Оксид алюминия (или оксид алюминия (III) ) представляет собой химическое соединение алюминия и кислорода с химической формулой Al 2 O 3 . Это наиболее распространенный из нескольких оксидов алюминия , и его конкретно называют оксидом алюминия . Его обычно называют глиноземом , а также можно называть алоксидом , алокситом или алундом в различных формах и применениях. В природе он встречается в кристаллической полиморфной фазе α-Al 2 O 3 в виде минерала корунда , разновидности которого образуют драгоценные камни рубин и сапфир . Al 2 O 3 имеет важное значение для производства металлического алюминия, в качестве абразива из-за его твердости и в качестве огнеупорного материала из-за его высокой температуры плавления. [7]
Корунд является наиболее распространенной природной кристаллической формой оксида алюминия. [8] Рубины и сапфиры — это формы корунда ювелирного качества, характерные цвета которых обусловлены следами примесей. Характерный темно-красный цвет рубинам и их лазерные свойства придаются следами хрома . Сапфиры бывают разных цветов, придаваемых различными примесями, такими как железо и титан. Чрезвычайно редкая форма δ встречается в виде минерала дельталумита. [9] [10]
Область керамики из оксида алюминия имеет долгую историю. Соли алюминия широко использовались в древние и средневековые времена, например, в алхимии . Несколько старых учебников посвящены истории этой области. [11] [12] Учебник Эндрю Руйса 2019 года содержит подробную хронологию истории оксида алюминия с древних времен до 21 века. [13]
Al 2 O 3 является электроизолятором , но имеет относительно высокую теплопроводность ( 30 Втм -1 К -1 ) [2] для керамического материала. Оксид алюминия нерастворим в воде. В наиболее распространенной кристаллической форме, называемой корундом или α-оксидом алюминия, твердость делает его пригодным для использования в качестве абразива и компонента режущих инструментов . [7]
Оксид алюминия отвечает за устойчивость металлического алюминия к атмосферным воздействиям . Металлический алюминий очень реагирует с кислородом воздуха, и тонкий пассивирующий слой оксида алюминия (толщиной 4 нм) образуется на любой открытой алюминиевой поверхности в течение сотен пикосекунд. [ нужен лучший источник ] [14] Этот слой защищает металл от дальнейшего окисления. Толщину и свойства этого оксидного слоя можно улучшить с помощью процесса, называемого анодированием . Ряд сплавов , таких как алюминиевые бронзы , используют это свойство, добавляя в сплав определенное количество алюминия для повышения коррозионной стойкости. Оксид алюминия, образующийся при анодировании, обычно аморфен , но процессы окисления с помощью разряда, такие как плазменно-электролитическое окисление , приводят к образованию значительной доли кристаллического оксида алюминия в покрытии, что повышает его твердость .
Оксид алюминия был исключен из списков химических веществ Агентства по охране окружающей среды США в 1988 году. Оксид алюминия включен в список выбросов токсичных веществ Агентства по охране окружающей среды , если он имеет волокнистую форму. [15]
Оксид алюминия является амфотерным веществом, то есть он может реагировать как с кислотами , так и с основаниями , такими как плавиковая кислота и гидроксид натрия , действуя как кислота с основанием и как основание с кислотой, нейтрализуя другую и образуя соль.
Наиболее распространенная форма кристаллического оксида алюминия известна как корунд , который является термодинамически стабильной формой. [16] Ионы кислорода образуют почти гексагональную плотноупакованную структуру, при этом ионы алюминия заполняют две трети октаэдрических междоузлий. Каждый центр Al 3+ является октаэдрическим . С точки зрения кристаллографии корунд имеет тригональную решетку Браве с пространственной группой R 3 c (номер 167 в международных таблицах) . Примитивная ячейка содержит две формульные единицы оксида алюминия.
Оксид алюминия также существует в других метастабильных фазах, включая кубические фазы γ и η, моноклинную θ-фазу, гексагональную χ-фазу, орторомбическую κ-фазу и δ-фазу, которая может быть тетрагональной или ромбической. [16] [17] Каждый из них имеет уникальную кристаллическую структуру и свойства. Кубический γ-Al 2 O 3 имеет важные технические применения. Так называемый β-Al 2 O 3 оказался NaAl 11 O 17 . [18]
Расплавленный оксид алюминия вблизи температуры плавления примерно на 2/3 состоит из тетраэдра (т.е. 2/3 Al окружен 4 соседями кислорода) и на 1/3 5-координирован, с очень небольшим количеством (<5%) октаэдрического Al-O. . [19] Около 80% атомов кислорода являются общими для трех или более многогранников Al-O, и большинство межполиэдрических соединений имеют общие углы, а остальные 10–20% являются общими ребрами. [19] Распад октаэдров при плавлении сопровождается сравнительно большим увеличением объема (~33%), плотность жидкости, близкой к температуре плавления, составляет 2,93 г/см 3 . [20] Структура расплавленного оксида алюминия зависит от температуры, и доля алюминия в 5 и 6 раз увеличивается при охлаждении (и переохлаждении) за счет тетраэдрических звеньев AlO 4 , приближаясь к локальным структурным расположениям, обнаруженным в аморфном оксиде алюминия. [21]
Минералы гидроксида алюминия являются основным компонентом бокситов , основной руды алюминия . Смесь минералов представлена бокситовой рудой, включающей гиббсит (Al(OH) 3 ), бемит (γ-AlO(OH)) и диаспор (α-AlO(OH)), а также примеси оксидов и гидроксидов железа , кварца. и глинистые минералы . [22] Бокситы встречаются в латеритах . Бокситы обычно очищают по методу Байера :
За исключением SiO 2 , остальные компоненты боксита не растворяются в основании. При фильтровании основной смеси удаляют Fe 2 O 3 . При охлаждении раствора Байера Al(OH) 3 выпадает в осадок, оставляя силикаты в растворе.
Твердый гиббсит Al(OH) 3 затем прокаливают (нагревают до температуры более 1100 °C) с получением оксида алюминия: [7]
Полученный оксид алюминия имеет тенденцию быть многофазным, т.е. состоящим из нескольких фаз оксида алюминия, а не только из корунда . [17] Таким образом, производственный процесс может быть оптимизирован для производства индивидуального продукта. Тип присутствующих фаз влияет, например, на растворимость и пористую структуру продукта из оксида алюминия, что, в свою очередь, влияет на стоимость производства алюминия и борьбу с загрязнением. [17]
Оксид алюминия , известный в материаловедении как альфа-оксид алюминия , а также как алунд (в плавленной форме) или алоксит [23] в горнодобывающей и керамической промышленности, находит широкое применение. Годовое мировое производство оксида алюминия в 2015 году составило около 115 миллионов тонн , более 90% из которых было использовано при производстве металлического алюминия. [7] Основные области применения специальных оксидов алюминия — огнеупоры, керамика, полировка и абразивное производство. Большие тонны гидроксида алюминия, из которого получают оксид алюминия, используются в производстве цеолитов , покрытий пигментов диоксида титана , а также в качестве антипирена/дымоподавителя.
Более 90% оксида алюминия, называемого глиноземом плавильного сорта (SGA), потребляется для производства алюминия, обычно с помощью процесса Холла-Эру . Остальная часть, называемая специальным глиноземом , используется в самых разных областях, где используются преимущества его инертности, термостойкости и электрического сопротивления. [24]
Будучи достаточно химически инертным и белым, оксид алюминия является предпочтительным наполнителем для пластмасс. Оксид алюминия является распространенным ингредиентом солнцезащитных кремов [25] и часто также присутствует в таких косметических средствах, как румяна, помада и лак для ногтей. [26]
Многие составы стекла содержат в качестве ингредиента оксид алюминия. [27] Алюмосиликатное стекло — широко используемый тип стекла, которое часто содержит от 5% до 10% оксида алюминия.
Оксид алюминия катализирует множество реакций, полезных в промышленности. В своем наиболее крупномасштабном применении оксид алюминия является катализатором в процессе Клауса для преобразования отходящих газов сероводорода в элементарную серу на нефтеперерабатывающих заводах. Он также полезен для дегидратации спиртов до алкенов .
Оксид алюминия служит носителем для многих промышленных катализаторов, например, используемых при гидрообессеривании и некоторых полимеризациях Циглера-Натта .
Оксид алюминия широко используется для удаления воды из газовых потоков. [28]
Оксид алюминия используется из-за его твердости и прочности. Его естественная форма, корунд , имеет 9 баллов по шкале твердости минерала Мооса (чуть ниже алмаза). Он широко используется в качестве абразива , в том числе как гораздо менее дорогой заменитель технического алмаза . Во многих типах наждачной бумаги используются кристаллы оксида алюминия. Кроме того, его низкое сохранение тепла и низкая удельная теплоемкость позволяют широко использовать его в шлифовальных операциях, особенно в отрезных инструментах. Порошкообразный абразивный минерал алоксит , наряду с кремнеземом , является основным компонентом «мела» на кончике кия, используемого в бильярде . Порошок оксида алюминия используется в некоторых наборах для полировки и ремонта царапин CD / DVD . Его полирующие свойства также лежат в основе его использования в зубной пасте. Он также используется при микродермабразии , как в машинном процессе, доступном дерматологам и косметологам, так и в качестве ручного дермального абразива, используемого в соответствии с указаниями производителя.
Чешуйки оксида алюминия используются в красках для создания отражающих декоративных эффектов, например, в автомобильной или косметической промышленности. [ нужна цитата ]
Оксид алюминия использовался в нескольких экспериментальных и коммерческих волокнистых материалах для высокопроизводительных приложений (например, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). [29] Нановолокна оксида алюминия , в частности, стали областью исследований, представляющей особый интерес.
В некоторых бронежилетах используются керамические пластины из оксида алюминия, обычно в сочетании с подложкой из арамида или сверхвысокомолекулярного полиэтилена для достижения эффективности против большинства угроз, связанных с винтовкой. Керамическая броня из глинозема легко доступна большинству гражданских лиц в юрисдикциях, где она разрешена законом, но не считается военной. [30] Он также используется для производства пуленепробиваемого глиноземного стекла, способного выдержать попадание снарядов калибра .50 BMG .
Оксид алюминия можно выращивать в виде покрытия на алюминии путем анодирования или плазменного электролитического оксидирования (см. «Свойства» выше). Как твердость , так и характеристики стойкости к истиранию покрытия обусловлены высокой прочностью оксида алюминия, однако пористый слой покрытия, полученный с помощью обычных процедур анодирования постоянным током, находится в пределах твердости C по Роквеллу 60–70 [31] , что сравнимо только с закаленные сплавы углеродистых сталей, но значительно уступающие по твердости природному и синтетическому корунду. Вместо этого при плазменно-электролитическом оксидировании покрытие является пористым только на поверхностном оксидном слое, в то время как нижние оксидные слои намного более компактны, чем при стандартных процедурах анодирования постоянным током, и имеют более высокую кристалличность из-за переплавления и уплотнения оксидных слоев для получения α- Кластеры Al2O3 с гораздо более высокими значениями твердости покрытия, около 2000 по Виккерсу. [ нужна цитата ]
Глинозем используется для изготовления плиток, которые крепятся внутри пылепроводов и дымоходов на угольных электростанциях для защиты зон с высоким износом. Они не подходят для помещений с высокими ударными нагрузками, поскольку такие плитки хрупкие и легко ломаются.
Оксид алюминия — это электрический изолятор , используемый в качестве подложки ( кремний на сапфире ) для интегральных схем , а также в качестве туннельного барьера для изготовления сверхпроводящих устройств, таких как одноэлектронные транзисторы , сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства ( СКВИДы ) и сверхпроводящие кубиты .
Для применения в качестве электрического изолятора в интегральных схемах, где конформный рост тонкой пленки является обязательным условием, а предпочтительным режимом роста является осаждение атомного слоя , пленки Al 2 O 3 могут быть получены путем химического обмена между триметилалюминием (Al(CH 3 ) 3 ) и H 2 O: [32]
H 2 O в приведенной выше реакции может быть заменен озоном (O 3 ) в качестве активного окислителя, и тогда происходит следующая реакция: [33] [34]
Пленки Al 2 O 3 , полученные с использованием O 3 , имеют в 10–100 раз меньшую плотность тока утечки по сравнению с пленками, полученными с использованием H 2 O.
Оксид алюминия, являясь диэлектриком с относительно большой запрещенной зоной , используется в качестве изолирующего барьера в конденсаторах . [35]
В освещении в некоторых натриевых лампах используется полупрозрачный оксид алюминия . [36] Оксид алюминия также используется при приготовлении суспензий покрытия в компактных люминесцентных лампах .
В химических лабораториях оксид алюминия представляет собой среду для хроматографии , доступную в основном (рН 9,5), кислом (рН 4,5 в воде) и нейтральном составах.
Здравоохранение и медицина включают его в качестве материала для замены тазобедренного сустава [7] и противозачаточных таблеток . [37]
Благодаря своим свойствам оптически стимулированной люминесценции он используется в качестве сцинтиллятора [38] и дозиметра для радиационной защиты и терапии . [ нужна цитата ]
Изоляция для высокотемпературных печей часто изготавливается из оксида алюминия. Иногда в изоляции содержится различное процентное содержание кремнезема в зависимости от температурного режима материала. Изоляция может быть изготовлена в виде матов, плит, кирпичей и рыхлых волокон в соответствии с различными требованиями применения.
Небольшие кусочки оксида алюминия часто используются в химии в качестве кипящей стружки .
Он также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания . [39]
Используя процесс плазменного напыления и смешанный с диоксидом титана , он наносится на тормозную поверхность некоторых велосипедных ободов, чтобы обеспечить устойчивость к истиранию и износу. [ нужна цитата ]
Большинство керамических глазков на удочках представляют собой круглые кольца из оксида алюминия. [ нужна цитата ]
В своей лучшей порошкообразной (белой) форме, называемой диамантином, оксид алюминия используется в качестве превосходного полирующего абразива в часовом деле. [40]
Оксид алюминия также используется для покрытия стоек в индустрии мотокросса и горных велосипедов. Это покрытие в сочетании с дисульфатом молибдена обеспечивает долговременную смазку поверхности. [41]
Оксид алюминия также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания.