آلومینیم: از عرش تا فرش

هم‌نشینی با علم > داستان عنصرها > آلومینیم: از عرش تا فرش

تاریخ انتشار: ۲۶ اسفند ۱۳۹۹

1-globe

سال ۱۸۵۵ میلادی (۱۲۳۴ شمسی)، نمایشگاه جهانیِ محصولات کشاورزی، صنعت و هنرهای زیبا، پاریس: نمایش دوازده شمش کوچک از فلزی نقره‌ای رنگ و براق غوغایی بین اشراف فرانسوی به پا کرد و طولی نکشید که همه به دنبال سنجاق کراوات‌ها و دکمه سردست‌های ساخته‌شده از این فلزِ درخشان، اما بسیار سبک بودند. این فلز که ناگهان بسیار مشهور و حتی گران‌قیمت‌تر از طلا شده بود را همه می‌شناسیم، از قابلمه‌ای که در آشپرخانه داریم تا هواپیماها در آسمان، این فلز در زندگی ما حضور پررنگی دارد: آلومینیم! بله، قیمت آلومینیم در دهه‌ی ۱۸۵۰ میلادی دوبرابرِ قیمت طلا بود. حتی می‌گویند ناپلئون سوم، امپراطور وقت فرانسه و برادرزاده‌ی ناپلئون اول معروف، ظروف و قاشق و چنگال‌هایی از جنس آلومینیم داشت که با آن از مهمانان بسیار ویژه‌اش پذیرایی می‌کرد و مهمانانی که رتبه پایین‌تری داشتند باید از ظرف‌هایی از جنس طلا و نقره استفاده می‌کردند!

2-French_francs_aluminium_coin
سکه بیست فرانکی از جنس آلومینیم در زمان امپراطوری ناپلئون سوم (منبع: Wikimedia Commons)

هم فراوان و هم کمیاب

آیا آلومینیم با این قیمتِ بالایش فلزی کمیاب بود؟ هم بله و هم نه! آلومینیم سومین عنصر فراوان (بعد از اکسیژن و سیلیسیم) در پوسته‌ی زمین است و فراوان‌ترین «فلزِ» زمین به شمار می‌رود. پس چرا این عنصرِ فراوان تا این حد گران بود؟ می‌توان گفت که آلومینیم هرگز به شکل خالص در طبیعت پیدا نمی‌شود و همیشه با عنصرهای دیگر ترکیب شده است. نمونه‌ای از این ترکیب‌ها پتاسیم آلومینیم سولفات است. قرن‌ها قبل از آنکه عنصر آلومینیم کشف شود یا حتی کسی به احتمالِ وجود داشتنِ آن فکر کند، انسان با ترکیباتی مثل پتاسیم آلومینیم سولفات (که در محاوره به آن زاجِ پتاسیم یا آلومِ پتاسیم می‌گویند) آشنا بوده و از دباغی چرم تا نسوز کردن، از آنها استفاده کرده است. امروزه هم در ژل‌های بعد از اصلاح، خوشبوکننده‌های بدن و حتی بیکینگ پودر از این ماده استفاده می‌شود. زاج‌ها‌ (یا آلوم‌ها) دسته‌ای از ترکیبات‌اند که پتاسیم آلومینیم سولفات یکی از آنهاست و نام عنصر آلومینیم را هم از همین کلمه‌ی آلوم گرفته‌اند. جالب است بدانید که برخی از آلوم‌ها اصلاً آلومینیم ندارند، مثلِ ترکیبِ کروم پتاسیم سولفات که به‌اختصار زاجِ کروم نامیده می‌شود.

3-Alum-(K)-180767
بلورهای زاج پتاسیم (پتاسیم آلومینیم سولفات)

Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

اعتقاد بر آن است که اولین بار شیمی‌دانی به نام همفری دیوی (Humphrey Davy) حوالی سال ۱۸۰۷ میلادی (۱۱۸۶ شمسی) به این نتیجه رسید که زاج پتاسیم در واقع نمکِ عنصری است که هنوز کشف نشده (هر چند برخی اعتقاد دارند که این نتیجه را لاووازیه هم ۲۹ سال قبل از دیوی گرفته بود). با این حال استخراج فلز آلومینیم از منابع طبیعی‌اش به‌قدری سخت و دشوار بود که افراد مختلف سال‌ها تلاش کردند تا بتوانند آن را استخراج و اعلام کنند که عنصر جدیدی کشف کرده‌اند. حتی بعد از کشف این عنصر در سال ۱۸۲۵ میلادی (۱۲۰۴ شمسی)، بیست سالِ دیگر طول کشید تا نمونه‌ای به دست آید که امکان تعیین خواص آن فراهم باشد و مثلاً سبکیِ فوق‌العاده‌ی آن مشخص شود. به دلیلِ همین سختی‌ها بود که قیمت آلومینیم از قیمت بقیه‌ی فلزات بسیار بالاتر رفت.

4-Bauxite
بوکسیت، یکی از کانی‌های طبیعی آلومینیم، ترکیبی شیمیایی از آلومینیم است. (منبع: Wikimedia Commons)

آغاز سقوط

اما چطور شد که این دوران اوج به سر رسید و آلومینیم به فلزی معمولی تبدیل شد؟ این اتفاق هم یک‌شبه نیفتاد. آلومینیم در دوران اوجش امیدهای زیادی را برانگیخته بود، اما به خاطر هزینه‌ی بسیار بالای تولیدش ناکامی به بار آورد. مثلاً ناپلئون سوم در ابتدا سرمایه‌گذاری بسیار سنگینی کرده بود تا از آلومینیم برای ساختن سلاح‌ها و زره‌های جنگیِ سبک استفاده شود. اما بعد که ناامید شد ذخیره آلومینیم خودش را داد تا ذوب کنند و بشقاب و قاشق و چنگال بسازند تا در ضیافت‌هایش فخر بفروشد! سرانجام ۳۰ سال بعد از آن دوران، وقتی ناپلئون سوم دیگر زنده نبود، دو دانشمند در دو گوشه‌ی مختلف دنیا به نام هال (Hall) در آمریکا و هرولت (Héroult) در فرانسه به‎طور همزمان اما مستقل از هم، روشی برای تولید صنعتی آلومینیم با استفاده از الکتریسیته کشف کردند. این فرایند که امکان تولید انبوه آلومینیم را فراهم می‌کرد، نقطه‌ی شروعِ افت قیمت این فلز بود، به‌طوری که قیمت آن که زمانی ۱۲۰۰ دلار به‌ازای هر کیلوگرم بود، در ابتدای قرن بیستم میلادی به کمتر از یک دلار به‌ازای هر کیلو رسید.

5-Al_ingot
تصویری از شمش یک کیلوگرمیِ آلومینیم (منبع: Wikimedia Commons)

معجزه‌ی بازیافت

دنیای امروز بدون وجود آلومینیم تقریباً غیر قابل تصور است. روزانه با این عنصر در شکل‌های متنوعی سر و کار داریم: قوطی‌های کنسرو و نوشابه، ورقه‌های آلومینیمی، کاغذهای بسته‌بندی مواد غذایی و تزیینی، ظروف آشپزخانه، چارچوب پنجره‌ها و …. برای تولید این فلز بسیار پرکاربرد هنوز هم از فرایند هال ـ هرولت استفاده می‌شود. ماده اولیه‌ی این فرایند مخلوط مذابی از دو کانی‌ آلومینیم‌دارِ معروف، یعنی بوکسیت و کریولیت است.

استخراج آلومینیم انرژی الکتریکی (برق) بسیار زیادی مصرف می‌کند و آلوده‌کننده است. تخمین زده شده که حدود یک درصد از انتشار کربن دی‌اکسید در جهان به‌تنهایی مربوط به تولید آلومینیم است. با این حال، خوشبختانه این فلز به‌راحتی قابل بازیافت است و انرژی مصرف‌شده در بازیافتِ آن، یک‌بیستمِ انرژی لازم برای استخراج همان مقدار است. امروزه هفتادوپنج درصد از کلِ آلومینیمی که تاکنون تولید شده هنوز در حال مصرف است. قوطی‌های آلومینیمی را می‌توان تنها طیِ شصت روز بازیافت کرد و به قفسه فروشگاه‌ها بر‌گرداند.

6-Can_ring_tabs

ProjectManhattan, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

عنصرهای این داستان