Aluminijev oksid

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Skoči na: navigacija, iskanje
Aluminijev oksid
Aluminium oxide.jpg
Corundum-3D-balls.png
IUPAC-ime aluminijev oksid
Druga imena aluminijev(III) oksid, glinica
Identifikatorji
Številka CAS 1344-28-1
PubChem 9989226
RTECS število BD120000
Oznaka ATC D10AX04
SMILES
InChI
ChemSpider 8164808
Lastnosti
Molekulska formula Al2O3
Molska masa 101,96 g mol−1
Videz bela trdnina
Vonj brez vonja
Gostota 3,95–4,1 g/cm3
Tališče

2072 °C[2]

Vrelišče

2977 °C[3]

Topnost (voda) netopen
Topnost netopen v dietil etru,
skoraj netopen etanolu
Toplotna prevodnost 30 W•m−1•K−1[1]
Lomni količnik (nD) nω=1,768–1,772
nε=1,760–1,763
Dvolomnost: δ = 0,008
Struktura
Kristalna struktura trigonalna,
Pearsonov simbol hR30,
prostorska skupina: R3c, No. 167
Koordinacijska
geometrija
oktaedrična
Termokemija
Standardna tvorbena
entalpija
ΔfHo298
−1675,7 kJ•mol−1[4]
Standardna molarna
entropija
So298
50,92 J•mol−1•K−1[4]
Nevarnosti
EU klasifikacija ni uvrščen
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
1
0
 
Plamenišče ni vnetljiv
Dovoljena stopnja
izpostavljenosti
(PEL)
OSHA 15 mg/m3 (celoten prah)
OSHA 5 mg/m3 (respirabilni del)
ACGIH/TLV 10 mg/m3
Sorodne snovi
Drugi anioni aluminijev hidroksid
Drugi kationi borov trioksid
galijev oksid
indijev oksid
talijev oksid
Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za
material v standardnem stanju (pri 25 °C, 100 kPa)

Aluminijev oksid, aluminijev(III) oksid ali glinica je anorganska spojina s kemijsko formulo Al2O3. Je najpogostejši aluminijev oksid. Najpogostejši polimorf je α-Al2O3, iz katerega je zgrajen mineral korund in draga kamna rubin in safir. Glinica je glavna surovina za proizvodnjo aluminija. Zaradi velike trdote se uporablja kot brusivo (abraziv), zaradi visokega tališča pa za izdelavo ognjevarne opeke.[5]

Nahajališča[uredi | uredi kodo]

Najpogostejša naravna kristalna oblika aluminijevega oksida je korund. Rubin in safir sta zelo redka draga kamna. Rubinu dajejo značilno temno rdečo barvo sledovi kroma. Safir je različno obarvan zaradi sledov nečistot, na primer železa in titana.

Lastnosti[uredi | uredi kodo]

Uprašen aluminijev oksid

Al2O3 je dober električni izolator. Kot gradivo za proizvodnjo keramike ima relativno visoko toplotno prevodnost (30 Wm−1K−1). V vodi ni topen. Korund ali α-aluminijev oksid je zelo trd in primeren kot abraziv ali komponenta rezilnih orodij (svedri, noži …).[5]

Aluminijev oksid daje kovinskemu aluminiju izredno dobro odpornost proti vremenskim vplivom. Kovinski aluminij zelo rad oksidira s kisikom iz zraka. Pri tem nastane na površini zelo tenak obstojen sloj aluminijevega oksida (4 nm), ki ščiti kovino pred nadaljnjo oksidacijo.[6] Debelino in lastnosti zaščitnega sloja se lahko poveča z anodno oksidacijo (eloksacijo). Odpornost aluminijevega oksida se izkorišča tudi v aluminijevih bronzah, katerim se zaradi poboljšanja odpornosti proti koroziji dodaja 5–11 % aluminija. Aluminijev oksid, ki nastane z anodno oksidacijo, je večinoma amorfen. Z anodno oksidacijo v plazmi nastane v prevleki velik del kristalnega aluminijevega oksida, ki poveča njeno trdoto.

Amfoternost[uredi | uredi kodo]

Aluminijev oksid je amfoteren, se pravi da reagira s kislinami in bazami, na primer s klorovodikovo kislino in natrijevim hidroksidom:

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
Al2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3Al(OH)6 (natrijev aluminat)

Struktura[uredi | uredi kodo]

Korund iz Brazilije; velikost: približno 2 x 3 cm

Najpogostejša kristalna oblika aluminijevega oksida je termodinamsko stabilni korund.[7] Kisikovi atomi v korundu tvorijo heksagonalni gosti sklad z aluminijevimi ioni, ki zapolnjujejo dve tretjini oktaedrskih vmesnih prostorov. Vsa Al3+ središča so oktaedrska (Z = 6). Korund ima torej trigonalno Bravaisovo mrežo s prostorsko skupino R3c. Osnovna celica vsebuje dve molekularni enoti aluminijevega oksida.

Aluminijev oksid obstaja tudi v drugih fazah: kubični γ in η, monoklinski θ, heksagonalni χ, ortorombski κ in fazi δ, ki je lahko tetragonalna ali ortorombska.[7][8] Vsaka faza ima edinstveno kristalno strukturo in lastnosti.

Tehnično pomemben je kubični γ-Al2O3. Za tako imenovani β-Al2O3 se je izkazalo, da je NaAl11O17.[9]

Aluminijev oksid je malo pod temperaturo tališča sestavljen iz približno 2/3 tetraedričnega oksida (koordinacija Z = 4), 1/3 oksida s koordinacijo Z = 5 in zelo malo (manj kot 5 %) okteadričnega oksida (koordinacija Z = 6).[10] Porušitev oktaedrov med taljenjem povzroči relativno veliko povečanje volumna (~ 20 %). Gostota taline blizu tališča je 2,93 g cm-3.[11]

Proizvodnja[uredi | uredi kodo]

Glavna surovina za proizvodnjo aluminijevega oksida in aluminija je ruda boksit, ki je sestavljena večinoma iz aluminijevih hidroksidnih mineralov. Mednje spadajo gibsit (Al(OH)3), bemit (γ-AlO(OH)) in diaspor (α-AlO(OH)). Boksit vsebuje tudi nečistoče, predvsem železove okside in hidrokside, kremen in glinence.[12] Aluminij se iz boksita pridobiva po Bayerjevem postopku:

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

V natrijevem hidroksidu se raztopijo samo aluminijevi hidroksidi in SiO2. Netopni Fe2O3 se iz reakcijske zmesi odstrani s sedimentacijo in filtracijo. Ko se filtrat ohladi, se iz njega izloči oborina Al(OH)3, silikati pa ostanejo v raztopini:

NaAl(OH)4 → NaOH + Al(OH)3

Trdni Al(OH)3 (gibsit) se nato s kalciniranjem pretvori v aluminijev oksid:[5]

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O

Nastali produkt ni čisti korund, ampak je sestavljen iz več faz.[8] Letna svetovna proizvodnja aluminijevega oksida je približno 45 milijonov ton. Večina (90 %) se ga predela v aluminij.[5]

Aluminijev oksid, ki se uporablja kot izolator v integriranih vezjih, se pridobiva na samem vezju s kemijsko reakcijo med trimetilaluminijem (Al(CH3)3) in vodo:[13]

2Al(CH3)3 + 3H2O → Al2O3 + 6CH4

Vodo v zgornji reakciji se v zadnjem času nadomešča z ozonom (O3) kot aktivnim oksidantom. V tem primeru poteka naslednja reakcija:[14][15]

2Al(CH3)3 + O3 → Al2O3 + 3C2H6

Izolacija, pripravljena z ozonom, ima v primerjavi z izolacijo, pripravljeno z vodo, 10-100 krat manjšo gostoto plazečih tokov.

Proizvodnja v Sloveniji[uredi | uredi kodo]

Glinico je po Bajerjevem postopku proizvajala Kemična tovarna Moste v Ljubljani, ustanovljena leta 1906.[16] Njena naslednica Kemira KTM d.o.o. proizvaja samo še aluminijeve soli in druge kemične izdelke.

Glinico in aluminij še vedno proizvaja Talum d.d. iz Kidričevega, ki je prvi aluminij proizvedla 21. novembra 1954.[17]

Uporaba[uredi | uredi kodo]

Večina aluminijevega oksida se porabi za proizvodnjo aluminija po elektrolitskem postopku. Uporablja se tudi za proizvodnjo ognjevarne keramike,[18] zeolitov, pigmentov in zaviralcev gorenja in dimljenja.

Zaradi kemijske stabilnosti in bele barve je cenjeno polnilo za plastiko, sestavina sredstev za sončenje, včasih tudi črtal za ustnice, rdečil in lakov za nohte.

Aluminijev oksid katalizira različne industrijske kemijske reakcije. Najpomembnejša je pretvorba vodikovega disulfida v odpadnih plinih rafinerij v elementarno žveplo in dehidracijo alkoholov v alkene. Kot nosilec katalizatorja se uporablja v procesih za odstranjevanje vodikovega disulfida

2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O (ΔH = -4147,2 kJ mol−1)
2H2S + SO2 → 3S + 2H2O

in nekaterih Ziegler-Nattovih polimerizacijah.

Aluminijev oksid je trd (po Mohsovi lestvici = 9) in žilav in se zato namesto diamanta na široko uporablja kot sredstvo za brušenje in poliranje.

V kemijskih laboratorijih se uporablja kot medij za kromatografijo.

Sklici[uredi | uredi kodo]

  1. ^ Material Properties Data: Alumina (Aluminum Oxide). Makeitfrom.com. Pridobljeno 17. aprila 2013.
  2. ^ P. Patnaik (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8.
  3. ^ R.C. Rowe, P.J. Sheskey, M.E. Quinn (2009). Adipic acid. Handbook of Pharmaceutical Excipients. Pharmaceutical Press, str. 11–12. ISBN 978-0-85369-792-3.
  4. ^ 4,0 4,1 S.S. Zumdahl (2009). Chemical Principles. 6. izdaja. Houghton Mifflin. ISBN 0-618-94690-X.
  5. ^ 5,0 5,1 5,2 5,3 Alumina (Aluminium Oxide) – The Different Types of Commercially Available Grades. The A to Z of Materials. Pridobljeno 27. oktobra 2007.
  6. ^ T. Campbell, R. Kalia, A. Nakano, P. Vashishta, S. Ogata, S. Rodgers (1999). Dynamics of Oxidation of Aluminium Nanoclusters using Variable Charge Molecular-Dynamics Simulations on Parallel Computers. Physical Review Letters 82 (24): 4866. Bibcode: 1999PhRvL..82.4866C. doi: 10.1103/PhysRevLett.82.4866.
  7. ^ 7,0 7,1 I. Levin, D. Brandon (1998). Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequnces. Journal of the American Ceramic Society 81 (8): 1995–2012. doi: 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x.
  8. ^ 8,0 8,1 G. Paglia (2004). Determination of the Structure of γ-Alumina using Empirical and First Principles Calculations Combined with Supporting Experiments. Curtin University of Technology, Perth. Pridobljeno 5. maja 2009.
  9. ^ E. Wiberg, A.F. Holleman (2001). Inorganic Chemistry. Elsevier. ISBN 0-12-352651-5.
  10. ^ L.B. Skinner in drugi (2013). Joint diffraction and modeling approach to the structure of liquid alumina. Phys. Rev. B 87: 024201. Bibcode: 2013PhRvB..87b4201S. doi: 10.1103/PhysRevB.87.024201.
  11. ^ P.-F. Paradis in drugi (2004). Non-Contact Thermophysical Property Measurements of Liquid and Undercooled Alumina. Jap. J. Appl. Phys. 43 (4): 1496–1500. Bibcode: 2004JaJAP..43.1496P. doi: 10.1143/JJAP.43.1496.
  12. ^ Bauxite and Alumina Statistics and Information. USGS. Pridobljeno 5. maja 2009.
  13. ^ G.S. Higashi, 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.
  14. ^ J.B. Kim, D.R. Kwon, K. Chakrabarti, C. Lee, K.Y. Oh, J.H. Lee (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.
  15. ^ K. Jaebum, C. Kuntal, J. Lee, O. Ki-Young, L. 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.
  16. ^ [Kemična tovarna Moste]. Pridobljeno 24. januarja 2015.
  17. ^ http://www.talum.si/domov/679-60-let-dolga-pot 60 let dolga pot. Talum d.d.. Pridobljeno 24. februarja 2015.
  18. ^ Aloxite. ChemIndustry.com database. Pridobljeno 24. februarja 2007.