Aluminiumoksid - Aluminium oxide

Aluminiumoksid
(aluminiumoksid)
Corundum-3D-balls.png
Aluminiumoksid2.jpg
Identifikatorer
3D -modell ( JSmol )
CHEMBL
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.014.265 Rediger dette på Wikidata
EC -nummer
RTECS -nummer
UNII
  • InChI = 1S/2Al.3O/q2*+3; 3*-2 kryss avY
    Nøkkel: PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N kryss avY
  • InChI = 1/2Al.3O/q2*+3; 3*-2
    Nøkkel: PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYAC
  • [Al+3]. [Al+3]. [O-2]. [O-2]. [O-2]
  • [O-2]. [O-2]. [O-2]. [Al+3]. [Al+3]
Egenskaper
Al 2 O 3
Molar masse 101,960  g · mol −1
Utseende hvitt fast stoff
Lukt luktfri
Tetthet 3,987 g/cm 3
Smeltepunkt 2.072 ° C (3.762 ° F; 2.345 K)
Kokepunkt 2.977 ° C (5.291 ° F; 3.250 K)
uløselig
Løselighet uløselig i alle løsningsmidler
logg P 0,31860
−37,0 × 10 −6 cm 3 /mol
Termisk ledningsevne 30 W · m −1 · K −1
n ω = 1.768–1.772
n ε = 1.760–1.763
Birefringence 0.008
Struktur
Trigonal , hR30
R 3 c (nr. 167)
a  = 478,5 pm, c  = 1299,1 pm
oktaedrisk
Termokjemi
Std molar
entropi
( S o 298 )
50,92 J · mol −1 · K −1
Std
formasjonsentalpi
f H 298 )
−1675,7 kJ/mol
Farmakologi
D10AX04 ( WHO )
Farer
Sikkerhetsdatablad Se: dataside
GHS -piktogrammer GHS07: Farlig
NFPA 704 (brann diamant)
0
0
0
Flammepunkt Ikke brennbar
NIOSH (amerikanske helseeksponeringsgrenser):
PEL (tillatt)
OSHA 15 mg/m 3 (totalt støv)
OSHA 5 mg/m 3 (Respirabel fraksjon)
ACGIH/TLV 10 mg/m 3
REL (anbefalt)
ingen
IDLH (Umiddelbar fare)
ND
Relaterte forbindelser
Andre anioner
aluminiumhydroksid
aluminiumsulfid
aluminiumselenid
Andre kationer
bortrioksid
galliumoksid
indiumoksid
talliumoksid
Supplerende dataside
Brytningsindeks ( n ),
Dielektrisk konstantr ), etc.
Termodynamiske
data
Faseadferd
fast – væske – gass
UV , IR , NMR , MS
Med mindre annet er angitt, gis data for materialer i standardtilstand (ved 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
kryss avY bekreft  ( hva er   ?) kryss avY☒N
Infobox -referanser

Aluminiumoksid er en kjemisk forbindelse av aluminium og oksygen med den kjemiske formelen Al 2 O 3 . Det er det vanligste forekomsten av flere aluminiumoksider , og spesifikt identifisert som aluminium (III) oksid . Det kalles vanligvis aluminiumoksyd og kan også kalles aloksyd , aloksitt eller alund, avhengig av bestemte former eller bruksområder. Det forekommer naturlig i sin krystallinske polymorfe fase α-Al 2 O 3 som mineralsk korund , hvorav varianter danner de edle edelstenene rubin og safir . Al 2 O 3 er vesentlig når det gjelder produksjon av aluminiummetall, som et slipemiddel på grunn av hardheten og som et ildfast materiale på grunn av det høye smeltepunktet.

Naturlig forekomst

Corundum er den vanligste naturlig forekommende krystallinske formen av aluminiumoksyd. Rubiner og safirer er korundformer av perlekvalitet, som skylder sine karakteristiske farger å spore urenheter. Rubiner får sin karakteristiske dype røde farge og sine laserkvaliteter av spor av krom . Safirer kommer i forskjellige farger gitt av forskjellige andre urenheter, for eksempel jern og titan. En ekstremt sjelden δ -form forekommer som mineralet deltalumitt.

Egenskaper

Aluminiumoksyd i pulverform.
Aluminiumoksyd i pulverform.

Al 2 O 3 er en elektrisk isolator, men har en relativt høy varmeledningsevne ( 30 Wm −1 K −1 ) for et keramisk materiale. Aluminiumoksid er uløselig i vann. I sin vanligste krystallinske form, kalt korund eller α-aluminiumoksid, gjør hardheten den egnet til bruk som slipemiddel og som en komponent i skjæreverktøy .

Aluminiumoksid er ansvarlig for motstanden mellom metallisk aluminium og vær . Metallisk aluminium er veldig reaktivt med atmosfærisk oksygen, og et tynt passiveringslag av aluminiumoksyd (4 nm tykkelse) dannes på en eksponert aluminiumsoverflate i løpet av hundrevis av pikosekunder. Dette laget beskytter metallet mot ytterligere oksidasjon. Tykkelsen og egenskapene til dette oksydlaget kan forbedres ved hjelp av en prosess som kalles anodisering . En rekke legeringer , for eksempel aluminiumsbronse , utnytter denne egenskapen ved å inkludere en andel aluminium i legeringen for å øke korrosjonsbestandigheten. Aluminiumoksydet som genereres ved anodisering er vanligvis amorft , men utslippsassisterte oksidasjonsprosesser som elektrolytisk oksidasjon i plasma resulterer i en betydelig andel av krystallinsk aluminiumoksyd i belegget, noe som øker hardheten .

Aluminiumoksid ble fjernet fra United States Environmental Protection Agency sine kjemikalielister i 1988. Aluminiumoksid er på EPAs liste over toksiske frigivelsesinventarer hvis det er en fiberform.

Amfoterisk natur

Aluminiumoksid er et amfoterisk stoff, noe som betyr at det kan reagere med både syrer og baser , som flussyre og natriumhydroksid , som fungerer som en syre med en base og en base med en syre, nøytraliserer den andre og produserer et salt.

Al 2 O 3 + 6 HF → 2 AlF 3 + 3 H 2 O
Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3 H 2 O → 2 NaAl (OH) 4 ( natriumaluminat )

Struktur

Corundum fra Brasil , størrelse ca 2 × 3 cm.

Den vanligste formen for krystallinsk aluminiumoksid er kjent som korund , som er den termodynamisk stabile formen. Oksygenionene danner en nesten sekskantet tettpakket struktur med aluminiumionene som fyller to tredjedeler av de oktaedriske mellomrom. Hvert Al 3+ senter er oktaedrisk . Når det gjelder krystallografien , adopterer korund et trigonal Bravais -gitter med en romgruppeR 3 c (nummer 167 i de internasjonale tabellene). Den primitive cellen inneholder to formelenheter av aluminiumoksid.

Aluminiumoksid eksisterer også i andre metastabile faser, inkludert de kubiske γ og η fasene, den monokliniske θ fasen, den sekskantede χ fasen, den ortorombiske κ fasen og δ fasen som kan være tetragonal eller ortorhombisk. Hver har en unik krystallstruktur og egenskaper. Cubic γ-Al 2 O 3 har viktige tekniske applikasjoner. Den såkalte β-Al 2 O 3 viste seg å være NaAl 11 O 17 .

Smeltet aluminiumoksid nær smeltetemperaturen er omtrent 2/3 tetraedrisk (dvs. 2/3 av Al er omgitt av 4 oksygen naboer), og 1/3 5-koordinert, med svært lite (<5%) oktaedrisk Al-O tilstede . Rundt 80% av oksygenatomene deles mellom tre eller flere Al-O-polyeder, og flertallet av mellompolyedriske forbindelser er hjørnedeling, mens de resterende 10–20% er kantdeling. Fordelingen av oktaedre ved smelting er ledsaget av en forholdsvis stor volumøkning (~ 33%), er tettheten av væsken i nærheten av sitt smeltepunkt 2,93 g / cm 3 . Strukturen til smeltet aluminiumoksyd er temperaturavhengig og fraksjonen av 5- og 6-fold aluminium øker under avkjøling (og superkjøling), på bekostning av tetraedriske AlO 4- enheter, og nærmer seg de lokale strukturarrangementene som finnes i amorft aluminiumoksyd.

Produksjon

Aluminium hydroksid mineraler er hovedkomponenten av bauxitt , den viktigste malm av aluminium . En blanding av mineralene består av bauxittmalm, inkludert gibbsitt (Al (OH) 3 ), boehmitt (γ-AlO (OH)) og diaspore (α-AlO (OH)), sammen med urenheter av jernoksider og hydroksider, kvarts og leiremineraler . Bauxitter finnes i lateritter . Bauxitt renses ved Bayer -prosessen :

Al 2 O 3 + H 2 O + NaOH → NaAl (OH) 4
Al (OH) 3 + NaOH → NaAl (OH) 4

Bortsett fra SiO 2 , oppløses ikke de andre komponentene i bauxitt i basen. Ved filtrering av basisblandingen, Fe 2 O 3 er fjernet. Når Bayer -væsken er avkjølt, utfelles Al (OH) 3 og etterlater silikatene i oppløsning.

NaAl (OH) 4 → NaOH + Al (OH) 3

Det faste Al (OH) 3 Gibbsite blir deretter kalsinert (oppvarmet til over 1100 ° C) for å gi aluminiumoksyd:

2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Produktet aluminiumoksid har en tendens til å være flerfaset, dvs. består av flere faser av aluminiumoksyd i stedet for utelukkende korund . Produksjonsprosessen kan derfor optimaliseres for å produsere et skreddersydd produkt. Den aktuelle fasen påvirker for eksempel løseligheten og porestrukturen til aluminiumoksydproduktet, noe som igjen påvirker kostnadene ved aluminiumsproduksjon og forurensningskontroll.

applikasjoner

Kjent som alfa -aluminiumoksyd i materialvitenskapelige lokalsamfunn eller alundum (i smeltet form) eller aloksitt i gruve- og keramiske samfunn. Aluminiumoksid finner stor bruk. Årlig verdensproduksjon av aluminiumoksid i 2015 var omtrent 115 millioner tonn , hvorav over 90% brukes til produksjon av aluminiummetall. De viktigste bruksområdene for spesialiserte aluminiumoksider er i ildfaste materialer, keramikk, polering og slipende applikasjoner. Store mengder aluminiumhydroksid, hvorfra aluminiumoksyd stammer, brukes til fremstilling av zeolitter , belegg av titania -pigmenter og som brannhemmende/røykdempende middel.

Over 90% av aluminiumoksydet, normalt kalt Smelter Grade Alumina (SGA), blir konsumert for produksjon av aluminium, vanligvis ved Hall – Héroult -prosessen . Resten, vanligvis kalt spesialitet aluminiumoksyd, brukes i en lang rekke applikasjoner som gjenspeiler dens treghet, temperaturmotstand og elektriske motstand.

Fyllstoffer

Å være ganske kjemisk inert og hvitt, er aluminiumoksid et favoritt fyllstoff for plast. Aluminiumoksid er en vanlig ingrediens i solkrem og er noen ganger også til stede i kosmetikk som rødme, leppestift og neglelakk.

Glass

Mange glassformuleringer har aluminiumoksid som ingrediens. Aluminosilikatglass er en vanlig glasstype som ofte inneholder 5% til 10% aluminiumoksyd.

Katalyse

Aluminiumoksyd katalyserer en rekke reaksjoner som er nyttige industrielt. I den største applikasjonen er aluminiumoksyd katalysatoren i Claus -prosessen for å omdanne avgasser av hydrogensulfid til elementært svovel i raffinerier. Det er også nyttig for dehydrering av alkoholer til alkener.

Aluminiumoksid fungerer som en katalysatorbærer for mange industrielle katalysatorer, for eksempel de som brukes i hydrodesulfurization og noen Ziegler - Natta polymerisasjoner.

Gassrensing

Aluminiumoksyd er mye brukt for å fjerne vann fra gassstrømmer.

Slipende

Aluminiumoksid brukes for sin hardhet og styrke. Den naturlig forekommende formen, Corundum , er en 9 på Mohs skala for mineralhardhet (like under diamant). Det er mye brukt som slipemiddel , inkludert som en mye rimeligere erstatning for industriell diamant . Mange typer sandpapir bruker aluminiumoksydkrystaller. I tillegg gjør den lave varmeoppbevaringen og den lave spesifikke varmen den mye brukt i slipingsoperasjoner, spesielt avskjæringsverktøy . Som det pulverformige slipemineralet aloksitt , er det en hovedkomponent, sammen med silika , av cue -spissen "kritt" som brukes i biljard . Aluminiumoksidpulver brukes i noen CD / DVD- polerings- og ripereparasjonssett. Dens poleringskvaliteter ligger også bak bruken i tannkrem. Det brukes også i mikrodermabrasjon , både i maskinprosessen som er tilgjengelig gjennom hudleger og estetikere, og som et manuelt dermal slipemiddel som brukes i henhold til produsentens anvisninger.

Maling

Aluminiumoksydflak brukes i maling for reflekterende dekorative effekter, for eksempel i bil- eller kosmetikkindustrien.

Sammensatt fiber

Aluminiumoksyd har blitt brukt i noen få eksperimentelle og kommersielle fibermaterialer for applikasjoner med høy ytelse (f.eks. Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). Spesielt alumina nanofibre har blitt et forskningsfelt.

Kroppsbeskyttelse

Noen karosseripanser bruker keramiske aluminiumsplater, vanligvis i kombinasjon med aramid- eller UHMWPE -støtte for å oppnå effektivitet mot de fleste rifltrusler. Alumina keramisk rustning er lett tilgjengelig for de fleste sivile i jurisdiksjoner der det er lovlig, men regnes ikke som militær karakter.

Slitasjebeskyttelse

Aluminiumoksyd kan dyrkes som et belegg på aluminium ved anodisering eller ved plasmaelektrolytisk oksidasjon (se "Egenskaper" ovenfor). Både beleggets hardhet og slitestyrke stammer fra aluminiumsoksydets høye styrke, men det porøse belegglaget som produseres med konvensjonelle anodiseringsprosedyrer er innenfor et 60-70 Rockwell hardhet C-område som bare kan sammenlignes med herdet karbonstål legeringer, men betydelig dårligere enn hardheten til naturlig og syntetisk korund. I stedet for, med plasmaelektrolytisk oksidasjon , er belegget porøst bare på overflateoksydlaget mens de nedre oksidlagene er mye mer kompakte enn med vanlige DC-anodiseringsprosedyrer og gir en høyere krystallinitet på grunn av at oksydlagene smeltes om og fortettes for å oppnå α- Al2O3 -klynger med mye høyere belegghardhetsverdier rundt 2000 Vickers -hardhet.

Aluminiumoksydproduksjon i 2005

Alumina brukes til å produsere fliser som er festet inne i pulveriserte drivstoffledninger og røykgassrør på kullkraftverk for å beskytte områder med høy slitasje. De er ikke egnet for områder med høye slagkrefter da disse flisene er sprø og utsatt for brudd.

Elektrisk isolasjon

Aluminiumoksid er en elektrisk isolator som brukes som et substrat ( silisium på safir ) for integrerte kretser, men også som en tunnelbarriere for fremstilling av superledende enheter som enkeltelektrontransistorer og superledende kvanteinterferensanordninger ( SQUIDs ).

For dens anvendelse som en elektrisk isolator i integrerte kretser, hvor det konforme veksten av en tynn film er en forutsetning, og det foretrukne vekst modus er atomlag avsetning , Al 2 O 3 filmer kan fremstilles ved kjemisk utveksling mellom trimetylaluminium (Al (CH 3 ) 3 ) og H 2 O:

2 Al (CH 3 ) 3 + 3 H 2 O → Al 2 O 3 + 6 CH 4

H 2 O i den ovennevnte reaksjon kan være erstattet med ozon (O 3 ) som den aktive oksidant, og den følgende reaksjon finner så sted:

2 Al (CH 3 ) 3 + O 3 → Al 2 O 3 + 3 C 2 H 6

Al- 2 O 3- filmer fremstilt ved anvendelse av O 3 viser 10-100 ganger lavere lekkasjestrømtetthet sammenlignet med de som fremstilles ved H 2 O.

Aluminiumoksyd, som er et dielektrikum med relativt stort båndgap , brukes som isolerende barriere i kondensatorer .

Annen

I belysning brukes transparent aluminiumoksid i noen natriumdamplamper . Aluminiumoksyd brukes også til fremstilling av beleggoppheng i kompakte lysrør .

I kjemielaboratorier er aluminiumoksid et medium for kromatografi , tilgjengelig i basiske (pH 9,5), sure (pH 4,5 når det er i vann) og nøytrale formuleringer.

Helse og medisinske applikasjoner inkluderer det som et materiale i hofteerstatninger og p -piller .

Den brukes som en scintillator og dosimeter for strålebeskyttelse og terapiprogrammer for sine optisk stimulerte luminescensegenskaper .

Isolasjon for ovner med høy temperatur produseres ofte av aluminiumoksyd. Noen ganger har isolasjonen varierende prosentandeler silika, avhengig av materialets temperatur. Isolasjonen kan lages i teppe, brett, murstein og løse fiberformer for ulike applikasjonskrav.

Små biter av aluminiumoksid brukes ofte som kokende flis i kjemi.

Det er også brukt til å lage tennplugg isolatorer .

Ved å bruke en plasmasprayprosess og blandet med titania , blir den belagt på bremseoverflaten på noen sykkelfelger for å gi slitasje og slitestyrke.

De fleste keramiske øyne på fiskestenger er sirkulære ringer laget av aluminiumoksid.

I sin fineste pulveriserte (hvite) form, kalt Diamantine , brukes aluminiumoksid som et overlegen slipemiddel for urmakeri og urmakeri.

Aluminiumoksid brukes også i belegget av stank i motorcross- og terrengsykkelindustrien. Dette belegget kombineres med molybdenumdisulfat for å gi langsiktig smøring av overflaten.

Se også

Referanser

Eksterne linker