Алуминиев оксид
Алуминиевият оксид или диалуминиевият триоксид 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]
| Алуминиев оксид | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Други | корунд |
| Структура | |
| Кристална структура | тригонална |
| Пространствена група | hR30 |
| Координационна геометрия | октаедърна |
| Свойства | |
| 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) |
| Парно налягане | 0 Pa (20 °C) |
| Разтворимост във вода | неразтворимо |
| Разтворимост в диетилов етер | неразтворимо |
| Магнитна възприемчивост | −37.0×10−6 cm3/mol |
| Топлопроводимост | 30 W·m−1·K−1 |
| Показател на пречупване | nω=1,768 – 1,772 nε=1,760 – 1,763 Двойно лъчепречупване: 0,008 |
| Термохимия | |
| Стандартна енталпия на образуване | −1675,7 kJ/mol |
| Опасности | |
| NFPA 704 |  0
1
0
|
| Точка на запалване | незапалим |
| Идентификатори | |
| CAS номер | 1344-28-1 |
| PubChem | 9989226 |
| ChemSpider | 8164808 |
| DrugBank | DB11342 |
| MeSH | D000537 |
| ChEBI | 30187 |
| ChEMBL | CHEMBL3707210 |
| RTECS | BD120000 |
| ATC | D10AX04 |
| SMILES | [Al+3].[Al+3].[O-2].[O-2].[O-2] |
| InChI | 1S/2Al.3O/q2*+3;3*-2 1/2Al.3O/q2*+3;3*-2 |
| InChI ключ | PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYAC |
| UNII | LMI26O6933 |
| Gmelin | 11099 |
| Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго. | |
| Алуминиев оксид в Общомедия | |
Свойства
редактиране
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
редактиранеНай-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
редактиранеАлуминиевите 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]
Реакция на взаимодействие на калиев хидроксид и алуминиев оксид.[12]
- 2KOH + Al2O3 → 2KAlO2 + H2O
Приложение
редактиранеОсвен за производство на метала алуминий, алуминиевият оксид намира широко приложение там, където е нужна инертност и устойчивост на електричество и топлина.[13]
Филер
редактиранеБидейки 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
редактиранеМного видове стъкло имат алуминиев оксид като съставка.[14]
Катализатор
редактиранеАлуминиевият 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
редактиранеАлуминиевият оксид се използва широко за премахване на водата от газови потоци.[15]
Абразив
редактиранеАлуминиевият 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
редактиранеЛюспи от алуминиев оксид се използват в някои бои за отразителен декоративен ефект, каквито се използват в автомобилната промишленост.
Абразивна защита
редактиранеАлуминиевият 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[16] 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
редактиранеВ осветлението се използва прозрачен алуминиев оксид в някои натриеви лампи.[17]
В медицината се използва като материал при операциите на тазобедрената става[1] и при противозачатъчните хапчета.[18]
Бидейки диелектрик, алуминиевият оксид се използва като изолираща бариера в кондензаторите.[19]
Използва се и при направата на изолация за запалителни свещи.[20]
Вижте също
редактиранеИзточници
редактиране- ↑ а б в г д Alumina (Aluminium Oxide) – The Different Types of Commercially Available Grades // The A to Z of Materials. Архивиран от оригинала на 2007-10-10. Посетен на 27 октомври 2007.
- ↑ Material Properties Data: Alumina (Aluminum Oxide)
- ↑ 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. Архивиран от оригинала на 2010-07-01. Посетен на 2018-08-30.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ Inorganic Chemistry. Elsevier, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
- ↑ 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. Архивиран от оригинала на 2013-02-24.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ chemicalstudy.ru
- ↑ Evans, K. A. Properties and uses of aluminium oxides and aluminium hydroxides // The Chemistry of Aluminium, Indium and Gallium. Blackie Academic, 1993. ISBN 075140103X.
- ↑ Akers, Michael J. Sterile Drug Products: Formulation, Packaging, Manufacturing and Quality. CRC Press, 19 април 2016. ISBN 9781420020564.
- ↑ 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
- ↑ Osborn, Joseph H. understanding and specifying anodizing: what a manufacturer needs to know // OMW Corporation, 2014. Архивиран от оригинала на 2016-11-20. Посетен на 2018-08-30.
- ↑ GE Innovation Timeline 1957 – 1970 // Посетен на 12 януари 2009.
- ↑ DailyMed – JUNEL FE 1/20- norethindrone acetate and ethinyl estradiol, and ferrous fumarate // dailymed.nlm.nih.gov. Посетен на 13 март 2017.
- ↑ Belkin, A. и др. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown // Sci. Rep.. 2017. DOI:10.1038/s41598-017-01007-9.
- ↑ Farndon, John. Aluminum. Marshall Cavendish, 2001. ISBN 9780761409472.