Aluminijev oksid

Izvor: Wikipedija
Prijeđi na navigaciju Prijeđi na pretraživanje

Aluminijev oksid kemijski je spoj aluminija i kisika s kemijskom formulom Al2O3. To je najčešći od nekoliko aluminijevih oksida, a posebno je identificiran kao aluminijev (III) oksid. Obično se naziva aluminijev oksid, a može se zvati i aloksid, aloksit ili alundum ovisno o određenim oblicima ili primjenama. Prirodno se javlja u svojoj kristalnoj polimorfnoj fazi α-Al2O3 kao mineral korund, čije vrste tvore dragocjeno kamenje rubin i safir. Al2O3 značajan je u svojoj upotrebi za proizvodnju metala aluminija, kao abraziv zbog svoje tvrdoće i kao vatrostalni materijal zbog svoje visoke točke taljenja.[1]

Pojavljivanje u prirodi[uredi | uredi kôd]

Korund je najčešći prirodni kristalni oblik aluminijevog oksida.[2] Rubini i safiri su oblici korunda kvalitete dragulja, koji svoje karakteristične boje duguju tragovima nečistoća. Rubinima karakterističnu tamnocrvenu boju i lasersku kvalitetu daju tragovi kroma. Safiri dolaze u različitim bojama koje daju razne druge nečistoće, kao što su željezo i titan. Izuzetno rijedak, δ oblik, javlja se kao mineral deltalumit.[3][4]

Svojstva[uredi | uredi kôd]

Aluminium oxide in its powdered form.
Aluminijev oksid u obliku praha.

Al2O3 električni je izolator, ali ima relativno visoku toplinsku vodljivost (30 Wm−1K−1)[5] za keramički materijal. Aluminijev oksid netopiv je u vodi. U kristalnom obliku koji se najčešće pojavljuje, zvanom korund ili α-aluminijev oksid, njegova tvrdoća čini ga prikladnim za upotrebu kao abraziv i kao komponenta u alatima za rezanje.[1]

Aluminij oksid odgovoran je za otpornost metalnog aluminija na vremenske utjecaje. Metalni aluminij vrlo je reaktivan s atmosferskim kisikom, a tanki pasivacijski sloj aluminijevog oksida (4 nm debljine) nastaje na bilo kojoj izloženoj aluminijskoj površini u nekoliko stotina pikosekundi.[6] Ovaj sloj štiti metal od daljnje oksidacije. Debljina i svojstva ovog oksidnog sloja mogu se poboljšati postupkom koji se naziva eloksiranje. Brojne legure, kao što su aluminijske bronce, iskorištavaju ovo svojstvo uključivanjem dijela aluminija u leguri radi povećanja otpornosti na koroziju. Aluminijev oksid koji nastaje anodizacijom obično je amorfan, ali oksidacijski procesi potpomognuti pražnjenjem, kao što je elektrolitička oksidacija plazme, rezultiraju značajnim udjelom kristalnog aluminijevog oksida u premazu, povećavajući njegovu tvrdoću.

Aluminijev oksid skinut je s popisa kemikalija Agencije za zaštitu okoliša Sjedinjenih Država 1988. Aluminijev oksid na popisu je EPA-e za ispuštanje toksičnih tvari ako je u obliku vlakana.[7]

Amfoterna priroda[uredi | uredi kôd]

Aluminijev oksid amfoterna je tvar, što znači da može reagirati i s kiselinama i s bazama, kao što su fluorovodična kiselina i natrijev hidroksid, djelujući kao kiselina s bazom i baza s kiselinom, neutralizirajući drugu i stvarajući sol.

Al2O3 + 6 HF → 2 AlF<sub id="mwfg">3</sub> + 3 H2O
Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O → 2 NaAl(OH)4 (natrijev aluminat)

Struktura[uredi | uredi kôd]

Korund iz Brazila, veličine oko 2×3 cm.

Najčešći oblik kristalnog aluminijevog oksida poznat je kao korund, koji je termodinamički stabilan oblik.[8] Ioni kisika tvore gotovo heksagonalnu zbijenu strukturu s aluminijskim ionima koji ispunjavaju dvije trećine oktaedarskih međuprostora. Svaki Al3+ centar je oktaedaran. U smislu svoje kristalografije, korund usvaja trigonalnu Bravaisovu rešetku s prostornom grupom od R3c (broj 167 u međunarodnim tablicama). Primitivna ćelija sadrži dvije formulske jedinke aluminijevog oksida.

Aluminijev oksid također postoji u drugim metastabilnim fazama, uključujući kubične γ i η faze, monokliničku θ fazu, heksagonalnu χ fazu, ortorombnu κ fazu i δ fazu koja može biti tetragonalna ili ortorombna.[8][9] Svaki od njih ima jedinstvenu kristalnu strukturu i svojstva. Kubični γ-Al2O3 ima važne tehničke primjene. Takozvani β-Al2O3 pokazao se kao NaAl11O17.[10]

Otopljeni aluminijev oksid u blizini temperature taljenja otprilike je 2/3 tetraedarski (tj. 2/3 Al je okruženo s 4 susjeda kisika), a 1/3 5-koordiniran, s vrlo malo (<5%) prisutnog oktaedranog Al-O.[11] Oko 80% atoma kisika dijeli se na tri ili više Al-O poliedara, a većina međupoliedarskih veza dijeli kutove, a preostalih 10-20% dijeli rubove.[11] Raspad oktaedara pri taljenju popraćen je relativno velikim povećanjem volumena (~33%), gustoća tekućine blizu točke taljenja je 2,93 g/cm 3.[12] Struktura rastaljenog aluminija ovisi o temperaturi i udio 5- i 6-erostrukog aluminija raste tijekom hlađenja (i superhlađenja), smanjujući tetraedarske AlO4 jedinice, približavajući se lokalnim strukturnim rasporedima pronađenim u amorfnoj alumini.[13]

Proizvodnja[uredi | uredi kôd]

Minerali aluminijevog hidroksida glavna su komponenta boksita, glavne rude aluminija. Mješavina minerala sadrži rudu boksita, uključujući gibzit (Al(OH)3), bemit (γ-AlO(OH)) i dijaspore (α-AlO(OH)), zajedno s nečistoćama željeznih oksida i hidroksida, kvarca i minerala gline.[14] Boksiti se nalaze u lateritima. Boksit se pročišćava Bayerovim postupkom:

Al2O3 + H2O + NaOH → NaAl(OH)4
Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4

Osim SiO2, ostale komponente boksita se ne otapaju u bazi. Nakon filtriranja osnovne smjese, Fe2O3 se uklanja. Kada se Bayerova tekućina ohladi, Al(OH)3 precipitira, ostavljajući silikate u otopini.

NaAl(OH)4 → NaOH + Al(OH)3

Čvrsti Al(OH)3 zatim se kalcinira (zagrije na preko 1100°C) da se dobije aluminijev oksid:[1]

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

Produkt aluminijeva oksida obično je višefazni, tj. sastoji se od nekoliko faza aluminijevog oksida, a ne samo od korunda.[9] Proizvodni proces stoga se može optimizirati za proizvodnju produkta po mjeri. Vrsta prisutnih faza utječe, na primjer, na topljivost i strukturu pora aluminijevog oksida, što zauzvrat utječe na cijenu proizvodnje aluminija i kontrolu onečišćenja.[9]

Primjene[uredi | uredi kôd]

Poznat kao alfa aluminijev oksid u zajednicama znanosti o materijalima ili alundum (u stopljenom obliku) ili aloksit[15] u rudarskim i keramičkim zajednicama, aluminijev oksid nalazi široku primjenu. Godišnja svjetska proizvodnja aluminijevog oksida u 2015. iznosila je približno 115 milijuna tona, od čega se preko 90% koristi u proizvodnji metalnog aluminija.[1] Glavna upotreba specijalnih aluminijskih oksida je u vatrostalnim materijalima, keramici, poliranju i abrazivnim primjenama. Velike tonaže aluminijevog hidroksida, iz kojeg se dobiva glinica, koriste se u proizvodnji zeolita, premaznih titanijevih pigmenata i kao usporivač požara/suzbijač dima.

Više od 90% proizvedenog aluminijevog oksida, obično nazvanog Smelter Grade Alumina (SGA), troši se za proizvodnju aluminija, obično Hall-Héroultovim postupkom. Ostatak, koji se obično naziva specijalnim aluminijem, koristi se u raznim primjenama koje odražavaju njegovu inertnost, temperaturnu otpornost i električnu otpornost.[16]

Punila[uredi | uredi kôd]

Budući da je prilično kemijski inertan i bijel, aluminij oksid najbolje je punilo za plastiku. Aluminijev oksid čest je sastojak krema za sunčanje, a ponekad je prisutan i u kozmetici kao što su rumenilo, ruž za usne i lak za nokte.

Staklo[uredi | uredi kôd]

Mnoge formulacije stakla imaju aluminijev oksid kao sastojak.[17] Aluminosilikatno staklo uobičajena je vrsta stakla koja često sadrži 5% do 10% alumina.

Kataliza[uredi | uredi kôd]

Aluminijev oksid katalizira razne reakcije koje su korisne u industriji. U svojoj najvećoj primjeni, aluminijev oksid katalizator je u Clausovom procesu za pretvaranje otpadnih plinova sumporovodika u elementarni sumpor u rafinerijama. Također je koristan za dehidraciju alkohola u alkene.

Aluminijev oksid služi kao potpora katalizatora za mnoge industrijske katalizatore, poput onih koji se koriste u hidrodesulfurizaciji i nekim Ziegler-Natta polimerizacijama.

Pročišćavanje plina[uredi | uredi kôd]

Aluminijev oksid naširoko se koristi za uklanjanje vode iz plinskih tokova.[18]

Abraziv[uredi | uredi kôd]

Aluminij oksid koristi se zbog svoje tvrdoće i čvrstoće. Njegov prirodni oblik, korund, ima 9 na Mohsovoj ljestvici mineralne tvrdoće (odmah ispod dijamanta). Široko se koristi kao abraziv, uključujući i kao mnogo jeftiniju zamjenu za industrijski dijamant. Mnoge vrste brusnog papira koriste kristale aluminij oksida. Osim toga, njegovo nisko zadržavanje topline i niska specifična toplina čine ga širokom primjenom u operacijama brušenja, posebno u alatima za rezanje. Kao praškasti abrazivni mineral aloksit, glavna je komponenta, zajedno sa silicijevim dioksidom, "krede" vrha štapova koja se koristi u biljaru. Aluminijev oksidni prah koristi se u nekim setovima za poliranje CD-a/ DVD-a i popravak ogrebotina. Njegove kvalitete poliranja također stoje iza njegove upotrebe u pasti za zube. Također se koristi u mikrodermoabraziji, kako u strojnom procesu dostupnom preko dermatologa i estetičara, tako i kao ručni dermalni abraziv koji se koristi prema uputama proizvođača.

Boja[uredi | uredi kôd]

Pahuljice aluminijevog oksida koriste se u bojama za reflektirajuće dekorativne efekte, kao što su u automobilskoj ili kozmetičkoj industriji. 

Kompozitna vlakna[uredi | uredi kôd]

Aluminijev oksid koristi se u nekoliko eksperimentalnih i komercijalnih vlaknastih materijala za primjene visokih performansi (npr. Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720).[19] Posebno su nanovlakna od aluminijevog oksida postala područje interesa istraživanja.

Oklop[uredi | uredi kôd]

Neke pancirke koriste se keramičkim pločicama od aluminijevog oksida, obično u kombinaciji s aramidnom ili UHMWPE podlogom kako bi se postigla učinkovitost protiv većine prijetnji puškama. Keramički oklop od aluminijevog oksida lako je dostupan većini civila u područjima gdje je legalan, ali se ne smatra vojnom oklopom.[20]

Zaštita od abrazije[uredi | uredi kôd]

Aluminijev oksid može se uzgajati kao premaz na aluminiju eloksiranjem ili plazma elektrolitičkom oksidacijom. I tvrdoća i karakteristike otpornosti na habanje premaza potječu od visoke čvrstoće aluminijevog oksida, ali porozni sloj premaza proizveden konvencionalnim postupcima anodizacije istosmjernom strujom unutar je raspona tvrdoće C po Rockwellu od 60-70[21] koji je usporediv samo s otvrdnute legure ugljičnog čelika, ali znatno inferiornije u odnosu na tvrdoću prirodnog i sintetičkog korunda. Umjesto toga, s plazma elektrolitičkom oksidacijom, premaz je porozan samo na površinskom sloju oksida, dok su niži oksidni slojevi mnogo kompaktniji nego kod standardnih DC postupaka anodizacije i imaju veću kristalnost zbog ponovnog topljenja i zgušnjavanja oksidnih slojeva kako bi se dobio α-Al2O3 klasteri s mnogo većim vrijednostima tvrdoće premaza oko 2000 tvrdoće po Vickersu. 

Proizvodnja aluminijevog oksida 2005

Aluminijev oksid koristi se za proizvodnju pločica koje su pričvršćene unutar vodova za gorivo u prahu i cijevi za dimne plinove u elektranama na ugljen kako bi se zaštitila područja visokog trošenja. Nisu prikladne za područja s velikim udarnim silama jer su ove pločice lomljive i osjetljive na udare.

Električna izolacija[uredi | uredi kôd]

Aluminijev oksid električni je izolator koji se koristi kao supstrat (silicij na safiru) za integrirane krugove, ali i kao tunelska barijera za izradu supravodljivih uređaja kao što su tranzistori s jednim elektronom i supravodljivi uređaji za kvantne interferencije (SQUID-ovi).

Za njegovu primjenu kao električnog izolatora u integriranim krugovima, gdje je konformni rast tankog filma preduvjet, a preferirani način rasta je taloženje atomskog sloja, Al2O3 filmovi mogu se pripremiti kemijskom izmjenom između trimetilaluminija (Al(CH3)3) i H2O:[22]

2 Al(CH3)3 + 3 H2O → Al2O3 + 6 CH4

H2O u gornjoj reakciji može se zamijeniti ozonom (O3) kao aktivnim oksidansom i tada se odvija sljedeća reakcija:[23][24]

2 Al(CH3)3 + O3 → Al2O3 + 3 C2H6

Al2O3 filmovi pripremljeni korištenjem O3 pokazuju 10-100 puta manju gustoću propuštanja struje u usporedbi s onima pripremljenim s H2O.

Aluminijev oksid, kao dielektrik s relativno velikim razmakom u pojasu, koristi se kao izolacijska barijera u kondenzatorima.[25]

Ostale primjene[uredi | uredi kôd]

U rasvjeti, prozirni aluminijev oksid koristi se u nekim svjetiljkama s natrijevom parom.[26] Aluminijev oksid također se koristi za pripremu suspenzija premaza u štednim žaruljama.

U kemijskim laboratorijima, aluminijev oksid je medij za kromatografiju, dostupan u bazičnim (pH 9,5), kiselim (pH 4.5 kada je u vodi) i neutralnim formulacijama.

Zdravstvene i medicinske primjene uključuju ga kao materijal pri zamjeni kuka[1] i u kontracepcijskim pilulama.[27]

Koristi se kao scintilator[28] i dozimetar za zaštitu od zračenja i primjenu u terapiji zbog svojih optički stimuliranih svojstava luminescencije. 

Izolacija za visokotemperaturne peći često se proizvodi od aluminijevog oksida. Ponekad izolacija ima različite postotke silicijevog dioksida ovisno o temperaturnoj ocjeni materijala. Izolacija se može izraditi u obliku pokrivača, ploča, opeke i labavih vlakana za različite zahtjeve primjene.


Također se koristi za izradu izolatora svjećica.[29]

Koristeći postupak plazma raspršivanja i pomiješan s titanijom, nanosi se na kočionu površinu nekih naplataka bicikla kako bi se osigurala otpornost na habanje i trošenje. 

Većina keramičkih dijelova na štapovima za pecanje kružni su prstenovi izrađeni od aluminijevog oksida. 

U svom najfinijem praškastom (bijelom) obliku, nazvanom dijamantin, aluminijev oksid koristi se kao vrhunski abraziv za poliranje u urastvu i izradi satova.[30]

Aluminijev oksid također se koristi u premazivanju nosača u industriji motokrosa i brdskih bicikala. Ovaj premaz je u kombinaciji s molibdendisulfatom kako bi se osiguralo dugotrajno podmazivanje površine.[31]

Izvori[uredi | uredi kôd]

  1. a b c d e Alumina (Aluminium Oxide) – The Different Types of Commercially Available Grades. The A to Z of Materials. 3. svibnja 2002. Inačica izvorne stranice arhivirana 10. listopada 2007. Pristupljeno 27. listopada 2007.
  2. Elam, J. W. Listopad 2010. Atomic Layer Deposition Applications 6 (engleski). The Electrochemical Society. ISBN 9781566778213
  3. Deltalumite
  4. List of Minerals. 21. ožujka 2011.
  5. Material Properties Data: Alumina (Aluminum Oxide)Inačica izvorne stranice arhivirana 1. travnja 2010..
  6. Campbell, Timothy; Kalia, Rajiv; Nakano, Aiichiro; Vashishta, Priya; Ogata, Shuji; Rodgers, Stephen. 1999. Dynamics of Oxidation of Aluminium Nanoclusters using Variable Charge Molecular-Dynamics Simulations on Parallel Computers (PDF). Physical Review Letters. 82 (24): 4866. Bibcode:1999PhRvL..82.4866C. doi:10.1103/PhysRevLett.82.4866. Inačica izvorne stranice arhivirana (PDF) 1. srpnja 2010.
  7. EPCRA Section 313 Chemical List For Reporting Year 2006 (PDF). US EPA. Inačica izvorne stranice (PDF) arhivirana 22. svibnja 2008. Pristupljeno 30. rujna 2008.
  8. a b I. Levin; D. Brandon. 1999. Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequences. Journal of the American Ceramic Society. 81 (8): 1995–2012. doi:10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x
  9. a b c Paglia, G. 2004. Determination of the Structure of γ-Alumina using Empirical and First Principles Calculations Combined with Supporting Experiments (free download). Curtin University of Technology, Perth. Pristupljeno 5. svibnja 2009.
  10. Wiberg, E.; Holleman, A. F. 2001. Inorganic Chemistry. Elsevier. ISBN 978-0-12-352651-9
  11. a b Skinner, L.B.; i dr. 2013. Joint diffraction and modeling approach to the structure of liquid alumina. Phys. Rev. B. 87 (2): 024201. Bibcode:2013PhRvB..87b4201S. doi:10.1103/PhysRevB.87.024201
  12. Paradis, P.-F.; i dr. 2004. Non-Contact Thermophysical Property Measurements of Liquid and Undercooled Alumina. Jpn. J. Appl. Phys. 43 (4): 1496–1500. Bibcode:2004JaJAP..43.1496P. doi:10.1143/JJAP.43.1496
  13. Shi, C; Alderman, O L G; Berman, D; Du, J; Neuefeind, J; Tamalonis, A; Weber, R; You, J; Benmore, C J. 2019. The structure of amorphous and deeply supercooled liquid alumina. Frontiers in Materials. 6 (38): 38. Bibcode:2019FrMat...6...38S. doi:10.3389/fmats.2019.00038
  14. Bauxite and Alumina Statistics and Information. USGS. Inačica izvorne stranice arhivirana 6. svibnja 2009. Pristupljeno 5. svibnja 2009.
  15. Aloxite. ChemIndustry.com database. Inačica izvorne stranice arhivirana 25. lipnja 2007. Pristupljeno 24. veljače 2007.
  16. Evans, K. A. 1993. Properties and uses of aluminium oxides and aluminium hydroxides. Downs, A. J. (ur.). The Chemistry of Aluminium, Indium and Gallium. Blackie Academic. ISBN 978-0751401035
  17. Akers, Michael J. 19. travnja 2016. Sterile Drug Products: Formulation, Packaging, Manufacturing and Quality (engleski). CRC Press. ISBN 9781420020564
  18. 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 .
  19. Mallick, P.K. 2008. Fiber-reinforced composites materials, manufacturing, and design 3rd ed., [expanded and rev. ed.] izdanje. CRC Press. Boca Raton, FL. str. Ch.2.1.7. ISBN 978-0-8493-4205-9
  20. Ballistic Resistance of Body Armor (PDF). US Department of Justice. NIJ. Pristupljeno 31. kolovoza 2018.
  21. Osborn, Joseph H. 2014. understanding and specifying anodizing: what a manufacturer needs to know. OMW Corporation. Inačica izvorne stranice arhivirana 20. studenoga 2016. Pristupljeno 2. lipnja 2018.
  22. Higashi GS, Fleming. 1989. Sequential surface chemical reaction limited growth of high quality Al2O3 dielectrics. Appl. Phys. Lett. 55 (19): 1963–65. Bibcode:1989ApPhL..55.1963H. doi:10.1063/1.102337
  23. Kim JB; Kwon DR; Chakrabarti K; Lee Chongmu; Oh KY; Lee JH. 2002. Improvement in Al2O3 dielectric behavior by using ozone as an oxidant for the atomic layer deposition technique. J. Appl. Phys. 92 (11): 6739–42. Bibcode:2002JAP....92.6739K. doi:10.1063/1.1515951
  24. Kim, Jaebum; Chakrabarti, Kuntal; Lee, Jinho; Oh, Ki-Young; Lee, Chongmu. 2003. 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): 733–38. doi:10.1016/S0254-0584(02)00375-9
  25. Belkin, A.; Bezryadin, A.; Hendren, L.; Hubler, A. 20. travnja 2017. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown. Scientific Reports. 7 (1): 932. Bibcode:2017NatSR...7..932B. doi:10.1038/s41598-017-01007-9. PMC 5430567. PMID 28428625
  26. GE Innovation Timeline 1957–1970. Inačica izvorne stranice arhivirana 16. veljače 2009. Pristupljeno 12. siječnja 2009.
  27. DailyMed - JUNEL FE 1/20- norethindrone acetate and ethinyl estradiol, and ferrous fumarate. dailymed.nlm.nih.gov. Inačica izvorne stranice arhivirana 13. ožujka 2017. Pristupljeno 13. ožujka 2017.
  28. V.B. Mikhailik, H. Kraus. 2005. Low-temperature spectroscopic and scintillation characterisation of Ti-doped Al2O3. Nucl. Instr. Phys. Res. A. 546 (3): 523–534. Bibcode:2005NIMPA.546..523M. doi:10.1016/j.nima.2005.02.033
  29. Farndon, John. 2001. Aluminum (engleski). Marshall Cavendish. str. 19. ISBN 9780761409472. Aluminum oxide is also used to make spark plug insulators.
  30. de Carle, Donald. 1969. Practical Watch Repair (engleski). N.A.G. Press Ltd. str. 164. ISBN 0719800307
  31. Kashima Coat - Products / Services | Next-generation anodize boasting light weight, high lubrication, and superb wear resistance. The answer is Miyaki's Kashima Coat

Vanjske poveznice[uredi | uredi kôd]