stringtranslate.com

Оксид алюминия

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]

Естественное явление

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]

История

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]

Характеристики

Оксид алюминия в порошкообразной форме

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]

Амфотерная природа

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.

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 ( алюминат натрия )

Состав

Корунд из Бразилии , размер около 2×3 см.

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 γ- и η-фазы, 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 по кислороду) 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]

Производство

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 :

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

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.

NaAl(OH) 4 → NaOH + Al(OH) 3

Твердый гиббсит Al(OH) 3 затем прокаливают (нагревают до температуры более 1100 °C) с получением оксида алюминия: [7]

2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

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]

Приложения

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]

Наполнители

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]

Стекло

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.

Катализ

Оксид алюминия катализирует множество реакций, полезных в промышленности. В своем наиболее масштабном 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 .

Очистка газа

Оксид алюминия широко используется для удаления воды из газовых потоков. [28]

Истирание

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.

Краска

Чешуйки оксида алюминия используются в красках для создания отражающих декоративных эффектов, например, в автомобильной или косметической промышленности. [ нужна цитата ]

Композитное волокно

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.

Броня

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, угрожающих винтовке. 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 .

Защита от истирания

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 ]

Производство оксида алюминия в 2005 г.

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.

Электрическая изоляция

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]

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

H 2 O в приведенной выше реакции может быть заменен озоном (O 3 ) в качестве активного окислителя, и тогда происходит следующая реакция: [33] [34]

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

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, являющийся диэлектриком с относительно большой запрещенной зоной , используется в качестве изолирующего барьера в конденсаторах . [35]

Другой

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Оксид алюминия_msds" .
  2. ^ ab Данные о свойствах материала: оксид алюминия (оксид алюминия). Архивировано 1 апреля 2010 г. в Wayback Machine . Makeitfrom.com. Проверено 17 апреля 2013 г.
  3. ^ Патнаик, П. (2002). Справочник неорганических химикатов . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049439-8.
  4. ^ Раймонд К. Роу; Пол Дж. Шески; Мэриан Э. Куинн (2009). «Адипиновая кислота». Справочник фармацевтических вспомогательных веществ . Фармацевтическая пресса. стр. 11–12. ISBN 978-0-85369-792-3.
  5. ^ Аб Зумдал, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Хоутон Миффлин. ISBN 978-0-618-94690-7.
  6. ^ ab Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0021». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  7. ^ abcde «Глинозем (оксид алюминия) - различные типы коммерчески доступных сортов». Материалы от А до Я. 3 мая 2002 г. Архивировано из оригинала 10 октября 2007 г. Проверено 27 октября 2007 г.
  8. ^ Элам, JW (октябрь 2010 г.). Применение атомного осаждения слоев 6. Электрохимическое общество. ISBN 9781566778213.
  9. ^ "Дельталумит".
  10. ^ «Список минералов». 21 марта 2011 г.
  11. ^ Гитцен, Уолтер (1970). Глинозем как керамический материал . Уайли.
  12. ^ Дорре, Эрхард; Хюбнер, Хайнц (1984). Глинозем, обработка, свойства и применение . Берлин; Нью-Йорк: Springer-Verlag. п. 344.
  13. ^ Руйс, Эндрю Дж. (2019). Керамика из глинозема: биомедицинское и промышленное применение . Даксфорд, Великобритания: Elsevier. п. 558. ИСБН 978-0-08-102442-3.
  14. ^ Кэмпбелл, Тимоти; Калия, Раджив; Накано, Аитиро; Вашишта, Прия; Огата, Сюдзи; Роджерс, Стивен (1999). «Динамика окисления нанокластеров алюминия с использованием молекулярно-динамического моделирования с переменным зарядом на параллельных компьютерах» (PDF) . Письма о физических отзывах . 82 (24): 4866. Бибкод : 1999PhRvL..82.4866C. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.4866. Архивировано (PDF) из оригинала 1 июля 2010 г.
  15. ^ «Перечень химических веществ Раздела 313 EPCRA за 2006 отчетный год» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинала (PDF) 22 мая 2008 г. Проверено 30 сентября 2008 г.
  16. ^ аб И. Левин; Д. Брэндон (1999). «Метастабильные полиморфы оксида алюминия: кристаллические структуры и последовательности переходов». Журнал Американского керамического общества . 81 (8): 1995–2012. doi :10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x.
  17. ^ abc Палья, Г. (2004). «Определение структуры γ-глинозема с использованием эмпирических расчетов и расчетов из первых принципов в сочетании с подтверждающими экспериментами» (скачать бесплатно) . Технологический университет Кертина, Перт . Проверено 5 мая 2009 г.
  18. ^ Виберг, Э.; Холлеман, А.Ф. (2001). Неорганическая химия . Эльзевир. ISBN 978-0-12-352651-9.
  19. ^ аб Скиннер, LB; и другие. (2013). «Совместная дифракция и подход к моделированию структуры жидкого глинозема». Физ. Преподобный Б. 87 (2): 024201. Бибкод : 2013PhRvB..87b4201S. дои : 10.1103/PhysRevB.87.024201 .
  20. ^ Паради, П.-Ф.; и другие. (2004). «Бесконтактные измерения теплофизических свойств жидкого и переохлажденного глинозема». Япония. Дж. Прил. Физ . 43 (4): 1496–1500. Бибкод : 2004JaJAP..43.1496P. дои : 10.1143/JJAP.43.1496. S2CID  250779901.
  21. ^ Ши, С; Олдерман, ОЛГ; Берман, Д; Ду, Дж; Нойфайнд, Дж; Тамалонис, А; Вебер, Р; Ты, Джей; Бенмор, CJ (2019). «Структура аморфного и глубоко переохлажденного жидкого глинозема». Границы в материалах . 6 (38): 38. Бибкод :2019FrMat...6...38S. дои : 10.3389/fmats.2019.00038 .
  22. ^ «Статистика и информация по бокситам и глинозему» . Геологическая служба США. Архивировано из оригинала 6 мая 2009 года . Проверено 5 мая 2009 г.
  23. ^ "Алоксит". База данных ChemIndustry.com. Архивировано из оригинала 25 июня 2007 года . Проверено 24 февраля 2007 г.
  24. ^ Эванс, Калифорния (1993). «Свойства и применение оксидов и гидроксидов алюминия». В Даунс, Эй Джей (ред.). Химия алюминия, индия и галлия . Блэки Академик. ISBN 978-0751401035.
  25. ^ "Глинозем". INCI-декодер . Архивировано из оригинала 5 февраля 2023 года . Проверено 20 июня 2023 г.
  26. ^ «Глинозем (объяснение ингредиентов + продукты)» . СкинСорт . Архивировано из оригинала 15 октября 2023 года . Проверено 15 октября 2023 г.
  27. ^ Акерс, Майкл Дж. (19 апреля 2016 г.). Стерильные лекарственные препараты: рецептура, упаковка, производство и качество. ЦРК Пресс. ISBN 9781420020564.
  28. ^ Хадсон, Л. Кейт; Мишра, Чанакья; Перротта, Энтони Дж.; Веферс, Карл и Уильямс, Ф.С. (2002) «Оксид алюминия» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a01_557.
  29. ^ Маллик, ПК (2008). Волокнистые композиционные материалы, производство и проектирование (3-е изд., [расширенное и переработанное ред.] изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. пп. Гл.2.1.7. ISBN 978-0-8493-4205-9.
  30. ^ «Баллистическая стойкость бронежилета» (PDF) . Министерство юстиции США . НИЖ . Проверено 31 августа 2018 г.
  31. ^ Осборн, Джозеф Х. (2014). «Понимание и спецификация анодирования: что нужно знать производителю». Корпорация ОМВ . Архивировано из оригинала 20 ноября 2016 г. Проверено 2 июня 2018 г.
  32. ^ Хигаси Г.С., Флеминг (1989). «Последовательная поверхностная химическая реакция ограничила рост высококачественных диэлектриков Al 2 O 3 ». Прил. Физ. Летт . 55 (19): 1963–65. Бибкод : 1989ApPhL..55.1963H. дои : 10.1063/1.102337.
  33. ^ Ким Дж.Б.; Квон Д.Р.; Чакрабарти К; Ли Чонгму; О, КАЙ; Ли Дж. Х. (2002). «Улучшение диэлектрических свойств Al 2 O 3 за счет использования озона в качестве окислителя в методе атомно-слоевого осаждения». Дж. Прил. Физ . 92 (11): 6739–42. Бибкод : 2002JAP....92.6739K. дои : 10.1063/1.1515951.
  34. ^ Ким, Джебом; Чакрабарти, Кунтал; Ли, Джинхо; О, Ки Ён; Ли, Чонгму (2003). «Влияние озона как источника кислорода на свойства тонких пленок Al 2 O 3 , полученных методом атомно-слоевого осаждения». Mater Chem Phys . 78 (3): 733–38. дои : 10.1016/S0254-0584(02)00375-9.
  35. ^ Белкин, А.; Безрядин А.; Хендрен, Л.; Хаблер, А. (20 апреля 2017 г.). «Восстановление глиноземных наноконденсаторов после пробоя высокого напряжения». Научные отчеты . 7 (1): 932. Бибкод : 2017НацСР...7..932Б. дои : 10.1038/s41598-017-01007-9. ПМЦ 5430567 . ПМИД  28428625. 
  36. ^ «Хронология инноваций GE, 1957–1970» . Архивировано из оригинала 16 февраля 2009 года . Проверено 12 января 2009 г.
  37. ^ "DailyMed - ИЮНЬ FE 1/20 - ацетат норэтиндрона, этинилэстрадиол и фумарат железа" . dailymed.nlm.nih.gov . Архивировано из оригинала 13 марта 2017 г. Проверено 13 марта 2017 г.
  38. ^ В. Б. Михайлик, Х. Краус (2005). «Низкотемпературная спектроскопия и сцинтилляционная характеристика легированного Ti Al 2 O 3 ». Нукл. Инстр. Физ. Рез. А. _ 546 (3): 523–534. Бибкод : 2005NIMPA.546..523M. дои :10.1016/j.nima.2005.02.033.
  39. ^ Фарндон, Джон (2001). Алюминий . Маршалл Кавендиш. п. 19. ISBN 9780761409472. Оксид алюминия также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания.
  40. ^ де Карл, Дональд (1969). Практический ремонт часов . ООО "НАГ Пресс" с. 164. ИСБН 0719800307.
  41. ^ «Пальто Кашима - Продукты / Услуги | Анодирование нового поколения, обладающее легким весом, высокой смазывающей способностью и превосходной износостойкостью. Ответ - пальто Кашима Мияки» .

Внешние ссылки