، وهو كبريتات الألومنيوم والبوتاسيوم المزدوجة KAl(SO₄)₂·12H₂O، معروفاً لدى المصريين القدماء والإغريق والرومان، واستخدموه في تثبيت الأصباغ على الأقمشة، وفي دباغة الجلود، وكعامل مرقئ للجروح. دوّن المؤرخ اليوناني هيرودوت في القرن الخامس قبل الميلاد استخدامات ملح الشب، وكانت تجارة هذا الملح مزدهرة بين دول شرق المتوسط وأوروبا حتى أواسط القرن الخامس عشر. في القرن السادس عشر، حاول الكيميائيون مثل باراسيلسوس وأندرياس ليبافيوس تحليل تركيب ملح الشب، لكنهم لم يتمكنوا من التعرف على العنصر الأساسي فيه. في عام 1722، أعلن الكيميائي الألماني فريدريش هوفمان أن ملح الشب يحتوي على "تربة" مميزة تختلف عن الترب المعروفة الأخرى. لكن الاختراق الحقيقي جاء في عام 1754، عندما تمكن الكيميائي الألماني أندرياس سيغيسموند مارغراف من تحضير الألومينا (أكسيد الألومنيوم) النقية عن طريق غليان الصلصال (الغضار) في حمض الكبريتيك ثم إضافة البوتاس. أدرك مارغراف أن هذه الألومينا تحتوي على عنصر جديد، لكنه لم يتمكن من عزل الفلز نفسه. استمرت محاولات عزل الألومنيوم الفلزي لعقود. حوالي عام 1760، بدأت المحاولات الأولى للحصول على فلز الألومنيوم، لكنها باءت بالفشل.

أول محاولة ناجحة نسبياً لعزل الألومنيوم كانت من إنجاز الكيميائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد في عام 1825. قام أورستد بتفاعل كلوريد الألومنيوم اللامائي مع ملغمة البوتاسيوم، وحصل على كتلة من فلز يشبه القصدير في مظهره. نشر أورستد نتائجه في العام التالي وعرض عينة من الفلز الجديد على العموم. لكن الكمية التي حصل عليها كانت ضئيلة، والفلز كان غير نقي. في عام 1827، كرر الكيميائي الألماني فريدرش فولر تجارب أورستد عدة مرات، ونجح في الحصول على مسحوق من الألومنيوم، وفي عام 1845 تمكن من الحصول على قطع من الفلز وقدم وصفاً علمياً دقيقاً لخواصه الفيزيائية. بسبب هذه الإنجازات، اعتبر الكثيرون فولر مكتشف الألومنيوم لعدة سنوات. لكن الطرق التي استخدمها أورستد وفولر كانت غير تجارية، ولم تنتج سوى كميات ضئيلة من الفلز، مما جعل الألومنيوم أغلى من الذهب.

في عام 1854، بدأ الكيميائي الفرنسي هنري إتيان سانت كلير ديفيل في تطوير طريقة أكثر اقتصاداً لإنتاج الألومنيوم. اكتشف ديفيل أنه يمكن اختزال ثلاثي كلوريد الألومنيوم باستخدام الصوديوم بدلاً من البوتاسيوم، مما خفض التكاليف بشكل كبير. أسس ديفيل أول إنتاج صناعي للألومنيوم في عام 1856، لكن الفلز الذي حصل عليه كان لا يزال غير نقي وكانت خواص العينات متفاوتة. ومع ذلك، كان الألومنيوم لا يزال نادراً وباهظ الثمن، واستخدم في المجوهرات والحلي والأواني الفاخرة. لكن الثورة الحقيقية في إنتاج الألومنيوم جاءت في عام 1886، عندما تمكن كل من بول هيرو في فرنسا وتشارلز هول في الولايات المتحدة، وبشكل مستقل ومنفصل، من تطوير عملية هول-هيرو الشهيرة. تعتمد هذه العملية على التحليل الكهربائي للألومينا (أكسيد الألومنيوم) المذابة في الكريوليت المنصهر، مما ينتج فلز الألومنيوم النقي. في العام نفسه، كان هول يبلغ من العمر 23 عاماً فقط، وكان يعمل في حظيرة خلف منزله في أوهايو، بينما كان هيرو يعمل في مختبر والده في باريس. كلاهما توصل إلى نفس الفكرة العبقرية في نفس الوقت تقريباً، دون أن يعلم أحدهما بالآخر. بعد ثلاث سنوات، في عام 1889، اكتشف الكيميائي النمساوي كارل يوزف باير طريقة لتنقية البوكسيت للحصول على الألومينا النقية، وهي عملية باير التي لا تزال تستخدم حتى اليوم. يشكل هاتان العمليتان (باير وهول-هيرو) العمود الفقري لصناعة الألومنيوم الحديثة. مع اندلاع الحربين العالميتين الأولى والثانية، ازدادت أهمية الألومنيوم بشكل هائل بسبب استخدامه في صناعة الطائرات. في أواسط القرن العشرين، وجد الألومنيوم طريقه إلى معدات الحياة اليومية، من رقائق الألومنيوم إلى العبوات، متفوّقاً على النحاس في العديد من التطبيقات. مع بداية عصر الفضاء، دخل الألومنيوم في تركيب الأقمار الاصطناعية والمركبات الفضائية. ازداد إنتاج الألومنيوم في القرن العشرين بشكل متسارع، حتى دخل في سبعينيات القرن العشرين بورصة لندن للمعادن كسلعة قابلة للتداول. في عام 2013، وصل الإنتاج العالمي من الألومنيوم إلى 50 مليون طن متري، وفي عام 2019 تجاوز 64 مليون طن.

أما بالنسبة لأصل تسمية الألومنيوم، فهي قصة مثيرة للجدل اللغوي والعلمي. يطلق على هذا العنصر في أغلب دول العالم اسم "ألومنيوم" (aluminium)، بينما في الولايات المتحدة وكندا يسمى "ألومنوم" (aluminum). كلتا التسميتين مشتقتان من كلمة "alumine" الفرنسية، وهي بدورها مشتقة من "alumina" اللاتينية التي تشير إلى أكسيد الألومنيوم. كلمة "alumen" اللاتينية تشير إلى ملح الشب، وهي مشتقة من الجذر الهندي الأوروبي البدائي "alu" الذي يعني "مر". يعود الفضل في إطلاق تسمية هذا العنصر إلى الكيميائي الإنجليزي العظيم السير همفري ديفي، الذي أجرى العديد من التجارب لعزل الفلز. في عام 1808، اقترح ديفي في بحث نشره في المداولات الفلسفية للجمعية الملكية اسم "alumium" للعنصر الجديد، لكن الكيميائيين في فرنسا وألمانيا والسويد اعترضوا على هذا الاسم، مشيرين إلى أن الفلز ينبغي أن يُسمى نسبة إلى أكسيده "alumina" وليس نسبة إلى "alum". في عام 1811، نشر الكيميائي السويدي يونس ياكوب بيرسيليوس بحثاً باللغة الفرنسية استخدم فيه اسم "aluminium"، وظهرت هذه التسمية أيضاً في ملخص لإحدى محاضرات ديفي في الجمعية الملكية في نفس العام. في عام 1812، نشر ديفي كتاباً تعليمياً للكيمياء استخدم فيه لفظ "aluminum". منذ ذلك الحين، تداخل استخدام التسميتين لهذا العنصر. في عام 1925، اعتمدت الجمعية الكيميائية الأمريكية تسمية "aluminum"، بينما اعتمد الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) تسمية "aluminium" في عام 1990، ثم اعترف في عام 1993 بتسمية "aluminum" كبديل مقبول. في العالم العربي، يستخدم اسم "ألومنيوم" في أغلب الأقطار، وهو الاسم المتوافق مع التسمية الدولية.

من ناحية الوفرة الطبيعية والتوزيع، الألومنيوم هو العنصر الأكثر وفرة بين الفلزات في القشرة الأرضية، وثالث أكثر العناصر وفرة بعد الأكسجين والسيليكون. يشكل الألومنيوم حوالي 8.23% من كتلة القشرة الأرضية، ويوجد في وشاح الأرض بنسبة 2.38%. لكن الألومنيوم لا يوجد في الطبيعة بشكله الفلزي الحر أبداً، وذلك بسبب ألفته الكيميائية القوية تجاه الأكسجين. بدلاً من ذلك، يوجد الألومنيوم في العديد من المعادن، وأهمها معادن السيليكات مثل الفلسبار، وهي أكثر مجموعات المعادن شيوعاً في القشرة الأرضية، على شكل ألومينوسيليكات. تدخل الألومينوسيليكات في تركيب الصلصال (الغضار) وصخور النايس والغرانيت. يوجد الألومنيوم أيضاً في معادن أخرى مثل البيريل والكريوليت والغارنيت والإسبينل والفيروز. أكسيد الألومنيوم Al₂O₃ (الألومينا) يوجد طبيعياً على شكل معادن مثل الكورندم (القرند)، وهو معدن صلب مرتفع درجة الانصهار. عندما يكون الكورندم مشوباً بآثار من فلزات انتقالية مثل الكروم أو الحديد، يتشكل الياقوت الأحمر والياقوت الأزرق على الترتيب. توجد أيضاً أكاسيد هيدروكسيدية للألومنيوم (AlO(OH))، والمعدنان الرئيسيان هما البوميت والدياسبور؛ أما أشهر معادن الهيدروكسيدات الثلاثية فهو الجبسيت.

على الرغم من أن الألومنيوم شائع ومنتشر في عدد كبير من المعادن، إلا أن ليست كلها تعتبر مصادر اقتصادية للاستخراج. يُنتَج فلز الألومنيوم بشكل شبه كامل من معدن خام البوكسيت AlOx(OH)₃₋₂ₓ. يتكون البوكسيت نتيجة تجوية أديم الأرض التي تحتوي على نسبة قليلة من الحديد والسيليكا في ظروف مناخية مدارية. توجد كميات كبيرة من البوكسيت في أستراليا والبرازيل وغينيا وجامايكا وغانا وإندونيسيا وروسيا وسورينام. في الكون، يأتي الألومنيوم في المرتبة الثانية عشرة من حيث ترتيب العناصر في المجموعة الشمسية. النظير الوحيد والمستقر للألومنيوم هو ألومنيوم-27 ²⁷Al، وهو النظير الثامن عشر من حيث وفرة النويدات في الكون، وينشأ بشكل شبه كامل من اندماج الكربون في النجوم العملاقة التي ستصبح لاحقاً مستعراً أعظم. كان النظير المشع ألومنيوم-26 ²⁶Al موجوداً في المجموعة الشمسية بوفرة 0.005% بالنسبة إلى النظير ²⁷Al، لكن عمر النصف القصير نسبياً (728,000 سنة) بالنسبة لعمر الكون حال دون بقائها، لذلك يعتبر نويدة مشعة منقرضة.

بالانتقال إلى الخواص الفيزيائية والذرية للألومنيوم، نجد فلزاً خفيفاً نموذجياً يتمتع بمزيج فريد من الخصائص التي تجعله لا غنى عنه في التطبيقات الهندسية. ترتيبه الإلكتروني هو [Ne] 3s² 3p¹، أي أن لديه ثلاثة إلكترونات تكافؤ في الغلاف الثالث بعد غلاف النيون المغلق. طاقة التأين الأولى للألومنيوم هي 577.5 كيلوجول لكل مول، والثانية 1816.7، والثالثة 2744.8 كيلوجول لكل مول. الألومنيوم عادةً ما يشكل مركباته في حالة الأكسدة +3. السالبية الكهربية للألومنيوم على مقياس بولنغ هي 1.61، وهي أعلى من المغنيسيوم (1.31) وأقل من السيليكون (1.90). نصف القطر الذري للألومنيوم هو 143 بيكومتر، ونصف القطر التساهمي 121 بيكومتر، ونصف قطر فان دير فالس 184 بيكومتر. البنية البلورية للألومنيوم هي مكعب مركزي الوجه (FCC)، وهي بنية شائعة في الفلزات القابلة للطرق. الألومنيوم مغناطيسي مساير (paramagnetic)، ومقاومته الكهربائية 28.2 نانوأوم·متر عند 20 درجة مئوية. الناقلية الحرارية للألومنيوم عالية جداً، حيث تبلغ 237 واط لكل متر لكل كلفن عند 300 كلفن، مما يجعله مادة ممتازة لتبديد الحرارة في المشتتات الحرارية للإلكترونيات. معامل التمدد الحراري للألومنيوم هو 23.1 ميكرومتر لكل متر لكل كلفن، وسرعة الصوت فيه حوالي 5,000 متر في الثانية. معامل يونغ للألومنيوم هو 70 غيغاباسكال، ومعامل القص 26 غيغاباسكال، ومعامل الحجم 76 غيغاباسكال. صلادة الألومنيوم على مقياس موس هي 2.75 فقط، أي أنه فلز طري نسبياً، لكنه قابل للسحب والطرق بدرجة عالية. كثافة الألومنيوم عند درجة حرارة الغرفة هي 2.70 غرام لكل سنتيمتر مكعب， وكثافته في الحالة السائلة عند نقطة الانصهار هي 2.375 غرام لكل سنتيمتر مكعب. نقطة انصهار الألومنيوم هي 660.32 درجة مئوية (933.47 كلفن)، ونقطة غليانه 2519 درجة مئوية (2792 كلفن). حرارة الانصهار للألومنيوم هي 10.71 كيلوجول لكل مول، وحرارة التبخر 294.0 كيلوجول لكل مول، والسعة الحرارية المولية 24.200 جول لكل مول لكل كلفن.

الخواص الكيميائية للألومنيوم تجعله فلزاً نشطاً لكنه محمي بطبقة أكسيد رقيقة وكثيفة. يتمتع الألومنيوم بألفة كيميائية كبيرة تجاه الأكسجين، مما يؤدي إلى تشكيل طبقة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) على سطحه تعمل على تخميله. هذه الطبقة الأكسيدية، التي لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات، شفافة وتلتصق بقوة بالسطح الفلزي، وتحجب الأكسجين والماء عن الفلز تحتها، مما يجعل الألومنيوم مقاومًا ممتازًا للتآكل في الظروف العادية. لكن هذه الطبقة تذوب في الأحماض القوية والقلويات القوية، مما يعرّض الفلز للهجوم. يتفاعل الألومنيوم مع حمض الهيدروكلوريك المخفف وحمض الكبريتيك المخفف ليملح ألومنيوم ويطلق غاز الهيدروجين. مع حمض النيتريك المركز، يتخمّل الألومنيوم (أي يصبح خاملاً) بسبب تشكل طبقة أكسيد كثيفة، وهي خاصية تستخدم في حفظ حمض النتريك في أوعية من الألومنيوم. لكن الألومنيوم يذوب بسهولة في المحاليل القلوية القوية مثل هيدروكسيد الصوديوم، ليشكل ألومينات الصوديوم NaAl(OH)₄ ويطلق الهيدروجين. هذا السلوك المذبذب (الأمفوتيري) للألومنيوم، أي قدرته على التفاعل مع كل من الأحماض والقلويات، هو خاصية مميزة لهذا الفلز، ويشاركه فيها عدد قليل من العناصر الأخرى مثل الزنك والرصاص والقصدير. عند تسخينه في الهواء أو الأكسجين، يحترق الألومنيوم بلهب أبيض ساطع، محترقاً ليشكل أكسيد الألومنيوم مع إطلاق كمية هائلة من الحرارة (تفاعل ألومينوثرمي)، وهو تفاعل يستخدم في لحام القضبان الحديدية وفي إنتاج بعض الفلزات المنصهرة.

من ناحية النظائر، الألومنيوم الطبيعي يتكون من نظير واحد مستقر فقط، وهو ألومنيوم-27 ²⁷Al، الذي يشكل 100% من الألومنيوم الطبيعي. هذا التجانس النظائري نادر بين العناصر، فمعظم العناصر لديها نظيران مستقران أو أكثر. النظير ²⁷Al له دوران مغزلي (spin) 5/2، مما يجعله حساساً في الرنين المغناطيسي النووي (²⁷Al NMR)، وهو تقنية تحليلية مهمة في الكيمياء اللاعضوية والجيوكيمياء وعلوم المواد، لدراسة بنية المركبات المحتوية على الألومنيوم في المحاليل وفي الحالة الصلبة. النظير المشع ألومنيوم-26 ²⁶Al له عمر نصف 7.17×10⁵ سنة، ويتحلل بإصدار بوزيترون (β⁺) أو بالتقاط إلكترون إلى مغنيسيوم-26 ²⁶Mg. هذا النظير يستخدم في علم الجيولوجيا الكونية لتأريخ النيازك وتحديد عمر النظام الشمسي المبكر، لأنه كان موجوداً في السديم الشمسي البدائي بكميات قابلة للقياس. النظائر المشعة الأخرى للألومنيوم (²⁴Al، ²⁵Al، ²⁸Al، ²⁹Al، ³⁰Al) كلها قصيرة العمر وليس لها تطبيقات عملية تذكر.

طرق تحضير الألومنيوم الفلزي تطورت بشكل جذري منذ أيام أورستد وفولر. اليوم، يعتمد إنتاج الألومنيوم بشكل حصري تقريباً على عمليتين متتاليتين: عملية باير لتنقية البوكسيت إلى ألومينا، وعملية هول-هيرو لاختزال الألومينا إلى فلز الألومنيوم. تبدأ عملية باير بطحن البوكسيت ومزجه مع محلول ساخن من هيدروكسيد الصوديوم. تحت الضغط والحرارة، يذوب هيدروكسيد الألومنيوم في البوكسيت ليشكل محلولاً من Al(OH)₄⁻، بينما تترسب الشوائب (أكاسيد الحديد والسيليكا والتيتانيوم) وتفصل. بعد تبريد المحلول وتخفيف الضغط، تُضاف كميات صغيرة من نوى بلورات هيدروكسيد الألومنيوم، مما يسبب ترسيب Al(OH)₃. ثم يُسخن هيدروكسيد الألومنيوم ليتحول إلى أكسيد الألومنيوم (الألومينا) Al₂O₃. تُجرى عملية باير عادة في مصافي بالقرب من مناجم البوكسيت، لأنها تستهلك كميات كبيرة من الطاقة الحرارية وتنتج كميات ضخمة من المخلفات القلوية (الطمي الأحمر) التي تشكل تحدياً بيئياً كبيراً.

أما عملية هول-هيرو، فتُجرى في مصاهر الألومنيوم، والتي عادة ما تكون قريبة من مصادر الطاقة الكهربائية الرخيصة. في هذه العملية، تُذاب الألومينا في مزيج من مصهور الكريوليت Na₃AlF₆ مع فلوريد الكالسيوم عند درجات حرارة تتراوح بين 950 و980 درجة مئوية. ثم يُخضع المزيج إلى التحليل الكهربائي، حيث تُستخدم مصاعد (أنودات) من الغرافيت النقي ومهابط (كاثودات) من الأنثراسيت. يمر تيار كهربائي قوي (100,000-300,000 أمبير) عبر المصهور، فتختزل أيونات الألومنيوم (Al³⁺) عند المهبط لتشكل فلز الألومنيوم المنصهر الذي يترسب في قعر الخلية، بينما تتأكسد أيونات الأكسجين عند المصعد لتتفاعل مع الكربون مكونة ثاني أكسيد الكربون. يبلغ العمر الافتراضي للخلايا بين 2 و6 سنوات. يُنتج الألومنيوم وفق هذه العملية بنقاوة تزيد عن 99%، ويمكن تنقيته كهربائياً لاحقاً وفق عملية هوبس للحصول على نقاوة تزيد عن 99.99%. تستهلك عملية هول-هيرو كميات هائلة من الطاقة الكهربائية؛ إذ يحتاج كل كيلوغرام من الألومنيوم الخام ما بين 12.9 إلى 17.7 كيلوواط ساعي من الكهرباء. تمثل تكلفة الكهرباء حوالي 20-40% من تكاليف إنتاج الألومنيوم، وتستهلك العملية في الولايات المتحدة حوالي 5% من الطاقة الكهربائية المولدة. هناك سعي دائم للبحث عن بدائل أوفر لإنتاج الألومنيوم، لكن ذلك لم يكلل بالنجاح حتى الآن. على سبيل المثال، جرى اقتراح استخراج أكسيد الألومنيوم من معادن الألومينوسيليكات، لكن التكاليف لا تزال مرتفعة. التوزيع الجغرافي للإنتاج يتغير باستمرار؛ ففي عام 2019، تصدرت الصين الدول المنتجة للألومنيوم بـ 36 مليون طن، تليها الهند (3.7 مليون طن)، وروسيا (3.6 مليون طن)، وكندا (2.9 مليون طن)، والإمارات العربية المتحدة (2.7 مليون طن)، وأستراليا (1.6 مليون طن)، والبحرين (1.4 مليون طن)، والنرويج (1.3 مليون طن)، والولايات المتحدة (1.1 مليون طن)، والمملكة العربية السعودية (0.9 مليون طن)، وآيسلندا (0.85 مليون طن).

الدور البيولوجي للألومنيوم هو من أكثر المواضيع إثارة للجدل في الكيمياء الحيوية والطب. على عكس العديد من الفلزات الأخرى (مثل الحديد والزنك والنحاس والمغنيسيوم والكالسيوم)، لا يوجد دور حيوي معروف للألومنيوم عند الكائنات الحية. الألومنيوم ليس عنصراً أساسياً لأي شكل من أشكال الحياة المعروفة، ولا يحتاجه الإنسان ولا الحيوان ولا النبات. ومع ذلك، فإن الألومنيوم هو ثالث أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، وثاني أكثر الفلزات وفرة، مما يعني أن الكائنات الحية تتعرض له باستمرار في التربة والماء والغذاء. في الماضي، كان الألومنيوم يعتبر غير سام، ولذلك استخدم على نطاق واسع في أواني الطهي ورقائق الألومنيوم وعلب المشروبات ومزيلات العرق ومضادات الحموضة. لكن في العقود الأخيرة، تراكمت أدلة علمية تشير إلى أن الألومنيوم قد يكون له آثار صحية ضارة عند تراكمه في الجسم. ارتبط التعرض المزمن للألومنيوم بمرض الزهايمر، حيث عُثر على تركيزات مرتفعة من الألومنيوم في أدمغة مرضى الزهايمر، رغم أن العلاقة السببية لا تزال محل جدال علمي حاد. كما ارتبط الألومنيوم بمرض باركنسون، والتصلب الجانبي الضموري (مرض لو جيريغ)، وأمراض العظام (تلين العظام)، وفقر الدم (بسبب تثبيط امتصاص الحديد)، وتلف الكلى (خاصة لدى مرضى الغسيل الكلوي). لكن منظمة الصحة العالمية والهيئات التنظيمية في معظم البلدان تعتبر أن مستويات التعرض للألومنيوم من المصادر الغذائية والبيئية العادية آمنة، وأن المخاطر الصحية الكبيرة مرتبطة بالتعرض المهني (مثل عمال مصاهر الألومنيوم) أو بالتعرض العلاجي (مثل مرضى الغسيل الكلوي الذين يتعرضون لمياه تحتوي على ألومنيوم). في عالم النبات، الألومنيوم سام للعديد من النباتات، خاصة في الترب الحمضية (pH أقل من 5.5) حيث يذوب الألومنيوم في صورة Al³⁺ السامة التي تثبط نمو الجذور وتمنع امتصاص المغذيات. بعض النباتات تطورت لتتحمل الألومنيوم، ومنها نبات الشاي (Camellia sinensis) الذي يتراكم الألومنيوم في أوراقه بتركيزات عالية (تصل إلى 30,000 جزء في المليون) دون أن يتضرر، مما يفسر وجود الألومنيوم في الشاي المخمّر.

التطبيقات الصناعية للألومنيوم ومركباته هائلة ومتنوعة، وتشمل تقريباً كل قطاع صناعي وزراعي وطبي وعسكري وفضائي، مما يجعله ثاني أكثر المعادن استخداماً في العالم بعد الحديد. التطبيق الأكبر من حيث الحجم هو في صناعة النقل والمواصلات، وخاصة في صناعة الطائرات والسيارات والقطارات والسفن. في صناعة الطيران، يعتبر الألومنيوم المادة الهيكلية الأساسية، حيث يشكل حوالي 80% من وزن الطائرة غير المحمّل. تستخدم سبائك الألومنيوم على نطاق واسع في بناء إطارات الطائرات والأجنحة وجسم الطائرة ومعدات الهبوط. السبب في هيمنة الألومنيوم على صناعة الطيران هو نسبة القوة إلى الوزن العالية جداً، ومقاومته الممتازة للتآكل، وقابليته للتشكيل واللحام، وتحمله لتغيرات درجات الحرارة في الارتفاعات العالية. كل كيلوغرام يتم توفيره في وزن الطائرة يقلل من استهلاك الوقود ويطيل مدى الطيران، والألومنيوم هو الفلز الذي يحقق هذا التوازن المثالي بين الخفة والقوة. في صناعة السيارات، يستخدم الألومنيوم بشكل متزايد لتحل محل الفولاذ الثقيل، مما يقلل من وزن المركبة ويحسن كفاءة استهلاك الوقود (أو يزيد مدى السيارات الكهربائية). تستخدم سبائك الألومنيوم في هياكل السيارات، والمحركات (كتل الأسطوانات، رؤوس الأسطوانات، مكابس المحركات)، وناقل الحركة، والعجلات، وأنظمة التعليق، وأغطية المحرك، والأبواب. في صناعة القطارات، تستخدم سبائك الألومنيوم في هياكل عربات القطارات عالية السرعة (مثل قطار شينكانسن الياباني وقطار TGV الفرنسي) لتقليل الوزن وزيادة السرعة. في صناعة السفن، يستخدم الألومنيوم في هياكل اليخوت الفاخرة، والقوارب السريعة، والزوارق الحربية، وحاملات الطائرات، لأنه مقاوم للتآكل في المياه المالحة وخفيف الوزن.

التطبيق الثاني الكبير للألومنيوم هو في صناعة البناء والتشييد. تستخدم مقاطع الألومنيوم في واجهات المباني (الستائر الحائطية)، وإطارات النوافذ والأبواب، والأسقف، والكسوة، والعناصر الهيكلية. الألومنيوم مقاوم للتآكل، ولا يحتاج إلى صيانة دورية مثل الفولاذ، وخفيف الوزن مما يسهل تركيبه، وله مظهر جمالي لامع يجذب المصممين والمعماريين. تستخدم ألواح الألومنيوم في بناء ناطحات السحاب، وفي تغطية الأسطح، وفي صناعة السلالم والسقالات. كما يستخدم الألومنيوم في صناعة الأثاث المعدني، والأبواب، والنوافذ، والستائر، والمظلات، والدرابزينات.

التطبيق الثالث هو في صناعة التعبئة والتغليف، وهو من أسرع القطاعات نمواً في استهلاك الألومنيوم. تستخدم رقائق الألومنيوم (aluminum foil) في تغليف الأغذية، وحفظ الأطعمة، وتغطية أواني الطهي، وفي صناعة عبوات المشروبات (علب الألومنيوم)، وعبوات المواد الغذائية المعلبة، وأغطية الزجاجات، وأكياس التغليف المفرغة من الهواء. علب الألومنيوم للمشروبات هي واحدة من أنجح قصص إعادة التدوير في العالم، حيث يمكن إعادة تدويرها إلى ما لا نهاية دون أن تفقد جودتها، وتستهلك إعادة التدوير 5% فقط من الطاقة اللازمة لإنتاج الألومنيوم من الخام. رقائق الألومنيوم تحمي الأغذية من الضوء والأكسجين والرطوبة والروائح، وتحافظ على نضارتها لفترات أطول، وتستخدم أيضاً في العزل الحراري للمباني وفي صناعة الكابلات.

التطبيق الرابع هو في صناعة الإلكترونيات والكهرباء. الألومنيوم موصل جيد للكهرباء (حوالي 61% من موصلية النحاس) وخفيف الوزن ورخيص نسبياً، مما يجعله بديلاً جيداً للنحاس في خطوط نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة (أسلاك الضغط العالي)، وفي كابلات الطاقة، وفي لوحات الدوائر المطبوعة، وفي المشتتات الحرارية للمعالجات والمكونات الإلكترونية. يستخدم الألومنيوم أيضاً في صناعة المكثفات الكهربائية، والمحولات، والمحركات الكهربائية، والمولدات. في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية، يستخدم الألومنيوم في هياكل الهواتف الذكية، والأجهزة اللوحية، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والكاميرات، والأجهزة الصوتية، لأنه خفيف ومتين وجذاب بصرياً.

التطبيق الخامس هو في الصناعات الكيميائية والبتروكيماوية. يستخدم الألومنيوم في صناعة المفاعلات الكيميائية، والخزانات، وخطوط الأنابيب، والمبادلات الحرارية، بسبب مقاومته للتآكل في العديد من الوسطيات الكيميائية. تستخدم مركبات الألومنيوم (مثل كلوريد الألومنيوم AlCl₃) كحفازات في التفاعلات العضوية (تفاعلات فريدل-كرافتس للألكلة والأسيلة). يستخدم أكسيد الألومنيوم (الألومينا) كمادة حفازة أو حامل للحفازات في العديد من العمليات الصناعية، مثل عملية كلوز لتحويل كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت في مصافي النفط، وفي إنتاج الأمونيا، وفي تكرير البترول، وفي صناعة البلاستيك.

التطبيق السادس هو في صناعة المواد الحرارية والمقاومة للحرارة. يستخدم أكسيد الألومنيوم (الألومينا) في صناعة الطوب الحراري للأفران العالية والمداخن والأفران الكهربائية، لأنه يتحمل درجات حرارة تصل إلى 2054 درجة مئوية. كما تستخدم الألومينا في صناعة البوتقات الحرارية، وفي العوازل الحرارية، وفي صناعة السيراميك المتقدم، وفي صناعة الزجاج الخاص.

التطبيق السابع هو في صناعة المواد الكاشطة (السحج). أكسيد الألومنيوم في شكله البلوري ألفا (αAl₂O₃) له صلادة عالية جداً (9 على مقياس موس)، مما يجعله مادة مثالية لصنع أحجار التجليخ، وأقراص القطع، وورق الصنفرة، ومواد التلميع، ومعدات صقل المعادن. يستخدم أكسيد الألومنيوم أيضاً في صناعة المرشحات، وفي تنقية المياه، وفي إزالة الرطوبة من تيارات الغاز.

التطبيق الثامن هو في صناعة الأدوية ومستحضرات التجميل. يستخدم هيدروكسيد الألومنيوم كمضاد للحموضة في أدوية علاج حرقة المعدة وعسر الهضم. يستخدم كلوروهيدرات الألومنيوم في مضادات التعرق (مزيلات العرق) كعامل قابض يغلق مسام العرق. يستخدم أكسيد الألومنيوم في معاجين الأسنان كعامل كاشط لتنظيف الأسنان. يستخدم الألومنيوم في بعض المستحضرات الصيدلانية كمادة حشو للأقراص، وفي مستحضرات التجميل كعامل مضاد للتكتل، وفي واقيات الشمس.

التطبيق التاسع هو في الصناعات العسكرية والفضائية. يستخدم الألومنيوم في هياكل الصواريخ والأقمار الاصطناعية والمركبات الفضائية، وفي الدروع الواقية للبدن (السترات الواقية من الرصاص) المصنوعة من سبائك الألومنيوم مع السيراميك، وفي هياكل الطائرات العسكرية، وفي القنابل والصواريخ (كغلاف خارجي)، وفي المعدات العسكرية الخفيفة.

التطبيق العاشر هو في الصناعات الغذائية. تستخدم رقائق الألومنيوم وعلب الألومنيوم في حفظ الأغذية والمشروبات. يستخدم الألومنيوم كمضاف غذائي في بعض المنتجات (مثل E173، وهو ألومنيوم معدني يستخدم كصبغة في الحلويات، لكن استخدامه محدود ومثير للجدل). يستخدم الألومنيوم في صناعة أدوات المطبخ (الأواني، المقالي، الصواني)، وفي أجهزة الطهي، وفي آلات تحضير الطعام.

من ناحية كيمياء التنسيق وحالات الأكسدة، الألومنيوم يظهر حالة أكسدة واحدة فقط في جميع مركباته المستقرة: +3 (أيون الألومنيوم Al³⁺). توجد حالات أكسدة +2 و +1 في بعض المركبات غير المستقرة أو في الظروف الخاصة (مثل AlCl، AlO، AlF، Al₂O)، لكنها نادرة وغير مستقرة. أيون الألومنيوم Al³⁺ هو أيون صغير (نصف قطره 53.5 بيكومتر)، وله شحنة موجبة ثلاثية، وكثافة شحنة عالية جداً، مما يجعله أيوناً مستقطباً بشدة، وقادراً على تشكيل روابط تساهمية قوية في العديد من مركباته، بالإضافة إلى روابطه الأيونية. في المحاليل المائية، يتواجد أيون الألومنيوم كأيون مائي (hydrated) مع 6 جزيئات ماء حوله في حالة تناسق ثماني السطوح (octahedral)، [Al(H₂O)₆]³⁺. هذا الأيون المائي له حمضية ملحوظة (pKa ≈ 5.0)، مما يعني أنه يمكن أن يفقد بروتوناً من جزيئات الماء المرتبطة به ليشكل هيدروكسيد الألومنيوم في محاليل ذات pH معتدل إلى قاعدي. الألومنيوم يشكل معقدات تنسيق مع العديد من الروابط (ligands)، بما فيها الروابط الأحادية السن (مثل الكلوريد Cl⁻، والفلوريد F⁻، والنترات NO₃⁻، والكبريتات SO₄²⁻)، والروابط متعددة السن (مثل الأوكسالات C₂O₄²⁻، والسترات، والطرطرات، وEDTA). في الكيمياء الجيوكيميائية، يشكل الألومنيوم معقدات مع أيونات الهيدروكسيل (Al(OH)₄⁻، Al(OH)₅²⁻، Al(OH)₆³⁻) في المحاليل القلوية، وهي أساس ذوبان الألومنيوم في القلويات. في الكيمياء العضوية الفلزية، مركبات الألومنيوم العضوية (مثل ثلاثي إيثيل الألومنيوم Al(C₂H₅)₃، وثلاثي إيزوبوتيل الألومنيوم Al(i-C₄H₉)₃) تستخدم ككواشف في تخليق البوليمرات (محفزات تسيغلر-ناتا لإنتاج البولي إيثيلين والبولي بروبيلين)، وككواشف في التخليق العضوي (تفاعلات الإضافة إلى الكربونيلات)، وفي صناعة المطاط الصناعي.

من ناحية التحديات والاتجاهات المستقبلية، يواجه الألومنيوم عدة تحديات وفرص في آن واحد. التحدي الأول والأكثر إلحاحاً هو الاستدامة البيئية لإنتاج الألومنيوم. إنتاج الألومنيوم الأولي عن طريق عملية هول-هيرو يستهلك كميات هائلة من الكهرباء (12.9-17.7 كيلوواط ساعي لكل كيلوغرام)، وهذه الكهرباء تأتي غالباً من الوقود الأحفوري، مما يساهم في انبعاثات غازات الدفيئة. في المتوسط، ينتج كل طن من الألومنيوم الأولي حوالي 12-16 طناً من مكافئ ثاني أكسيد الكربون، مما يجعله أحد أكثر الصناعات كثافة في انبعاثات الكربون. بالإضافة إلى ذلك، تنتج عملية باير كميات ضخمة من المخلفات القلوية (الطمي الأحمر)، والتي تتطلب مساحات شاسعة للتخزين وتشكل خطراً بيئياً بسبب قلويّتها العالية واحتوائها على معادن ثقيلة. تطوير عمليات إنتاج الألومنيوم باستخدام الطاقة المتجددة (الطاقة الشمسية، طاقة الرياح، الطاقة الكهرومائية، الطاقة النووية) يمكن أن يقلل بشكل كبير من البصمة الكربونية للصناعة. في الواقع، بعض الدول مثل آيسلندا والنرويج وكندا تنتج الألومنيوم باستخدام الطاقة الكهرومائية المتجددة، مما يقلل من انبعاثات الكربون بشكل كبير. كما أن هناك أبحاثاً لتطوير عمليات كهروكيميائية جديدة تستخدم أقطاباً غير استهلاكية (أقطاب خاملة) بدلاً من أقطاب الكربون، مما يلغي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المصعد وينتج الأكسجين بدلاً من ذلك. التحدي الثاني هو إعادة تدوير الألومنيوم. إعادة تدوير الألومنيوم تستهلك فقط 5% من الطاقة اللازمة لإنتاجه من الخام，وتنتج حوالي 5% فقط من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. الألومنيوم قابل لإعادة التدوير إلى ما لا نهاية دون أن يفقد خواصه. ومع ذلك، فإن معدل إعادة تدوير الألومنيوم العالمي لا يزال حوالي 40% فقط، مع وجود تفاوت كبير بين الدول والقطاعات. في قطاع علب المشروبات، تصل نسبة إعادة التدوير في بعض الدول إلى أكثر من 70%، بينما في قطاع البناء والسيارات، تكون النسبة أقل بسبب صعوبة فصل الألومنيوم عن المواد الأخرى في المنتجات المعقدة. تحسين تقنيات الفرز والفصل، وتطوير أنظمة جمع فعالة، وتشجيع التصميم القابل لإعادة التدوير، كلها عوامل يمكن أن تزيد من معدلات إعادة التدوير وتقلل من الطلب على الألومنيوم الأولي. التحدي الثالث هو المنافسة من المواد البديلة. في صناعة الطيران، تتنافس مركبات الكربون (ألياف الكربون المقواة بالبوليمر) مع الألومنيوم، حيث أنها أخف وزناً ولكنها أغلى ثمناً وأصعب في الإصلاح وإعادة التدوير. في صناعة السيارات، تتنافس سبائك المغنيسيوم والفولاذ عالي القوة والبلاستيك المقوى بالألياف مع الألومنيوم. في صناعة التعبئة والتغليف، تتنافس المواد البلاستيكية والورق والزجاج مع الألومنيوم، ولكن ميزة الألومنيوم في قابلية إعادة التدوير وحماية المحتوى تجعله الخيار المفضل في العديد من التطبيقات. التحدي الرابع هو المخاطر الصحية المرتبطة بالتعرض للألومنيوم. على الرغم من أن الألومنيوم يعتبر آمناً في الاستخدامات العادية، إلا أن هناك مخاوف متزايدة حول التعرض المزمن للألومنيوم من مصادر مختلفة (الغذاء، الماء، مستحضرات التجميل، الأدوية، أواني الطهي). تنظيم استخدام الألومنيوم في مستحضرات التجميل والأدوية، ومراقبة مستويات الألومنيوم في مياه الشرب، ودراسة الآثار الصحية طويلة المدى، كلها مجالات تتطلب مزيداً من البحث والتنظيم. في الجانب الإيجابي، هناك فرص واعدة للألومنيوم في مجالات جديدة. في مجال الطاقة المتجددة، يستخدم الألومنيوم في هياكل الألواح الشمسية، وفي أبراج توربينات الرياح، وفي أنظمة تخزين الطاقة الحرارية. في مجال المركبات الكهربائية، يزداد الطلب على الألومنيوم لخفض وزن البطاريات وهياكل السيارات، مما يزيد من مدى السير وكفاءة الطاقة. في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد (التصنيع الإضافي)، تفتح تقنيات طباعة الألومنيوم آفاقاً جديدة لتصميم وإنتاج أجزاء معقدة وخفيفة الوزن بتكاليف أقل. في مجال المواد النانوية، تستخدم جسيمات الألومنيوم النانوية في تطبيقات الطاقة (وقود الصواريخ، المتفجرات)، وفي الطلاءات الواقية، وفي المحفزات، وفي الإلكترونيات المرنة. في مجال تخزين الهيدروجين، يستخدم الألومنيوم في تطوير مواد هيدريدية لتخزين الهيدروجين بشكل آمن وكثيف.

ختاماً، الألومنيوم هو الفلز الذي غزا العالم في أقل من قرن ونصف، محولاً نفسه من معدن أثمن من الذهب إلى سلعة رخيصة متاحة للجميع، ومن فضول معملي إلى مادة أساسية للحضارة الحديثة. هو الذي حمل البشرية إلى السماء في طائراتها، وأضاء مدنها بأسلاك الكهرباء، وحفظ طعامها في علب ورقائق، وزيّن مبانيها بواجهات لامعة، وصنع هواتفها وسياراتها وأجهزتها. الألومنيوم هو فلز التناقضات: خفيف لكنه قوي، ناعم لكنه صلب في سبائكه، نشط كيميائياً لكنه مقاوم للتآكل بفضل طبقة الأكسيد الواقية، مكلف في إنتاجه لكنه رخيص في إعادة تدويره، مفيد للحياة لكنه قد يكون ضاراً بالصحة بكميات كبيرة. من اكتشاف أورستد المتواضع في عام 1825، إلى اختراع هول وهيرو العبقري في عام 1886، إلى إنتاج 64 مليون طن سنوياً اليوم، قطع الألومنيوم شوطاً هائلاً في خدمة البشرية. لكن هذا الإنجاز الهائل له ثمن بيئي واجتماعي، يتطلب منا كمجتمع عالمي أن نتعامل مع الألومنيوم بحكمة ومسؤولية. إعادة التدوير، وتطوير عمليات إنتاج أنظف، وتقليل الاستهلاك غير الضروري، وتصميم منتجات قابلة لإعادة التدوير، كلها خطوات ضرورية لضمان استدامة هذا الفلز العجيب للأجيال القادمة. كما قال تشارلز هول، أحد مخترعي عملية إنتاج الألومنيوم، قبل وفاته: "لقد جعلت الألومنيوم متاحاً للجميع، لكنني لم أجعل الجميع يفهمون قيمته". فهم قيمة الألومنيوم يعني فهم أهميته في حياتنا اليومية، وتقدير الجهود والموارد التي تبذل لإنتاجه، والالتزام باستخدامه وإعادة تدويره بشكل مسؤول. الألومنيوم ليس مجرد فلز، بل هو رمز للقدرة البشرية على تحويل وفرة الطبيعة إلى أدوات للحياة والرفاهية، وشهادة على عبقرية الكيمياء والهندسة في خدمة الإنسانية.


أ. حسين علي حياوي المؤذن

#حسين_علي_حياوي_المؤذن (هاشتاغ)       Hussein_Ali_Hayawi_Al-mu’adhin#          

---

ترجم الموضوع إلى لغات أخرى - Translate the topic into other languages

---

الحوار المتمدن مشروع تطوعي مستقل يسعى لنشر قيم الحرية، العدالة الاجتماعية، والمساواة في العالم العربي. ولضمان استمراره واستقلاليته، يعتمد بشكل كامل على دعمكم. ساهم/ي معنا! بدعمكم بمبلغ 10 دولارات سنويًا أو أكثر حسب إمكانياتكم، تساهمون في استمرار هذا المنبر الحر والمستقل، ليبقى صوتًا قويًا للفكر اليساري والتقدمي، انقر هنا للاطلاع على معلومات التحويل والمشاركة في دعم هذا المشروع.
 

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
في رحيل جليل شهباز، عضو هيئة إدارة الحوار المتمدن	في رحيل شاكر الناصري، أحد مؤسسي الحوار المتمدن

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل