Alüminyum

Özellikler

Alüminyum, sembolü "Al" olan, 13 atom numarasına sahip, 2,70 g/cm³ yoğunluğa sahip, gri renkli hafif metaldir. Alüminyum, yerkabuğunda en yaygın olarak bulunan üçüncü element olmasının yanı sıra demirden sonra en fazla kullanılan metaldir. Oksijen (%47) ve silikondan (%47) sonra yer kabuğunun en yaygın üçüncü bileşenidir (%28; ancak kütlece sadece %8'i oluşturur). Alüminyum, kimyasal olarak aktif bir malzeme olmasına rağmen, hava ortamında yüzeyinde oluşan sert ve güçlü oksit tabaka alüminyumun daha ileri safhada oksitlenmesini engelleyerek, korozyona karşı yüksek dayanıklı bir malzeme olmasını sağlamaktadır.

Hem rengi hem de ışığı yansıtma özelliği bakımından gümüşü andıran alüminyum; yumuşaktır, manyetik değildir ve sünektir. ²⁷Al, tek kararlı izotopudur ve bu özelliği izotop alüminyumu evrendeki en yaygın on ikinci element yapar.

Bulunma Sıklığı ve Üretimi

Alüminyum doğal halde saf metal olarak bulunmaz; çok reaktif olduğundan her zaman diğer elementlerle birleşir. En yaygın olarak bilinen bileşikleri oksitler ve boksit kaynaklı hidroksitler, sülfatlar ve klorit ile kompleksleştirilen suda çözünür formlarıdır. Yüzeyde koruyucu bir alüminyum tabakası oluşması sebebiyle hava ile temasında zarar görmez, bu özellik havada veya suda korozyona karşı çok dayanıklı olmasını sağlamaktadır.

Uzayda

Alüminyumun Güneş Sistemi'ndeki parçacık başına bolluğu 3,15 ppm'dir (ppm: milyon parçada bir).^[1] Bulunma sıklığı bakımından tüm elementler arasında on ikinci sıradadır. Neredeyse tamamı, daha sonra Tip II süpernovalar haline gelecek olan büyük yıldızlarda karbonun kaynaşmasından sonra oluşmuştur. Bu füzyon, serbest protonları ve nötronları, yakaladığında alüminyum haline gelen ²⁶Mg'yi oluşturur.

Esasen şu anda var olan tüm alüminyum ²⁷Al'dir. Bunun temel sebebi, ²⁶Al'nin 728,000 yıllık yarı ömrünün herhangi bir orijinal çekirdeğin hayatta kalması için çok kısa olmasıdır. Evrendeki ²⁶Al soyu bu nedenle yüksek ölçüde tükenmiştir.^[1]Hidrojen füsyonu ²⁶Al'nin birincil kaynağıdır. ²⁵Mg çekirdeği bir serbest protonu yakaladıktan sonra ortaya çıkar. Bununla birlikte, var olan eser miktardaki ²⁶Al, yıldızlararası gazdaki en yaygın gama ışını yayıcısı olarak bilinir. Bu nedenle, orijinal ²⁶Al'nın soyu yüksek ölçüde tükenmemiş olsaydı, Samanyolu'nun gama ışını haritaları daha parlak gözükürdü.^[2]

Dünya'da

Dünya'nın kütlece yaklaşık %1.59'u alüminyumdur.^[3] Alüminyum, dünyanın kabuğunda evrendekinden daha büyük oranda bulunur çünkü alüminyum, kolayca oksit oluşturarak kayalara bağlanır. Böylelikle Dünya'nın kabuğunda kalır.^[2]Alüminyum, yer kabuğunda metalik element olarak en bol (kütlece %8,23) ve tüm elementler arasında (oksijen ve silikondan sonra) en fazla bulunan üçüncü elementtir.^[4]

Alüminyum yaygın bir element olmasına rağmen, tüm alüminyum mineralleri ekonomik olarak uygun metal kaynakları değildir. Hemen hemen tüm metalik alüminyum, cevher boksitinden (AlO_x (OH)_3–2x) üretilir. Boksit, tropikal iklim koşullarında demir ve silika kayasının ayrışma ürünü olarak ortaya çıkmaktadır.^[5] 2017'de çoğu boksit Avustralya, Çin, Gine ve Hindistan'da çıkarılmıştır.^[6]

Uygulama ve Kullanım Alanları

Alüminyum (Al) ve alaşımları, sahip oldukları fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle evsel malzemelerden yüksek teknolojili cihazlara, yapı elemanlarından otomotiv ve havacılık sanayisine kadar birçok alanda vazgeçilmez bir malzeme haline gelmiştir. Diğer birçok metale göre ucuz olması, geri dönüştürülebilmesi, bol bulunması, hafif olması, uygun koşullarda yapılan ısıl işlem ile elde edilen yüksek mukavemet ve yüksek korozyon dayanımı nedeniyle sanayi uygulamalarında yüksek talep görmektedir. Özellikle yüzey özelliklerinde yapılan iyileştirmeler, alüminyum ve alaşımlarının mevcut avantajlarına yeni avantajlar ilave etmektedir.

Alüminyum:

• Düşük yoğunluğundan dolayı ulaşım araçlarında (otomobiller, uçaklar, kamyonlar, vagonlar, deniz araçları, bisikletler, uzay araçları vb.),
• Toksik veya emici olmadığı ve parçalanmaya karşı dayanıklı olduğu için ambalaj malzemesi (kutular, folyolar, çerçeveler vb.) olarak,
• Hafiflik, korozyon direnci veya mühendislik özellikleri önemli olduğunda bina ve inşaat alanında (pencereler, kapılar, dış cephe kaplaması, inşaat teli, mantolama, çatı kaplama vb.),
• Oldukça iletken olması, yeterli mukavemete ve düşük yoğunluğa sahip olması nedeniyle elektrikle ilgili alanlarda (iletken alaşımları, motorlar ve jeneratörler, transformatörler, kapasitörler vb.),
• Yemek pişirme gereçlerinden mobilyalara kadar çeşitli ev eşyalarında,

kullanılır.

Alüminyumun oransal olarak kullanım alanları; inşaatta %25 , ulaşım alanında %24, ambalaj sektöründe %15, elektrik sanayii ve elektronik alanında %10, genel mühendislikte %9, ağaç işleri ile büro mobilyalarında %6, demir çelik ve metalürji sektöründe %3 kimya endüstrisi ve tarım ihtiyaçlarında %1 ve kalan yerlerde ise %7,5 olarak verilmiştir.

Korozyon Özelliği

Üretilen alüminyum atmosfere maruz kaldığı zaman yüzeyinde hemen ince bir oksit film oluşur. Bu oksit film zarar görse bile hemen kendini yeniler. Oksit tabakanın kalınlığı genellikle 1-8 nanometre kadardır. Alüminyumda bulunan alüminyum oksitin genel olarak yapısının dışında hidratlı alüminyum oksit içeren amorf olduğu varsayılmaktadır. Alüminyum endüstrisi, şu andaki yaygınlığını, bu oksit filme borçludur. Yüzeylerinde doğal olarak oluşan oksit film nedeniyle korozyona dayanıklı metallerdir. Ancak bu tip koruyucu oksit oluşturarak pasifleşen diğer metaller gibi onlar da halojen iyonlarına karşı dayanıksızdırlar, kolayca bölgesel korozyona (oyuklanma) uğrarlar.

Alüminyum ve alaşımlarının genel korozyon davranışını etkileyen iki temel etken bulunmaktadır: Bunlardan ilki malzemenin çalıştığı ortam, ikincisi ise malzemenin metalürjik ve kimyasal yapısıdır. Malzemenin çalışabileceği ortamlar atmosfer, toprak ve kimyasal ortam gibi çok farklı ortam olabilmektedir. Ancak alüminyum ve alaşımları için en tehlikeli ortamlar sülfat ve klorür içeren endüstriyel ve deniz ortamlarıdır. Alüminyumun saflığı azaldığında ve alaşım elementleri eklendiğinde korozyon direnci azalmaktadır. Bakır, korozyon direncini diğer elementlere nazaran daha fazla azaltırken, magnezyum elementi en az etkiye sahiptir.

Metallerdeki korozyon, metal ile sulu çözelti arasındaki elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu meydana gelir ve metalin atomik yapısı ile bağlantılı olarak karmaşık elektrokimyasal süreçte devam eder. Metal ve çözelti ara yüzeyinde, elektrik yüklerinin taşınımı elektrokimyasal reaksiyonlara neden olur.

Tarihi

Alüminyumun tarihi, şap kullanımı ile şekillenmiştir. Yunan tarihçi Herodot tarafından tutulan ilk yazılı şap kaydı, MÖ 5. yüzyıla kadar uzanmaktadır. Eskilerin şapı, boyama malzemesi olarak ve şehir savunması için kullandıkları bilinmektedir. Haçlı Seferleri'nden sonra, Avrupa kumaş endüstrisinin vazgeçilmez bir parçası olan şap, uluslararası ticaret kaynağı olmuştur.

15. yüzyılın ortalarına kadar Doğu Akdeniz'den Avrupa'ya ithal edilmiştir.^{[7], [8]} 1530 civarında, İsviçreli hekim Paracelsus, şapın bir şap toprağının tuzu olduğunu öne sürmüş ve 1595'te Alman doktor ve kimyager Andreas Libavius bunu deneysel olarak doğrulamıştır. 1722'de Alman kimyager Friedrich Hoffmann, şap tabanının ayrı bir toprak olduğuna inandığını açıklamıştır.

1754'te Alman kimyager Andreas Sigismund Marggraf, sülfürik asit içinde kili kaynatıp ardından potas ekleyerek alüminayı sentezlemiştir.^{[7], [9], [10]} Alüminyum metalini üretme girişimleri 1760 yılına kadar uzanmaktadır. Ancak ilk başarılı girişim, 1824'te Danimarkalı fizikçi ve kimyager Hans Christian Oersted tarafından tamamlanmıştır. Aynı yıl Wöhler, susuz alüminyum klorürü potasyumla karıştırarak benzer bir deney yapmış ve alüminyum tozu üretmiştir. 1845'te küçük metal parçaları üretmeyi başarmıştır. Bundan sonraki yıllar boyunca Wöhler, alüminyumun kâşifi olarak anılmıştır.^{[11], [7], [12]}

Alüminyumun sanayide kullanılmaya başlanması, elektroliz yönteminin kullanılmaya başlaması ile gerçekleşmiştir. Yoğunluğu nedeniyle sanayide kullanılan bakır, pirinç, çelik ve diğer mühendislik malzemeleri ile kıyaslandığında hafiflik, mukavemet, yüksek derecede ısı ve elektrik iletkenliği, kolay şekillendirilebilme, üstün korozyon direnci, işleme ve ısıl işlem yapılabilirliği özelliklerinden dolayı tercih edilmektedir. Teknoloji ve endüstrinin gelişmesiyle birlikte çeliğe alternatif bir malzeme olarak kullanımı yaygınlaşmıştır.

Bilim insanları, günümüze kadar alüminyumun diğer kimyasal elementlerle bileşik oluşturmasının kolaylığıyla çok farklı özelliklere sahip alaşımlar geliştirebilmişlerdir. Yüksek şekillendirilebilirlik, mekanik özelliklerinin iyiliği, iletkenlik, ekonomik ve uzun ömürlü olması, nihai ürün prosesinin kolaylığı ve korozyon direncinin yüksek olması alüminyumun her geçen gün kullanımını arttırmaktadır. Özellikle havacılık ve uzay sanayii, otomotiv endüstrisi, ambalaj, inşaat ve tarım sanayilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Alüminyum ve alaşımlarının global anlamda da değerli bir yeri vardır. Son yıllarda elektrikli araç üretimi taleplerinin artması ve otomobillerin elektrikli araçlara geçişindeki projelerde yoğunluğu düşük olan alüminyum ve alaşımlarının kullanılması yaygınlaşmış ve talepler artmıştır. Katı yakıt tüketen araçlarda ise özellikle otomobil, tren, otobüs, kamyon gibi büyük araçlarda alüminyum kullanımı önemli yakıt tasarrufu sağlamaktadır.

Alüminyum alaşımlarının hafifliğinin yanında sağlamlığından dolayı da uçak, gemi ve tekne üretiminde de kullanım oranı artırmıştır. Otomotiv endüstrisinde; yüksek mekanik özelliklere sahip, korozyon direnci yüksek ve daha hafif parçalar alüminyum olmadan elde edilemez. Otomotiv ve havacılık sektöründe tasarımcılar, alüminyumun tüm avantajlarını taşıyan farklı malzeme arayışı içerisine girmişler ve sadece karbon fiberler aday olarak belirleyebilmişlerdir. Buna rağmen kompozitlerin üretim maliyetleri alüminyumdan daha yüksek olmasının yanı sıra, karbon kompozitler bazı durumlarda gerekli güvenlik seviyesine ulaşamamıştır. Bu nedenle alüminyum otomotiv ve havacılık sektöründe vazgeçilmez bir malzeme olarak yerini almıştır.

Etimolojisi

Alüminyum adı, "alumine" kelimesinden türetilmiştir. Alümin adı Fransızca'dan alınmış ve toplandığı mineral olan şapın klasik Latince adı olan "alümen"den türetmiştir. Latince alumen kelimesi Hint-Avrupa dilinde "alu-" kökünden türetilmiş olup "acı" veya "bira" anlamına gelir.

Önlem ve Güven

Alüminyum, ağır metaller kadar zehirli değildir. Alüminyum, Amerika Birleşik Devletleri Sağlık ve İnsan Hizmetleri Departmanı tarafından kanserojen olmayan element olarak sınıflandırılmıştır.^[13] Alüminyuma doğrudan maruz kalmanın, sağlıklı yetişkinler için risk oluşturduğuna dair çok az kanıt vardır ve vücut kütlesinin kilogramı başına 40 mg/gün'den fazla olmayan miktarlarda tüketilirse zehirleme etkisi yoktur.^{[14], [15]}