هل الألومنيوم فلز أم لا فلز؟

ألومنيوم معدن. على وجه التحديد معدن خفيف الوزن بعد المرحلة الانتقالية مع ترابط معدني، وتوصيل كهربائي وحراري جيد، وليونة وليونة وبنية بلورية مكعبة متمركزة الوجه مميزة. في الاستخدام اليومي، يتصرف الألومنيوم كمعدن (يوصل الكهرباء، ويتشوه بشكل مرن، ويشكل سبائك) على الرغم من أن بعض الخصائص الكيميائية (طبقة أكسيد قوية، وكهربية معتدلة) تمنحه سلوكًا حدوديًا في تفاعلات معينة.

ما يعنيه الكيميائيون ب "الفلز" و"اللافلز"

في الكيمياء وعلوم المواد، يشير مصطلح "فلز" عادةً إلى العناصر أو السبائك التي تشترك في خصائص فيزيائية وإلكترونية معينة: الترابط الفلزي والإلكترونات غير المتمركزة والتوصيل الكهربائي والحراري والليونة وقابلية الليونة والطرق واللمعان الفلزي. ويصف مصطلح "اللافلزات" العناصر التي تفتقر إلى الإلكترونات الفلزية غير المتمركزة، وعادةً ما تكون موصِّلات ضعيفة وهشَّة في الحالة الصلبة (عندما تكون صلبة). هذه التعريفات واسعة النطاق؛ فبعض العناصر تقع في المنتصف بسبب خواصها الوسيطة. يُظهِر الألومنيوم السمات الفلزية المميزة المذكورة أعلاه، لذلك يُصنَّف على أنه فلز (فلز ما بعد الانتقال).

أين يقع الألومنيوم في الجدول الدوري

• العنصر: الألومنيوم (تهجئة الولايات المتحدة "ألومنيوم"، الاسم "ألومنيوم" في الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية)

• الرمز: آل

• الرقم الذري 13

• المجموعة: المجموعة 13 (مجموعة البورون) - غالبًا ما توصف بأنها معدن ما بعد المرحلة الانتقالية بدلًا من فلز انتقالي.

تشير علامة "فلز ما بعد المرحلة الانتقالية" إلى أن الألومنيوم يشترك في العديد من الخصائص الفلزية (الترابط الفلزي، والشبكة الفلزية البلورية) ولكنه يختلف عن أعضاء المجموعة 13 الأثقل في بعض ميول الترابط والتفاعلية.

الخواص الفيزيائية التي تُظهر أن الألومنيوم معدن

فيما يلي جدول حقائق موجز متبوعًا بملخص لسبب إشارة تلك الحقائق إلى الشخصية المعدنية.

حقائق سريعة - الألومنيوم (الشروط القياسية)

لماذا تشير هذه الحقائق إلى "المعدن":

• التركيب البلوري FCC و الترابط المعدني يعني ضمناً الإلكترونات غير المتمركزة واللدونة - السلوك المعدني النموذجي.

• التوصيل الكهربائي والحراري من السمات المميزة للمعادن؛ ويستخدم الألومنيوم على نطاق واسع في النقل الكهربائي لهذا السبب.

السلوك الكيميائي ومفارقة الأكسيد

الألومنيوم شديد التفاعل كيميائيًا - فهو يشكل بسهولة طبقة رقيقة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) عند التعرض للهواء. طبقة الأكسيد هذه شديدة الالتصاق والحماية، مما ينتج مقاومة ممتازة للتآكل في العديد من البيئات. وتعطي طبقة الأكسيد انطباعًا متناقضًا للألومنيوم: فهو يتصرف كمعدن تفاعلي من خلال الأكسدة بسرعة، لكن الأكسيد يحميه بعد ذلك، مما يجعله يبدو خاملًا. يفسر هذا السلوك السطحي العديد من الملاحظات الواقعية (لماذا تدوم أحواض الألومنيوم المنزلية وواجهات المباني لفترة طويلة).

من الناحية الكيميائية، يميل الألومنيوم إلى تكوين مركبات Al³⁺ (ذات طابع أيوني/تساهمي حسب الشريك)، وهو ما يناسب موقعه في المجموعة 13. وعلى الرغم من هذه الميول الأيونية، يحتفظ الجزء المعدني بالجزء الأكبر الفلزي بالروابط والخصائص الفلزية.

شرح الترابط والتركيب البلوري للمهندسين

• تكوين الإلكترون: [Ne] 3s² 3p¹. يحتوي الألومنيوم على ثلاثة إلكترونات تكافؤ يمكن أن تتلاشى تمركزها، وهو ما يتيح الترابط الفلزي عبر الشبكة.

• شبكة بلورية: مكعبات متمركزة الوجه (FCC). تعطي FCC أنظمة انزلاق جيدة وليونة عالية؛ ولهذا السبب يتم تشكيل وسحب الألومنيوم والعديد من سبائك الألومنيوم بسهولة.

الوجبات الجاهزة الهندسية: إذا كنت بحاجة إلى موصل قابل للتشكيل وخفيف الوزن يمكن بثقه أو ختمه أو سحبه، فإن الألومنيوم هو المعدن الذي يؤدي هذه المهام بكفاءة.

جدول المقارنة: الألومنيوم مقابل اللافلزات النموذجية

توضح هذه المقارنة السريعة لماذا يناسب الألومنيوم عمود الفلزات ويختلف عن العناصر اللافلزية. (بيانات ملخصة من RSC، NIST، بريتانيكا).

سبائك الألومنيوم الشائعة والاستخدامات الصناعية

نادرًا ما يظهر الألومنيوم في الصناعة كعنصر نقي؛ حيث توفر السبائك قوة وخصائص مصممة خصيصًا.

(معلومات مقتبسة من مصادر صناعية وأدلة مواد ASM).

التآكل، والتشطيب السطحي، والمتانة العملية

• الطلاء بأكسيد الألومنيوم هي عملية تكثيف أكسيد محكومة تزيد من مقاومة التآكل وتسمح بالصباغة. يستخدم على نطاق واسع في الأجزاء المعمارية والاستهلاكية.

• طلاء المسحوق و الدهانات العضوية شائعة في الطلاءات الزخرفية والوقائية.

• الاعتبارات الجلفانية: يعد الألومنيوم مادة أنودية بالنسبة للعديد من الفولاذ والمعادن النبيلة؛ يجب على المصممين تجنب التلامس المباشر في البيئات المسببة للتآكل دون عزل.

هذه هي نقاط التفاوض الحاسمة مع الموردين: اطلب التشطيبات (الطحن، الطحن بأكسيد الألومنيوم من الفئة الأولى/الثانية/الثالثة)، ومواصفات رش الملح أو خشونة السطح المطلوبة، ومعايير القبول.

كيف يتم إنتاج الألمنيوم وإعادة تدويره ولماذا يهم ذلك المشترين

• الإنتاج الأساسي: البوكسيت → الألومينا (عملية باير) → الألومنيوم (التحليل الكهربائي هال-هيرولت). الإنتاج كثيف الاستهلاك للطاقة؛ وغالباً ما يعتمد موقع المصاهر على إمكانية الوصول إلى الكهرباء الرخيصة.

• إعادة التدوير: يستخدم الألومنيوم الثانوي ≈5% من الطاقة اللازمة للمعدن الأولي. يحتفظ الألومنيوم المعاد تدويره بخصائصه ويستخدم على نطاق واسع في صناعة السيارات والتعبئة والتغليف والبناء. ولتحقيق التكلفة والاستدامة، يصر العديد من المشترين على المحتوى المعاد تدويره أو مصادر خردة محددة.

نصيحة للمشتري: يمكن أن يؤدي تحديد المحتوى المعاد تدويره والشهادة المطلوبة (على سبيل المثال، شهادة المطحنة مع التحليل الكيميائي وبيان المنشأ) إلى حماية أهداف التسعير والاستدامة.

القائمة المرجعية للمشتريات

• سلسلة السبائك والمزاج المحدد (على سبيل المثال، 6061-T6، 5052-H32)

• الشكل (صفيحة، لوحة، لوحة، مقطع جانبي مبثوق، بليت)

• الأبعاد والتفاوتات (السُمك والتسطيح والاستقامة)

• تشطيب السطح (طلاء السطح (طلاء طحن، طلاء بأكسيد الألومنيوم، طلاء طحن)

• المتطلبات الميكانيكية (الشد والإنتاجية) واختبارات القبول (UT، PMI)

• الشهادات (تقارير اختبار المصنع، ISO، REACH / RoHS إذا لزم الأمر)

• التغليف والمناولة (لتجنب التلامس مع المعادن غير المتشابهة)

الحالة 1: المشتري الذي يختار صفائح الألومنيوم

المشتري: "نحن بحاجة إلى صفيحة 2.0 مم لغطاء مبادل حراري، وقابلية تشكيل ممتازة، ومقاومة جيدة للتآكل في البيئات الساحلية. هل من توصيات؟"
المورد: "5052-H32 و5754 كلاهما مرشحان جيدان - يعطي المغنيسيوم مقاومة جيدة للتآكل البحري؛ إذا كنت بحاجة إلى قوة أعلى، ففكر في 6061 ولكن لاحظ أنه أقل قابلية للتشكيل ويتطلب معالجة حرارية للوصول إلى T6."

الحالة 2: المشتري المعني بالموصلات الكهربائية

المشتري: "نحتاج إلى موصلات للخطوط العلوية. الوزن أمر بالغ الأهمية ويجب أن تكون التكلفة منخفضة."
المورد: "يعتبر الألومنيوم عالي النقاء 1350 و1370 سلسلة 1350 و1370 معيارًا للموصلات الكهربائية؛ حيث إن توصيلها جيد وخفيف الوزن. ضع في اعتبارك الألومنيوم AA-1350 أو 1370 مع المزاج المطلوب."

الحالة 3: المشتري يطلب محتوى معاد تدويره

المشتري: "هل يمكنك توريد صفيحة 6061 ذات المحتوى المعاد تدويره 50%؟ نحتاج إلى شهادات مطحنة تثبت الكيمياء والميكانيكا."
المورد: "نعم - يمكننا توريد سبائك ثانوية وفقًا لمواصفاتك. سنقوم بتضمين تقرير اختبار المطحنة (MTR) الذي يوضح كيمياء الدُفعة وإمكانية تتبع رقم الحرارة."

ملاحظة عملية: اطلب دائمًا استعراضات منتصف المدة ومعايير القبول قبل إصدار الطلب.

مراجع المعايير والاختبارات

عند تحديد مواصفات الألومنيوم أو شرائه، اطلب أو أدرج بنود المعايير والاختبارات ذات الصلة في أمر الشراء:

• معايير ASTM (أمثلة شائعة): ASTM B209 (صفائح وألواح الألومنيوم وسبائك الألومنيوم)، ASTM B221 (قضبان وقضبان ومقاطع جانبية مقذوفة)، ASTM B209M (متري)، ASTM B456 (طلاءات أكسيد الأنوديك).

• معايير ISO: ISO 6361 للألومنيوم المدرفل وسبائك الألومنيوم المدرفلة، إلخ.

• الاختبار الميكانيكي: اختبار الشد حسب ASTM E8 / EN ISO 6892؛ الصلابة حسب ASTM E18 أو ما يعادلها.

• التحليل الكيميائي: اطلب تقرير منتصف المدة مع النسبة المئوية للتركيب وإمكانية التتبع إلى الدفعة/الحرارة.

إن تضمين أرقام قياسية صريحة في أوامر الشراء يقلل من الغموض وصد الموردين.

الأسئلة الشائعة

1. هل الألومنيوم فلز أم لا فلز؟
   الألومنيوم معدن خفيف الوزن بعد الانتقال (المجموعة 13) ذو روابط معدنية وخصائص معدنية مميزة.

2. لماذا يشكل الألومنيوم أكسيدًا واقيًا إذا كان تفاعليًا؟
   يشكّل الألومنيوم بسرعة طبقة رقيقة من Al₂O₃O₃ تلتصق بإحكام، مما يمنع المزيد من التآكل ويجعل المعدن غير فعال في ظل العديد من الظروف.

3. هل الألومنيوم مغناطيسي؟
   لا، الألومنيوم غير مغناطيسي في شكله المعدني الشائع؛ فهو بارامغناطيسي (ينجذب بشكل ضعيف للغاية في المجالات المغناطيسية القوية).

4. هل يمكن للألومنيوم توصيل الكهرباء مثل النحاس؟
   نعم؛ فالألومنيوم يوصل الكهرباء بشكل جيد (≈61% من توصيل النحاس حسب المقطع العرضي)، كما أن وزنه المنخفض يجعله شائعًا في توزيع الطاقة.

5. ما هي سبائك الألومنيوم الأفضل للأجزاء الهيكلية؟
   تُستخدم السبائك في السلسلتين 2xxx و7xxx (Al-Cu، Al-Zn) للأجزاء الهيكلية عالية القوة؛ بينما توازن السلسلة 6xxx بين القوة وقابلية التشكيل.

6. هل الألومنيوم المعاد تدويره جيد مثل الألومنيوم الأولي؟
   يحتفظ الألومنيوم المعاد تدويره (الثانوي) بالخصائص الرئيسية ويستخدم على نطاق واسع؛ وتعتمد الجودة على فرز الخردة وممارسة إعادة الصهر.

7. كيف يمكنني تحديد الطلاء النهائي لتجنب التآكل؟
   تحديد فئة الطلاء بأكسيد الألومنيوم أو الطلاء العضوي مع معايير قبول رش الملح ذات الصلة؛ تحديد العزل عن المعادن المختلفة عند الحاجة. (انظر معايير ASTM.)

8. هل يصدأ الألومنيوم؟
   يشير "الصدأ" إلى أكاسيد الحديد. الألومنيوم لا يصدأ ولكنه يتأكسد؛ وطبقة الأكسيد الناتجة تحمي المعدن.

9. هل الألومنيوم آمن للطعام؟
   العديد من سبائك الألومنيوم والطلاءات آمنة للتلامس مع الطعام؛ تحقق من المعايير التنظيمية ومعالجات الطلاء (المؤكسد مقابل العاري).

10. ما الاختبارات التي يجب أن أطلبها من المطحنة؟
    اطلب التركيب الكيميائي MTR، ونتائج اختبار الشد، والصلابة، وأي اختبارات غير مدمرة مطلوبة (UT، بصري)، وفقًا لمعايير ASTM/ISO في المواصفات الخاصة بك.

قائمة مراجعة عملية للبائع/المشتري

1. تأكد من السبيكة والمزاج.

2. تضمين الأبعاد والتفاوتات الدقيقة.

3. تحديد تشطيب السطح المطلوب ومعايير القبول.

4. طلب استعراض منتصف المدة وتتبع الدفعات.

5. تحديد شروط التعبئة والتغليف والتسليم.

6. إضافة بنود الاختبار والفحص (أخذ عينات عشوائية، بدلات الاختبار التدميري).

7. تأكيد المتطلبات البيئية أو متطلبات المحتوى المعاد تدويره.

ملاحظات فنية ختامية

على الرغم من أن الألومنيوم يوصف أحيانًا في الكتابات الشائعة بأنه "حدّي" بسبب سلوكه الكيميائي (تكوين أكسيد قوي، وسالبية كهربية متوسطة)، إلا أن خصائصه الفيزيائية السائبة وبنيته المعدنية البلورية تجعله معدنًا بوضوح حسب التعريفات الكيميائية والهندسية. عند تحديد أو مناقشة الألومنيوم في المشتريات والتصميم، تعامل معه كمعدن: اطلب شهادات اختبار المعادن وقيم الشد/المردود والمعالجات السطحية القياسية للمكونات المعدنية.

مراجع موثوقة

• الألومنيوم - الجمعية الملكية للكيمياء (صفحة عناصر الجدول الدوري)
• الألومنيوم - الكتاب الإلكتروني للكيمياء التابع للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا والابتكار (بيانات ذرية وكيميائية حرارية)
• سبائك الألومنيوم والألومنيوم - ASM International (دليل المواد التقنية، PDF)
• الألومنيوم - PubChem (نظرة عامة على العنصر)