Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Оксид алюминия представляет собой химическое соединение , из алюминия и кислорода с химической формулой Al 2 O 3 . Это наиболее часто встречающийся из нескольких оксидов алюминия и, в частности, определяемый как оксид алюминия (III) . Это обычно называют оксид алюминия , а также может быть назван aloxide , aloxite или алунд в зависимости от конкретных форм или приложений. Он встречается в природе в кристаллической полиморфной фазе α-Al 2 O 3 в видеминеральный корунд , разновидности которого образуют драгоценные камни рубин и сапфир . Al 2 O 3 играет важную роль в его использовании для производства металлического алюминия в качестве абразива из-за его твердости и в качестве тугоплавкого материала из-за его высокой температуры плавления. [7]

Естественное явление [ править ]

Корунд - наиболее распространенная кристаллическая форма оксида алюминия, встречающаяся в природе . [8] Рубины и сапфиры - это формы корунда ювелирного качества, которые своим характерным цветом обязаны следам примесей. Характерный темно-красный цвет и лазерные свойства рубинам придают следы хрома . Сапфиры бывают разных цветов из-за различных других примесей, таких как железо и титан. Чрезвычайно редкая форма δ встречается в виде минерала дельталумит. [9] [10]

Свойства [ править ]

Оксид алюминия в порошкообразном виде.

Al 2 O 3 является электрическим изолятором, но имеет относительно высокую теплопроводность ( 30 Вт · м -1 · К -1 ) [2] для керамического материала. Оксид алюминия не растворяется в воде. В его наиболее часто встречающейся кристаллической форме, называемой корундом или α-оксидом алюминия, его твердость делает его пригодным для использования в качестве абразива и компонента в режущих инструментах . [7]

Оксид алюминия отвечает за устойчивость металлического алюминия к атмосферным воздействиям . Металлический алюминий очень реактивен с атмосферным кислородом, и тонкий пассивирующий слой оксида алюминия (толщиной 4 нм) образуется на любой открытой поверхности алюминия в течение сотен пикосекунд. [ необходим лучший источник ] [11] Этот слой защищает металл от дальнейшего окисления. Толщина и свойства этого оксидного слоя могут быть улучшены с помощью процесса, называемого анодированием . Ряд сплавов , таких как алюминиевая бронза., используйте это свойство, включив в сплав часть алюминия для повышения коррозионной стойкости. Оксид алюминия, образующийся при анодировании, обычно является аморфным , но процессы окисления при помощи разряда, такие как плазменное электролитическое окисление, приводят к значительной доле кристаллического оксида алюминия в покрытии, повышая его твердость .

Оксид алюминия был исключен из списков химических веществ Агентства по охране окружающей среды США в 1988 году. Оксид алюминия внесен в список токсичных выбросов Агентства по охране окружающей среды США, если он имеет волокнистую форму. [12]

Амфотерная природа [ править ]

Оксид алюминия является амфотерным веществом, что означает, что он может реагировать как с кислотами, так и с основаниями , такими как фтористоводородная кислота и гидроксид натрия , действуя как кислота с основанием и основание с кислотой, нейтрализуя другое 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 )

Структура [ править ]

Корунд из Бразилии , размером примерно 2 × 3 см.

Наиболее распространенная форма кристаллического оксида алюминия известна как корунд , который является термодинамически стабильной формой. [13] Ионы кислорода образуют почти гексагональную плотноупакованную структуру, в которой ионы алюминия заполняют две трети октаэдрических промежутков. Каждый центр Al 3+ является восьмигранным . С точкой зрения кристаллографии , корунд принимает тригональную решетку Бравы с пространственной группой из R 3 C (номер 167 в Международных таблицах). В примитивной ячейке содержатся 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 орторомбической. [13] [14] Каждый из них имеет уникальную кристаллическую структуру и свойства. Кубический γ-Al 2 O 3 имеет важные технические приложения. Так называемый β-Al 2 O 3 оказался NaAl 11 O 17 . [15]

Расплавленный оксид алюминия около температуры плавления составляет примерно 2/3 тетраэдрических (т.е. 2/3 Al окружены 4 кислородными соседями) и 1/3 5-координирован с очень небольшим (<5%) октаэдрическим Al-O. . [16] Около 80% атомов кислорода являются общими между тремя или более полиэдрами Al-O, и большинство межполиэдрических связей имеют общие углы, а оставшиеся 10–20% являются общими ребрами. [16] Разрушение октаэдров при плавлении сопровождается относительно большим увеличением объема (~ 20%), плотность жидкости вблизи точки ее плавления составляет 2,93 г / см 3 . [17]Структура расплавленного оксида алюминия зависит от температуры, и доля алюминия в 5- и 6-кратном размере увеличивается во время охлаждения (и переохлаждения) за счет тетраэдрических единиц AlO 4 , приближаясь к локальным структурным структурам, обнаруженным в аморфном оксиде алюминия. [18]

Производство [ править ]

Алюминий гидроксид минералы являются основным компонентом бокситов , основной руды из алюминия . Смесь минералов включает бокситовую руду, включая гиббсит (Al (OH) 3 ), бемит (γ-AlO (OH)) и диаспор (α-AlO (OH)), а также примеси оксидов и гидроксидов железа, кварца. и глинистые минералы . [19] Бокситы встречаются в латеритах . Боксит очищается по технологии Байера :

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

За исключением SiO 2 , другие компоненты боксита не растворяются в основе. После фильтрации основной смеси Fe 2 O 3 удаляется. Когда раствор Байера охлаждается, Al (OH) 3 осаждается, оставляя силикаты в растворе.

NaAl (OH) 4 → NaOH + Al (OH) 3

Твердое вещество Al (OH) 3 Гиббсит затем прокаливают (нагревают до более чем 1100 ° С) с получением оксида алюминия: [7]

2 Al (OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Получаемый оксид алюминия имеет тенденцию быть многофазным, т. Е. Состоящим из нескольких фаз оксида алюминия, а не только корунда . [14] Таким образом, производственный процесс можно оптимизировать для получения индивидуального продукта. Тип присутствующих фаз влияет, например, на растворимость и структуру пор продукта оксида алюминия, что, в свою очередь, влияет на стоимость производства алюминия и борьбу с загрязнением. [14]

Приложения [ править ]

Известный как альфа-оксид алюминия в материаловедении или алунд (в плавленой форме) или алоксит [20] в горнодобывающих и керамических сообществах, оксид алюминия находит широкое применение. Годовое мировое производство оксида алюминия в 2015 году составило примерно 115 миллионов тонн , более 90% из которых используется в производстве металлического алюминия. [7] Основные области применения специальных оксидов алюминия - огнеупоры, керамика, полировка и абразивные материалы. Большие объемы гидроксида алюминия, из которого получают оксид алюминия, используются при производстве цеолитов , покрытий из пигментов на основе диоксида титана и в качестве антипирена / подавителя дыма.

Более 90% производимого оксида алюминия, обычно называемого глиноземом плавильного производства (SGA), расходуется на производство алюминия, обычно по процессу Холла – Эру . Остальная часть, обычно называемая специальным оксидом алюминия, используется в самых разных областях, что отражает ее инертность, термостойкость и электрическое сопротивление. [21]

Наполнители [ править ]

Оксид алюминия, будучи довольно химически инертным и белым, является предпочтительным наполнителем для пластмасс. Оксид алюминия является обычным ингредиентом солнцезащитных кремов, а иногда также присутствует в косметических средствах, таких как румяна, губная помада и лак для ногтей.

Стекло [ править ]

Многие составы стекла содержат оксид алюминия в качестве ингредиента. [22] Алюмосиликатное стекло - это обычно используемый тип стекла, который часто содержит от 5% до 10% оксида алюминия.

Катализ [ править ]

Оксид алюминия катализирует множество реакций, которые используются в промышленности. В своем самом крупномасштабном применении оксид алюминия является катализатором в процессе Клауса для преобразования отходящих газов сероводорода в элементарную серу на нефтеперерабатывающих заводах. Это также полезно для дегидратации спиртов до алкенов.

Оксид алюминия служит носителем катализатора для многих промышленных катализаторов, таких как те, которые используются при гидрообессеривании и некоторых полимеризациях Циглера-Натта .

Очистка газов [ править ]

Оксид алюминия широко используется для удаления воды из газовых потоков. [23]

Абразивный [ править ]

Оксид алюминия используется из-за его твердости и прочности. Его естественная форма, корунд , имеет 9 баллов по шкале Мооса (чуть ниже алмаза). Он широко используется в качестве абразива , в том числе как гораздо менее дорогой заменитель промышленного алмаза . Во многих типах наждачной бумаги используются кристаллы оксида алюминия. Кроме того, его низкая сохранение тепла и низкая удельная теплоемкость делают его широкое применение в шлифовальных операций, особенно среза инструментов. Как порошкообразный абразивный минерал алоксит , он, наряду с кремнеземом , является основным компонентом мела для наконечника кия, используемого в бильярде.. Порошок оксида алюминия используется в некоторых наборах для полировки и ремонта дисков CD / DVD . Его полирующие качества также лежат в основе его использования в зубной пасте. Он также используется в микродермабразии , как в машинном процессе, доступном у дерматологов и косметологов, так и в качестве ручного кожного абразива, используемого в соответствии с инструкциями производителя.

Краска [ править ]

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

Композитное волокно [ править ]

Оксид алюминия использовался в нескольких экспериментальных и коммерческих волоконных материалах для высокопроизводительных приложений (например, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). [24] Нановолокна из оксида алюминия стали предметом научных исследований.

Бронежилет [ править ]

В некоторых доспехах используются керамические пластины из оксида алюминия, обычно в сочетании с основой из арамида или СВМПЭ, чтобы обеспечить эффективность против большинства угроз от оружия. Керамическая броня из глинозема легко доступна для большинства гражданских лиц в юрисдикциях, где это разрешено законом, но не считается военным. [25]

Защита от истирания [ править ]

Оксид алюминия можно выращивать в виде покрытия на алюминии путем анодирования или плазменного электролитического окисления (см. «Свойства» выше). Как твердость, так и стойкость к истиранию покрытия обусловлены высокой прочностью оксида алюминия, однако пористый слой покрытия, полученный с помощью обычных процедур анодирования постоянным током, находится в диапазоне твердости C по Роквеллу 60-70 [26], что сравнимо только с закаленные сплавы углеродистой стали, но значительно уступающие по твердости природному и синтетическому корунду. Вместо этого с плазменным электролитическим окислениемпокрытие является пористым только на поверхностном оксидном слое, в то время как нижние оксидные слои намного компактнее, чем при стандартных процедурах анодирования постоянным током, и имеют более высокую кристалличность из-за переплавления и уплотнения оксидных слоев для получения кластеров α-Al2O3 с гораздо более высоким покрытием значения твердости около 2000 твердости по Виккерсу. [ необходима цитата ]

Производство оксида алюминия в 2005 г.

Глинозем используется для производства плиток, которые крепятся внутри линий пылевидного топлива и дымоходов на угольных электростанциях для защиты участков с высоким износом. Они не подходят для участков с высокими ударными нагрузками, поскольку эти плитки хрупкие и подвержены поломке.

Электроизоляция [ править ]

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 и сверхпроводящие устройства квантовой интерференции ( SQUID ).

Для его применения в качестве электрического изолятора в интегральных схемах, где конформный рост тонкой пленки является предварительным 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: [27]

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

H 2 O в указанной выше реакции может быть заменен озоном (O 3 ) в качестве активного окислителя, и тогда происходит следующая реакция: [28] [29]

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, демонстрируют в 10–100 раз меньшую плотность тока утечки по сравнению с пленками, полученными с использованием H 2 O.

Оксид алюминия, будучи диэлектриком с относительно большой шириной запрещенной зоны , используется в конденсаторах в качестве изолирующего барьера . [30]

Другое [ править ]

В освещении в некоторых натриевых лампах используется прозрачный оксид алюминия . [31] Оксид алюминия также используется для приготовления суспензий покрытий в компактных люминесцентных лампах .

В химических лабораториях оксид алюминия представляет собой среду для хроматографии , доступную в основных (pH 9,5), кислых (pH 4,5 в воде) и нейтральных составах.

В области здравоохранения и медицины он используется в качестве материала для замены тазобедренного сустава [7] и противозачаточных таблеток . [32]

Он используется в качестве сцинтиллятора [33] и дозиметра для радиационной защиты и терапии из-за его оптически стимулированных люминесцентных свойств. [ необходима цитата ]

Изоляцию высокотемпературных печей часто изготавливают из оксида алюминия. Иногда изоляция содержит различное процентное содержание кремнезема в зависимости от температурного режима материала. Изоляция может изготавливаться в виде одеяла, плиты, кирпича и волокнистого материала для различных требований применения.

Небольшие кусочки оксида алюминия часто используются в химии в качестве кипящей стружки .

Он также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания . [34]

Используя процесс плазменного напыления и смешанный с диоксидом титана , он наносится на тормозную поверхность некоторых велосипедных дисков для обеспечения устойчивости к истиранию и износу. [ необходима цитата ]

Большинство керамических глазков на удилищах представляют собой круглые кольца из оксида алюминия. [ необходима цитата ]

В своей тончайшей порошкообразной (белой) форме, называемой диамантином , оксид алюминия используется в качестве превосходного абразива для полировки в часовом и часовом деле. [35]

См. Также [ править ]

  • Наночастица оксида алюминия
  • Бокситовые хвосты
  • Твердый электролит из бета-оксида алюминия , проводник быстрых ионов
  • Эксперимент по выбросу заряженного аэрозоля (CARE)
  • Список глиноземных заводов
  • Micro-Pulling-Down
  • Прозрачный оксид алюминия

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Оксид алюминия_msds" .
  2. ^ a b Данные о свойствах материала: глинозем (оксид алюминия). Архивировано 01 апреля 2010 г. на Wayback Machine . Makeitfrom.com. Проверено 17 апреля 2013.
  3. ^ Patnaik, P. (2002). Справочник неорганических химикатов . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-049439-8.
  4. ^ Раймонд С. Роу; Пол Дж. Шески; Мэриан Э. Куинн (2009). «Адипиновая кислота». Справочник по фармацевтическим вспомогательным веществам . Фармацевтическая пресса. С. 11–12. ISBN 978-0-85369-792-3.
  5. ^ a b Zumdahl, Стивен С. (2009). Химические принципы 6-е изд . Компания Houghton Mifflin. ISBN 978-0-618-94690-7.
  6. ^ a b Карманный справочник NIOSH по химической опасности. «# 0021» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  7. ^ a b c d e «Глинозем (оксид алюминия) - различные типы коммерчески доступных марок» . Материалы от А до Я. 3 мая 2002 года Архивировано из оригинала 10 октября 2007 года . Проверено 27 октября 2007 года .
  8. Элам, JW (октябрь 2010 г.). Применения атомного осаждения 6 . Электрохимическое общество. ISBN 9781566778213.
  9. ^ https://www.mindat.org/min-47933.html
  10. ^ https://www.ima-mineralogy.org/Minlist.htm
  11. ^ Кэмпбелл, Тимоти; Калия, Раджив; Накано, Айитиро; Вашишта, Прия; Огата, Сюдзи; Роджерс, Стивен (1999). «Динамика окисления нанокластеров алюминия с использованием моделирования молекулярной динамики переменного заряда на параллельных компьютерах» (PDF) . Письма с физическим обзором . 82 (24): 4866. Bibcode : 1999PhRvL..82.4866C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.82.4866 . Архивировано (PDF) из оригинала 01.07.2010.
  12. ^ «Список химикатов EPCRA Раздел 313 за отчетный 2006 год» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. Архивировано из оригинального (PDF) 22 мая 2008 года . Проверено 30 сентября 2008 .
  13. ^ а б И. Левин; Д. Брэндон (1998). «Метастабильные полиморфы оксида алюминия: кристаллические структуры и переходные последовательности». Журнал Американского керамического общества . 81 (8): 1995–2012. DOI : 10.1111 / j.1151-2916.1998.tb02581.x .
  14. ^ a b c Палья, Г. (2004). «Определение структуры γ-оксида алюминия с использованием эмпирических расчетов и расчетов из первых принципов в сочетании с дополнительными экспериментами» (бесплатная загрузка) . Кертинский технологический университет, Перт . Проверено 5 мая 2009 .
  15. ^ Wiberg, E .; Холлеман, AF (2001). Неорганическая химия . Эльзевир. ISBN 978-0-12-352651-9.
  16. ^ a b Скиннер, LB; и другие. (2013). «Совместный дифракционно-модельный подход к структуре жидкого оксида алюминия» . Phys. Rev. B . 87 (2): 024201. Bibcode : 2013PhRvB..87b4201S . DOI : 10.1103 / PhysRevB.87.024201 .
  17. ^ Paradis, P.-F .; и другие. (2004). «Бесконтактные измерения теплофизических свойств жидкого и недостаточно охлажденного оксида алюминия». Jpn. J. Appl. Phys . 43 (4): 1496–1500. Bibcode : 2004JaJAP..43.1496P . DOI : 10,1143 / JJAP.43.1496 .
  18. ^ Ши, C; Олдермен, OLG; Берман, Д; Du, J; Neuefeind, J; Тамалонис, А; Вебер, Р.; Вы, J; Бенмор, CJ (2019). «Структура аморфного и глубоко переохлажденного жидкого оксида алюминия» . Границы в материалах . 6 (38): 38. Bibcode : 2019FrMat ... 6 ... 38S . DOI : 10.3389 / fmats.2019.00038 .
  19. ^ "Статистика и информация о бокситах и ​​глиноземе" . USGS. Архивировано 6 мая 2009 года . Проверено 5 мая 2009 .
  20. ^ «Алоксит» . База данных ChemIndustry.com. Архивировано 25 июня 2007 года . Проверено 24 февраля 2007 года .
  21. Перейти ↑ Evans, KA (1993). «Свойства и применение оксидов алюминия и гидроксидов алюминия». В Даунсе, AJ (ред.). Химия алюминия, индия и галлия . Блэки Академик. ISBN 978-0751401035.
  22. ^ Акерс, Майкл Дж. (2016-04-19). Стерильные лекарственные препараты: состав, упаковка, производство и качество . CRC Press. ISBN 9781420020564.
  23. ^ Хадсон, Л. Кейт; Мишра, Чанакья; Перротта, Энтони Дж .; Wefers, Karl and Williams, FS (2002) «Оксид алюминия» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_557 .
  24. ^ Маллик, П. К. (2008). Армированные волокном композитные материалы, производство и дизайн (3-е изд., [Расширенное и отредактированное] изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. С. Гл.2.1.7. ISBN 978-0-8493-4205-9.
  25. ^ «Баллистическая стойкость бронежилета» (PDF) . Министерство юстиции США . NIJ . Проверено 31 августа 2018 года .
  26. ^ Осборн, Джозеф Х. (2014). «понимание и конкретизация анодирования: что нужно знать производителю» . Корпорация OMW . Архивировано из оригинала на 2016-11-20 . Проверено 2 июня 2018 .
  27. Перейти ↑ Higashi GS, Fleming (1989). «Последовательная химическая реакция на поверхности ограничивает рост высококачественных диэлектриков Al 2 O 3 ». Appl. Phys. Lett . 55 (19): 1963–65. Bibcode : 1989ApPhL..55.1963H . DOI : 10.1063 / 1.102337 .
  28. ^ Ким JB; Kwon DR; Чакрабарти К; Ли Чонгму; О, KY; Ли Дж. Х. (2002). «Улучшение диэлектрических свойств Al 2 O 3 за счет использования озона в качестве окислителя для метода осаждения атомных слоев». J. Appl. Phys . 92 (11): 6739–42. Bibcode : 2002JAP .... 92.6739K . DOI : 10.1063 / 1.1515951 .
  29. ^ 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 путем осаждения атомных слоев». Mater Chem Phys . 78 (3): 733–38. DOI : 10.1016 / S0254-0584 (02) 00375-9 .
  30. ^ Белкин, А .; Безрядин, А .; Hendren, L .; Хублер, А. (20 апреля 2017 г.). «Восстановление наноконденсаторов из оксида алюминия после высоковольтного пробоя» . Научные отчеты . 7 (1): 932. Bibcode : 2017NatSR ... 7..932B . DOI : 10.1038 / s41598-017-01007-9 . PMC 5430567 . PMID 28428625 .  
  31. ^ «График инноваций GE 1957–1970» . Архивировано 16 февраля 2009 года . Проверено 12 января 2009 .
  32. ^ «DailyMed - JUNEL FE 1/20 - ацетат норэтиндрона и этинилэстрадиол, а также фумарат железа» . dailymed.nlm.nih.gov . Архивировано 13 марта 2017 года . Проверено 13 марта 2017 .
  33. ^ В.Б. Михайлик, Х. Краус (2005). «Низкотемпературная спектроскопическая и сцинтилляционная характеристика Al 2 O 3, легированного титаном ». Nucl. Instr. Phys. Res. . 546 (3): 523–534. Bibcode : 2005NIMPA.546..523M . DOI : 10.1016 / j.nima.2005.02.033 .
  34. ^ Фарндон, Джон (2001). Алюминий . Маршалл Кавендиш. п. 19 . ISBN 9780761409472. Оксид алюминия также используется для изготовления изоляторов свечей зажигания.
  35. ^ де Карл, Дональд (1969). Практический ремонт часов . NAG Press Ltd. стр. 164. ISBN 0719800307.

Внешние ссылки [ править ]

  • CDC - Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям