Алуминиев оксид

от Уикипедия, свободната енциклопедия
(пренасочване от Алуминиев окис)
Направо към навигацията Направо към търсенето
Алуминиев оксид
Corundum-3D-balls.png
Имена
Други корунд
Идентификатори
Номер на CAS 1344-28-1
PubChem 9989226
ChemSpider 8164808
Номер в RTECS BD120000
SMILES
[Al+3].[Al+3].[O-2].[O-2].[O-2]
StdInChI
1S/2Al.3O/q2*+3;3*-2
StdInChI ключ PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N
InChI 1/2Al.3O/q2*+3;3*-2
InChI ключ PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYAC
UNII LMI26O6933
Качества
Формула Al2O3
Моларна маса 101,96 g·mol−1
Външен вид бяло твърдо вещество
Плътност 3,987 g/cm3
Точка на топене 2072 °C (2345 K)
Точка на кипене 2977 °C (3250 K)
Разтворимост във вода неразтворимо
Разтворимост в диетилов етер неразтворимо
Магнитна чувствителност −37.0×10−6 cm3/mol
Топлопроводимост 30 W·m−1·K−1
Индекс на пречупване nω=1,768 – 1,772
nε=1,760 – 1,763
Двойно лъчепречупване: 0,008
Структура
Кристална структура тригонална
Пространствена група hR30
Координация октаедърна
Опасности
Точка на запалване незапалим
Данните са при стандартно състояние
на материалите (25°C, 100 kPa)
,
освен където е указано другояче.

Алуминиев оксид е химично съединение на алуминий и кислород с химична формула Al2O3. Това е най-често срещаният оксид на алуминия и по-конкретно се обозначава като алуминиев(III) оксид. В природата се среща в кристалната си полиморфна фаза α-Al2O3, известна като минерал корунд, чиито разновидности са скъпоценните камъни рубин и сапфир. Алуминиевият оксид се използва за добиване на алуминий, като абразив и като огнеупорен материал поради високата му температура на топене.[1]

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

Алуминиев оксид на прах.
Корунд от Бразилия с размери около 2×3 cm.
Добив на алуминиев оксид по света към 2005 г.

Al2O3 е електрически изолатор, но има относително висока топлинна проводимост (30 Wm−1K−1)[2] за керамичен материал. Алуминиевият оксид е неразтворим във вода. Под естествената си кристална форма, наречена корунд, неговата твърдост го прави подходящ за употреба като абразив и като компонент в режещите инструменти.[1]

Алуминиевият оксид е отговорен за устойчивостта на металния алуминий към корозия. Металният алуминий реагира с кислорода в атмосферата, при което се образува тънък пасивиращ слой от алуминиев оксид (4 nm дебел).[3] Този слой предпазва метала от по-нататъшно окисление. Дебелината и свойствата на този оксиден слой могат да бъдат подобрени чрез процес, наречен анодиране. Ред сплави, като например алуминиевият бронз, използват това свойство, като включват алуминий в сплавта, за да се подобри устойчивостта към корозия. Алуминиевият оксид, получен чрез анодиране, обикновено е аморфен, докато при използване на окислителни процеси в дъгов разряд материалът съдържа значителни включвания от кристален алуминиев оксид, с което се подобрява твърдостта на покритието.

Алуминиевият оксид е амфотерно вещество, което означава, че реагира както с киселини, така и с основи:

Al2O3 + 6 HF → 2 AlF3 + 3 H2O
Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 NaAl(OH)4 (натриев алуминат)

Структура[редактиране | редактиране на кода]

Най-често срещаната форма на кристален алуминиев оксид е корундът, което е термодинамично стабилната форма.[4] Кислородните йони образуват почти шестоъгълна структура, а алуминиевите йони запълват 2/3 от октаедричните пролуки. Всеки Al3+ център е октаедричен. По отношение на кристалографията, корундът има тригонална кристална решетка с пространствена група R-3c. Елементарната клетка съдържа две формулни единици от алуминиев оксид.

Алуминиевият оксид съществува и в други кристални модификации, включително кубичните γ и η фази, моноклинната θ фаза, шестоъгълната χ фаза, орторомбичната κ фаза и фазата δ, която може да е тетрагонална или орторомбична.[4][5] Всяка има уникална кристална структура и свойства. Кубичният γ-Al2O3 има важни технически приложения.[6]

Разтопеният алуминиев оксид близо до температурата на топене е приблизително на 2/3 тетраедричен и 1/3 - 5-координиран, с много малко включване на (<5%) октаедричен Al-O.[7] Около 80% от кислородните атоми се споделят от три или повече Al-O многостена.[7] Разпадането на октаедрите при топене е придружено от относително голямо увеличение в обема (~20%). Плътността на течността близо до точката на топене е 2,93 g/cm3.[8]

Добиване[редактиране | редактиране на кода]

Алуминиевите хидроксидни минерали са основният компонент на боксита, главната руда за добив на алуминий. Бокситът се среща в латерити и се пречиства чрез процес на Байер:

Al2O3 + H2O + NaOH → NaAl(OH)4
Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4

Освен SiO2, другите компоненти на боксита не се разтварят в основи. След филтриране на основната смес се премахва Fe2O3. Когато Байеровият разтвор се охлади, Al(OH)3 се охлажда, оставяйки силикатите в разтвора.

NaAl(OH)4 → NaOH + Al(OH)3

Твърдият Al(OH)3 гибсит след това се калцинира (нагрява се до над 1100 °C), при което се получава алуминиев оксид:[1]

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

Добитият алуминиев оксид обикновено е мултифазов, т.е. съставен е от няколко фази на алуминиев оксид, отколкото само корунд.[5] Процесът може да бъде оптимизиран така, че да произвежда определен продукт. Видът на налични фази може да повлияе на разтворимостта и структурата на алуминиевия оксид, който от своя страна влияе на цената на производството на алуминий.[5]

За употребата му като диелектрик в интегрални схеми, където отлагане на тънък слой е необходимо условие и предпочитаният начин за нанасянето е атомно-слоева епитаксия, слоеве от Al2O3 могат да се приготвят чрез химичното взаимодействие между триметилалуминий Al(CH3)3 и H2O:[9]

2 Al(CH3)3 + 3 H2O → Al2O3 + 6 CH4

H2O в горната реакция може да бъде заменен от озон (O3) като активен окислител, след което настъпва следната реакция:[10][11]

2 Al(CH3)3 + O3 → Al2O3 + 3 C2H6

Слоеве от Al2O3, приготвени с O3 показват 10 – 100 пъти по-ниска плътност на утечките на ток в сравнение с тези, приготвени с H2O.

Световният добив на алуминиев оксид към 2015 г. е приблизително 1150 милиона тона, над 90% от които се използват за производството на метала алуминий.[1]

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

Освен за производство на метала алуминий, алуминиевият оксид намира широко приложение там, където е нужна инертност и устойчивост на електричество и топлина.[12]

Филер[редактиране | редактиране на кода]

Бидейки химически инертен и бял, алуминиевият оксид се използва като филер при пластмасите. Често срещана съставка е при слънцезащитните кремове и понякога присъства в козметични продукти като руж, червило и лак за нокти.

Стъкло[редактиране | редактиране на кода]

Много видове стъкло имат алуминиев оксид като съставка.[13]

Катализатор[редактиране | редактиране на кода]

Алуминиевият оксид катализира различни реакции, които имат промишлено значение. Използва се в процеса на Клаус за преобразуване на отпадъчен сероводород в сяра в рафинериите. Полезен е и при дехидратацията на алкохоли до алкени.

Пречиствател[редактиране | редактиране на кода]

Алуминиевият оксид се използва широко за премахване на водата от газови потоци.[14]

Абразив[редактиране | редактиране на кода]

Алуминиевият оксид се използва за твърдостта му и здравината му. Има широко приложение като абразив, включително и като евтин заместител на промишлените диаманти. Много видове шкурки използват кристали от алуминиев оксид. Освен това, устойчивостта му към топлина го прави подходящ за шлайфови операции и за металрежещи инструменти. Заедно със силициевия диоксид той е един от главните компоненти на кредата за билярдните щеки. Използва се и при полирането на CD и DVD дискове, както и в пастите за зъби за същата цел.

Боя[редактиране | редактиране на кода]

Люспи от алуминиев оксид се използват в някои бои за отразителен декоративен ефект, каквито се използват в автомобилната промишленост.

Абразивна защита[редактиране | редактиране на кода]

Алуминиевият оксид може да се прилага като покритие чрез анодиране или микродъгово оксидиране. Както твърдостта му, така и абразивоустойчивите му характеристики се дължат на голямата здравина на съединението. Въпреки това, пористият слой на покритието, направен с конвенционален постоянен ток, не е с особено висока твърдост[15] и е сравним със сплавите на закалената стомана, но е значително по-мек от естествения или изкуствения корунд.

Съединението се използва при производството на тухли, които се поставят в горивни канали и димоотводи на топлоелектрически централи, работещи на въглища, за защита на зоните на износване. Не са подходящи за защита от силни удари, тъй като тези тухли са крехки.

Други[редактиране | редактиране на кода]

В осветлението се използва прозрачен алуминиев оксид в някои натриеви лампи.[16]

В медицината се използва като материал при операциите на тазобедрената става[1] и при противозачатъчните хапчета.[17]

Бидейки диелектрик, алуминиевият оксид се използва като изолираща бариера в кондензаторите.[18]

Използва се и при направата на изолация за запалителни свещи.[19]

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. а б в г д Alumina (Aluminium Oxide) – The Different Types of Commercially Available Grades. // The A to Z of Materials. Посетен на 27 октомври 2007.
  2. Material Properties Data: Alumina (Aluminum Oxide)
  3. Campbell, Timothy и др. Dynamics of Oxidation of Aluminium Nanoclusters using Variable Charge Molecular-Dynamics Simulations on Parallel Computers. // Physical Review Letters 82 (24). 1999. DOI:10.1103/PhysRevLett.82.4866. с. 4866.
  4. а б I. Levin. Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequences. // Journal of the American Ceramic Society 81 (8). 1998. DOI:10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x. с. 1995 – 2012.
  5. а б в Paglia, G.. Determination of the Structure of γ-Alumina using Empirical and First Principles Calculations Combined with Supporting Experiments. // Curtin University of Technology, Perth, 2004. Посетен на 5 май 2009.
  6. Inorganic Chemistry. Elsevier, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  7. а б Skinner, L.B.. Joint diffraction and modeling approach to the structure of liquid alumina. // Phys. Rev. B 87 (2). 2013. DOI:10.1103/PhysRevB.87.024201. с. 024201.
  8. Paradis, P.-F.. Non-Contact Thermophysical Property Measurements of Liquid and Undercooled Alumina. // Jap. J. Appl. Phys. 43 (4). 2004. DOI:10.1143/JJAP.43.1496. с. 1496 – 1500.
  9. Higashi GS, Fleming. Sequential surface chemical reaction limited growth of high quality Al2O3 dielectrics. // Appl. Phys. Lett. 55 (19). 1989. DOI:10.1063/1.102337. с. 1963 – 65.
  10. Improvement in Al2O3 dielectric behavior by using ozone as an oxidant for the atomic layer deposition technique. // J. Appl. Phys. 92 (11). 2002. DOI:10.1063/1.1515951. с. 6739 – 42.
  11. Effects of ozone as an oxygen source on the properties of the Al2O3 thin films prepared by atomic layer deposition. // Mater Chem Phys 78 (3). 2003. DOI:10.1016/S0254-0584(02)00375-9. с. 733 – 38.
  12. Evans, K. A.. Properties and uses of aluminium oxides and aluminium hydroxides. // The Chemistry of Aluminium, Indium and Gallium. Blackie Academic, 1993. ISBN 075140103X.
  13. Akers, Michael J.. Sterile Drug Products: Formulation, Packaging, Manufacturing and Quality. CRC Press, 19 април 2016. ISBN 9781420020564.
  14. Hudson, L. Keith; Misra, Chanakya; Perrotta, Anthony J.; Wefers, Karl and Williams, F. S. (2002) „Aluminum Oxide“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a01_557
  15. Osborn, Joseph H.. understanding and specifying anodizing: what a manufacturer needs to know. // 2014.
  16. GE Innovation Timeline 1957 – 1970. // Посетен на 12 януари 2009.
  17. DailyMed – JUNEL FE 1/20- norethindrone acetate and ethinyl estradiol, and ferrous fumarate. //
  18. Belkin, A. и др. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown. // Sci. Rep.. 2017. DOI:10.1038/s41598-017-01007-9.
  19. Farndon, John. Aluminum. Marshall Cavendish, 2001. ISBN 9780761409472.