Alumina

Identifikasjon
Alumina

__ Al 3+ __ O 2– Krystallstruktur av α alumina ( korund )
N o CAS	1344-28-1
N o ECHA	100.014.265
N o EC	215-691-6
N o RTECS	BD1200000
DrugBank	DB11342
PubChem	9989226
ChEBI	30187
SMIL	[O-2]. [O-2]. [O-2]. [Al + 3]. [Al + 3] PubChem , 3D-visning
InChI	Std. InChI: 3D-visning InChI = 1S / 2Al.3O / q2 * + 3; 3 * -2 Std. InChIKey: PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N
Utseende	hvitt krystallisert fast stoff uoppløselig i vann
Kjemiske egenskaper
Brute formel	Al 2 O 3 [isomerer]
Molarmasse	101,9613 ± 0,0009 g / mol Al 52,93%, O 47,07%,
Fysiske egenskaper
T ° fusjon	2.050 ° C
T ° kokende	2980 ° C
Løselighet	sakte løselig i vandige alkaliske oppløsninger ; praktisk talt uløselig i ikke-polære organiske løsningsmidler , dietyleter , etanol (95%), vann
Volumisk masse	3,97 g · cm -3 til 20 ° C
Mettende damptrykk	133,3 Pa ved 2 158 ° C
Termisk ledningsevne	36,0 W · m -1 · K -1 til 26 ° C 10,9 W · m -1 · K -1 til 500 ° C 6,2 W · m -1 · K -1 til 1000 ° C
Termokjemi
S 0 væske, 1 bar	67,24 J · K- 1 - mol -1
S 0 solid	50,92 ± 0,10 J · K -1 · mol -1
Δ f H 0 væske	-1 620,57 kJ · mol -1
Δ f H 0 fast	-1 675,7 ± 1,3 kJ · mol -1
C s	795,5 J · K -1 · kg -1

Enheter av SI og STP med mindre annet er oppgitt.

Den aluminiumoksid eller aluminiumoksid , er en kjemisk forbindelse med formelen Al 2 O 3. Det er et luktfritt hvitt fast stoff som er uoppløselig i vann. Det er flere polymorfe , den viktigste er α alumina, trigonal-rhombohedral , som eksisterer i det naturlige miljøet i form av mineralet kalt korund , hvorav noen varianter er edelstener : rubin , med spor av krom og safir , med spor av jern og titan .

I petrologi er det vanlig å også kalle alumina for komponenten Al 2 O 3av den kjemiske sammensetningen av en bergart , uttrykt i prosent oksider , selv om mineralene som bærer aluminium ikke har denne kjemiske formelen. De sier for eksempel bauxitt , den viktigste malmen av aluminium , den er rik på aluminiumoksyd.

Alumina er hovedsakelig brukt som en kilde til aluminium , som et slipemiddel på grunn av sin hardhet på 9,0 på Mohs-skalaen (sammenlignbar med den for wolframkarbid ), og som et ildfast materiale på grunn av dets smeltepunkt. Høyt (når 2050 ° C ) .

Struktur og egenskaper

Α alumina, trigonal-rhombohedral , er den viktigste polymorfen av aluminiumoksid, som utgjør korund . Alumina β er nemlig forbindelsen Na 2 O 11Al 2 O 3Eller NaAl 11 O 17. Γ og η aluminiumoksyd, kubisk , θ aluminiumoksyd, monoklinisk , κ aluminiumoksyd, ortorombisk , χ sekskantet aluminiumoksyd , og 5 aluminiumoksyd, tetragonal eller ortorombisk , er de andre bemerkelsesverdige polymorfene av d 'oksyd. Γ aluminiumoksyd, for eksempel, brukes til produksjon av teknisk keramikk .

Alumina er amfotert , det vil si at den reagerer som en syre i nærvær av en base og som en base i nærvær av en syre. Det danner aluminater med mange metalloksider . Γ-aluminiumoksyd, kubisk, fremstår som et hygroskopisk hvitt pulver som er uoppløselig i vann, men sakte løselig i sterke baser og sterke syrer . Det dannes ved sintring av faste stoffer med en porøs overflate, hvis kvalitet avhenger nøye av produksjonsprosessen og temperaturen. Den brukes som en stasjonær fase i kromatografi . Γ aluminiumoksyd omdannes fra 800 ° C til α aluminiumoksyd, som er uoppløselig i syrer og baser.

Alumina er en god elektrisk isolator med en dielektrisk styrke på 35 kV · mm -1 og en resistivitet på 10 12 Ω · m ved 20 ° C (for å slippe 10 7 Ω · m til 1000 ° C ), men det ved romtemperatur tilsatt en termisk ledningsevne på 35,6 til 39 W · m -1 · K -1 , relativt høy for keramikk. Det er lett dannes på overflaten av aluminiummetall i kontakt med oksygen i luften , og utgjør et tynt lag av passivering , tykkelse på omtrent 4 nm , som beskytter det indre av volumet av aluminium mot progresjon av oksydasjon . En rekke legeringer , for eksempel cuproaluminum ( kobber med en brøkdel av aluminium), bruker denne egenskapen for å forbedre korrosjonsbestandigheten .

Tykkelsen og egenskapene til dette oksydlaget kan forbedres ved overflatebehandling av anodiseringstypen . Det således dannede laget er generelt amorft, men kan delvis krystalliseres ved anvendelse av plasmaoksidasjon eller lysbue- teknikker . Disse aluminiumoksydlagene kan deretter styrkes ved å kombinere med vann for å danne et aluminiumoksydhydrat som er gjennomsiktig. Det er mulig å legge fargestoffer til overflatelaget under denne operasjonen for å oppnå estetiske farger.

Produksjon

Alumina ble isolert i 1754 av tysk kjemiker Andreas Sigismund Marggraf fra alun . Det var Louis Guyton de Morveau (1737-1816), medarbeider av Antoine Lavoisier , som døpte alumina et av sulfatene i alum.

Den ekstraksjon av alumina fra bauxitt blir utført ved hjelp av en kjemisk prosess som kalles Bayer-prosessen , oppfunnet av den østerrikske Karl Josef Bayer . Den aluminiumoksyd er til stede i bauxitt i form av oksyder av aluminium hydrert - gibbsitt Al (OH) 3, boehmit γ-AlO (OH) og diaspore α-AlO (OH) - blandet med jernoksider - goetitt FeO (OH) og hematitt Fe 2 O 3- samt SiO 2 kvartsog leire . I denne prosessen angripes bauxitten med natriumhydroksyd NaOH ved høy temperatur og under trykk:

Al 2 O 3+ H 2 O+ NaOH ⟶ NaAl (OH) 4 ; Al (OH) 3+ NaOH ⟶ NaAl (OH) 4.

Unntatt SiO 2 kvartsbestanddelene av bauxitt oppløses ikke i basene . Filtrering av grunnblandingen eliminerer hematitten Fe 2 O 3Deretter avkjøles blandingen for å danne et bunnfall av aluminiumhydroksyd Al (OH) 3som etterlater silikatene i oppløsning:

NaAl (OH) 4⟶ NaOH + Al (OH) 3 ↓.

Hydroksydet kalsineres deretter over 1100 ° C for å danne aluminiumoksyd:

2 Al (OH) 3⟶ Al 2 O 3+ 3 H 2 O.

Aluminiumoksydet som produseres har en tendens til å være flerfase, det vil si at det ikke bare inneholder korund , men også andre polymorfe . Sammensetningen av det således produserte aluminiumoksydet kan justeres som en funksjon av driftsforholdene; den bestemmer spesielt overflatenes porøsitet og materialets løselighet, noe som påvirker kostnadene, salgsprisen og kontrollen av den resulterende forurensningen .

Det første anlegget som brukte denne prosessen var Gardanne- anlegget (tidligere Pechiney ) i 1894. Dette anlegget produserer fremdeles hydratiserte og kalsinerte aluminaer til i dag ved hjelp av denne prosessen. Alumina fra et bredt utvalg av kilder kan utvinnes ved hjelp av den mye mindre forurensende Orbite-prosessen .

Alumina blir utnyttet industrielt for å oppnå aluminium ved den elektrolytiske prosessen i Héroult-Hall . Det brukes også som ildfast materiale (motstandsdyktig mot svært høye temperaturer) og som keramikk , og kan også brukes i form av korund for å lage slipemidler. Aluminaovnrør produseres for oppvarming av tre og olje.

applikasjoner

Alumina brukes i en rekke applikasjoner. Omtrent 90% av den totale mengden brukes til å produsere aluminium , vanligvis ved elektrolyse (Hall-Héroult-prosessen), og resten brukes hovedsakelig i applikasjoner som utnytter dets kjemiske, termiske og elektriske motstand. Det brukes for eksempel som ildfast materiale , som keramikk , som slipemiddel eller annet i poleringsapplikasjoner . Et stort volum brukes til produksjon av zeolitter , pigmenter i titandioksydbelegg og retardasjons- eller antirøykmidler .

Som et slipemiddel tjener alumina for eksempel som en mye billigere erstatning for industrielle diamanter , enten naturlige eller syntetiske . Mange typer av sandpapir bruke aluminakrystaller . Sin lave varmeisolering og lav varmekapasitet gjør det til en mye brukt materiale for slitasje maskinering eller slipeanvendelser .

Som en elektrisk isolator brukes aluminiumoksyd i visse kondensatorer , så vel som et substrat i visse silisium-på-isolatorteknologier ( SOI ), i dette tilfellet kjent som Silicon-on-Sapphire (SOS), for å lage integrerte kretser, men også superledende komponenter. i tunneling som SET og SQUID . Det er mulig å dyrke tynne filmer av aluminiumoksid på en integrert krets ved kjemisk utveksling mellom trimetylaluminium Al 2 (CH 3 ) 6og vann H 2 O :

Al 2 (CH 3 ) 6+ 3 H 2 O⟶ Al 2 O 3+ 6 CH 4.

Det er også mulig å bruke ozon O 3 i stedet for vann:

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

Tynne filmer av aluminiumoksyd fremstilt fra ozon har en lekkasjestrøm 10 til 100 ganger lavere enn de som er fremstilt fra vanndamp.

Alumina er brukt som katalysator i flere reaksjoner av industriell betydning, for eksempel i Claus-prosessen for utvinning av elementært svovel fra gassutslipp fra petroleumsraffinering , eller i reaksjonen av dehydrering av alkoholer til alkener . Det er også en støtte for mange industrielle katalysatorer, for eksempel de som brukes i hydroavsvovling , eller i Ziegler-Natta- polymerisasjoner .

Den brukes også i de keramiske platene i noen skuddsikre vester , ofte som en matrise forsterket med aramidfibre eller polyetylen med høy molekylvekt ( UHMPE ), men det er mindre hardt enn silisiumkarbid og karbid. Bor , og aluminiumoksydplatene er ikke sertifisert for militær bruk.

Klar alumina brukes også i noen natriumdamplamper .

Handel

I 2014, ifølge fransk toll, var Frankrike en klar importør av alumina. Gjennomsnittlig importpris var 310 € / t .

Merknader og referanser

Oppføring "Aluminiumoksid" i den kjemiske databasen GESTIS fra IFA (tysk instans med ansvar for arbeidsmiljø og helse) ( tysk , engelsk ), åpnet 23. februar 2019 (JavaScript nødvendig)
beregnede molekylmasse fra " atomvekter av elementene 2007 " på www.chem.qmul.ac.uk .
(i) Raymond C. Rowe, Paul J. Sheskey og Marian E. Quinn, håndbok for farmasøytiske hjelpestoffer , London, Pharmaceutical Press og American Pharmacists Association, 2009, 6 th ed. , 888 s. ( ISBN 978-0-85369-792-3 ) , s. 377
“Aluminiumoksid” i databanken for farlige stoffer , åpnet 4. juni 2010
(no) "Aluminium oksid" , på NIST / WebBook , åpnet 4. juni 2010
(in) E. Wiberg og AF Holleman, Inorganic Chemistry , Elsevier, 2001. ( ISBN 978-0-12-352651-9 )
(in) " Diaoyudaoite Mineral Data " på http://www.webmineral.com/ (åpnet 23. februar 2019 ) .
(in) Igor Levin og David Brandon , " Metastable Polymorphs Alumina: Crystal Structures and Transition Sequences " , Journal of the American Ceramic Society , Vol. 81, n o 8, August 1998, s. 1995-2012 ( DOI 10.1111 / j.1151-2916.1998.tb02581.x , les online )
(in) Timothy Campbell, Rajiv K. Kalia, Aiichiro Nakano Priya Vashishta, Shuji Ogata og Stephen Rodgers , " Dynamics of Oxidation of Aluminium nanoclusters using Variable-Charge Molecular Dynamics Simulations are Parallel Computers " , Physical Review Letters , vol. 82, nr . 24, 14. juni 1999, s. 4866-4869 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.82.4866 , Bibcode 1999PhRvL..82.4866C , les online )
(in) KA Evans, "Egenskaper og bruksområder for aluminiumoksider og aluminiumhydroksider" AJ Downs, The Chemistry of Aluminium Indium Gallium and Blackie Academic, 1993. ( ISBN 978-0751401035 )
(i) A. Belkin, A. Bezryadin L. Hendren og A. Hubler , " Recovery of Alumina Nanocapacitors after-High Voltage Breakdown " , Scientific Reports , Vol. 7, 20. april 2017Artikkel n o 932 ( PMID 28428625 , PMCID 5430567 , DOI 10,1038 / s41598-017-01007-9 , bibcode 2017NatSR ... 7..932B , lese på nettet )
(no) GS og GC Higashi Fleming , " Sekvensiell overflatekjemisk reaksjon Begrenset vekst av høykvalitets Al 2 O 3 dielectrics ” , Applied Physics Letters , vol. 55, n o 196. november 1989, s. 1963-1965 ( DOI 10.1063 / 1.102337 , Bibcode 1989ApPhL..55.1963H , les online )
(in) JB Kim, DR Kwon, K. Chakrabarti og Chongmu Lee , " Improvement in Al 2 O 3 dielektrisk oppførsel ved å bruke ozon som en oksidant for atomlagsdeponeringsteknikken ” , Journal of Applied Physics , vol. 92, n o 112002, s. 6739-6742 ( DOI 10.1063 / 1.1515951 , Bibcode 2002JAP .... 92.6739K , les online )
(i) Jaebum Kim, Kuntal Chakrabarti, Jinho Lee, Ki-Young Oh og Chongmu Lee , " Virkninger av ozon som en oksygenkilde på egenskapene til Al 2 O 3 tynne filmer fremstilt ved atomlagdeponering ” , Materials Chemistry and Physics , vol. 78, n o 3,28. februar 2003, s. 733-738 ( DOI 10.1016 / S0254-0584 (02) 00375-9 , les online )
" Indikator for import / eksporthandel " , på Tolldirektoratet. Angi NC8 = 28182000 (åpnet 7. august 2015 )

Kilde

International Aluminium Institute (Verdiene inkluderer alumina for aluminiumsproduksjon - den største andelen - samt alumina for annen bruk.