Alüminyum

Alüminyum, atom numarası 13 ve simgesi Al olan kimyasal element. Gümüş renkte, sünek bir metaldir. 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.

Alüminyum (Al)
H Periyodik tablo He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba   Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra   Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og     La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Temel özellikleri
Atom numarası	13
Element serisi	Metaller
Grup, periyot, blok	13, 3, p
Görünüş	Gümüşümsü
Kütle numarası	26,9815386(8) g/mol
Elektron dizilimi	Ne 3s² 3p^1
Enerji seviyesi başına Elektronlar	2, 8, 3
CAS kayıt numarası	{{{CAS_kayıt_numarası}}}
Fiziksel Özellikleri
Maddenin hâli	katı
Yoğunluk	2,70 g/cm³
Sıvı hâldeki yoğunluğu	2,375 g/cm³
Ergime noktası	933,47 °K 660,32 °C
Kaynama noktası	2792 °K 2519 °C
Ergime ısısı	10,71 kJ/mol
Buharlaşma ısısı	294,0 kJ/mol
Isı kapasitesi	24,2 J/(mol·K)
Atom özellikleri
Kristal yapısı	Yüzey merkezli kübik
Yükseltgenme seviyeleri	(3+) (amfoter oksit)
Elektronegatifliği	1,61 Pauling ölçeği
İyonlaşma enerjisi	577,5 kJ/mol
Atom yarıçapı	143 pm
Atom yarıçapı (hes.)	118 pm
Kovalent yarıçapı	118 pm
Van der Waals yarıçapı	? pm
Diğer özellikleri
Elektrik direnci	26,50 nΩ·m (20°C'de)
Isıl iletkenlik	237 W/(m·K)
Isıl genleşme	23,1 µm/(m·K) (25°C'de)
Ses hızı	5000 m/s (20 °C'de)
Mohs sertliği	2,75
Vickers sertliği	167 MPa
Brinell sertliği	245 MPa

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. Elektrik iletkenliği %64,94 IACS'dir (saf Al, 2 °C'de). Erime sıcaklığı 660 °C, kaynama sıcaklığı ise 2519 °C'dir.[1]

Tarihçe

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

Eski Yunanlar ve Romalılar, alüminyum(æljʊˈmɪniəm)un 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.[2] 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 işlemle 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. Bu nedenle iki bilim adamının adı verilen Hall-Heroult işlemi, günümüzde alüminyumun cevherinden eldesinde bütün dünyada kullanılan temel yöntemdir.

ABD'deki Washington anıtının zirvesinin yapımında alüminyum kullanılması kararlaştırılmış ve o tarihte alüminyumun yaklaşık 30 gramının maliyeti bu projede çalışan bir işçinin yevmiyesinin iki katına eşdeğer olmuştur.[3]

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

(Al) Alüminyum çubuğunun kazınmış yüzeyi.

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 işlemi, metalin basitçe tekrar eritilmesi esasına dayanır, ki bu yöntem metalin cevherinden üretimine nazaran çok daha ekonomiktir. Alüminyum rafinasyonu çok yüksek miktarlarda elektrik enerjisi gerektirir, buna karşılık geri kazanım işlemi, üretiminde kulanılan enerjinin %5'ini harcar. Geri kazanım işlemi 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. Üretim 2 yöntem ile gerçekleşir. İlki Bayer yöntemi diğeri ise karbonla doğrudan redüksiyondur. 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 işlemidir ve daha önceleri kullanılmakta olan Deville işleminin yerini almıştır.

Wöhler işleminin 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:

2O^2- → 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 işlemler gereği erozyona uğrarlar. Elektrolizde uygulanan akıma bağlı olarak, hücrelerin 5-10 yılda bir tümüyle yenilenmesi gerekir.

Hall-Héroult işlemiyle 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 Québec 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 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, Alzeimer 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 cıva, 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 cıvalı 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 alüminyum 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 değerliürleri 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.

Kullanım alanları

Alüminyum kolay soğuyup ısıyı emen bir metal olması nedeniyle soğutma sanayinde geniş bir yer bulur. Bakırdan daha ucuz olması ve daha çok bulunması, işlenmesinin kolay olması ve yumuşak olması nedeniyle birçok sektörde kullanılan bir metaldir.

Alüminyum genel manada soğutucu yapımında, spot ışıklarda, mutfak gereçleri yapımında, hafiflik esas olan araçların yapımında (uçak, bisiklet, otomobil motorları, motosikletler vb.) kullanılır. Bunun yanında sanayide önemli bir madde olan alüminyum günlük hayatta her zaman karşımıza çıkan bir metaldir.

Alüminyumun diğer bir kullanım alanı ise asenkron motorlardır. Saf alüminyum (~%99.7 Al) basınçlı döküm yöntemi ile asenkron motorların rotor üretiminde kullanılır. Bakıra göre hafifliği, ucuzluğu ve göreceli olarak iyi elektriksel iletkenliğe sahip olması (~%59-60 IACS) alüminyumun asenkron motor endüstrisinde geniş bir yer almasını sağlamaktadır.[4]

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.

Kaynakça

1. http://www.chemicalelements.com/elements/al.html#isotopes
2. Binczewski, G.J. (1995). The Point of a Monument: A History of the Aluminum Cap of the Washington Monument. JOM, 47 (11) (1995), pp. 20–25.24 Ocak 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
3. ASM International. ASM Metals HandBook Volume 02 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials (2). 1992, p. 506-507
4. Los Alamos National Laboratory – Aluminum
5. World Wide Words23 Ekim 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Bir İngilizin bakış açısıyla alüminyumun yazılışının tarihçesi.
6. Oxford English Dictionary - "aluminum" ve "aluminium" kayıtlarına üye olmak koşuluyla ulaşılabiliyor 11 Ocak 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

Dış bağlantılar

• WebElements.com – Alüminyum (İng.)
• Dünyada alüminyum (İng.)23 Nisan 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Ülkeler bazında dünya birincil alüminyum üretimi (İng.)10 Ağustos 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Alüminyum endüstrisinin sosyal ve çevresel etkileri (İng.)
• Sam'in "alüminyum hakkında bilgiler" sitesi (İng.)
• Alüminyum Tencere, Tava, Çaydanlık Zararlı Mı?

Patentler

• US 400664 – Alüminyumun florürlü tuzlarından elektroliz yoluyla redüklenmesi işlemi – C. M. Hall

1. "Saf metallerin fiziksel ve kimyasal özellikleri". 11 Temmuz 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 9 Temmuz 2020.
2. http://www.chemicalelements.com/elements/al.html#isotopes
3. Binczewski, G.J. (1995). The Point of a Monument: A History of the Aluminum Cap of the Washington Monument. JOM, 47 (11) (1995), pp.20-25. 24 Ocak 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
4. ASM International, ASM Metals HandBook Volume 02 - Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, 1992, p. 506-507