Aluminium Oxid - Aluminium oxide

Aluminiumoxid
(Aluminiumoxid)
Korund-3D-Kugeln.png
Aluminiumoxid2.jpg
Identifikatoren
3D-Modell ( JSmol )
ChEMBL
ChemSpider
Arzneimittelbank
ECHA-InfoCard 100.014.265 Bearbeite dies bei Wikidata
EG-Nummer
RTECS-Nummer
UNII
  • InChI=1S/2Al.3O/q2*+3;3*-2 prüfenJa
    Schlüssel: PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N prüfenJa
  • InChI=1/2Al.3O/q2*+3;3*-2
    Schlüssel: PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYAC
  • [Al+3].[Al+3].[O-2].[O-2].[O-2]
  • [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3]
Eigenschaften
Al 2 O 3
Molmasse 101,960  g·mol -1
Aussehen weißer Feststoff
Geruch geruchlos
Dichte 3.987g / cm 3
Schmelzpunkt 2.072 °C (3.762 °F; 2.345 K)
Siedepunkt 2.977 °C (5.391 °F; 3.250 K)
unlöslich
Löslichkeit unlöslich in allen Lösungsmitteln
log P 0,31860
−37,0×10 −6 cm 3 /mol
Wärmeleitfähigkeit 30 W·m −1 ·K −1
n ω = 1,768-1,772
N ε = 1,760-1,763
Birefringence 0,008
Struktur
Trigonal , hR30
R 3 c (Nr. 167)
a  = 478,5 pm, c  = 1299,1 pm
oktaedrisch
Thermochemie
50,92 J·mol –1 ·K –1
Std
Bildungsenthalpie
f H 298 )
−1675,7 kJ/mol
Pharmakologie
D10AX04 ( WER )
Gefahren
Sicherheitsdatenblatt Siehe: Datenseite
GHS-Piktogramme GHS07: Gesundheitsschädlich
NFPA 704 (Feuerdiamant)
0
0
0
Flammpunkt Nicht brennbar
NIOSH (US-Grenzwerte für die Gesundheitsbelastung):
PEL (zulässig)
OSHA 15 mg/m 3 (Gesamtstaub)
OSHA 5 mg/m 3 (atembare Fraktion)
ACGIH/TLV 10 mg/m 3
REL (empfohlen)
keiner
IDLH (unmittelbare Gefahr)
ND
Verwandte Verbindungen
Andere Anionen
Aluminiumhydroxid
Aluminiumsulfid
Aluminiumselenid
Andere Kationen
Bortrioxid
Galliumoxid
Indiumoxid
Thalliumoxid
Ergänzende Datenseite
Brechungsindex ( n ),
Dielektrizitätskonstanter ) usw.
Thermodynamische
Daten
Phasenverhalten
fest-flüssig-gas
UV , IR , NMR , MS
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Infobox-Referenzen

Aluminiumoxid ist eine chemische Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff mit der chemischen Formel Al 2 O 3 . Es ist das am häufigsten vorkommende von mehreren Aluminiumoxiden und wird speziell als Aluminium(III)-oxid bezeichnet . Es wird allgemein als Aluminiumoxid bezeichnet und kann je nach bestimmten Formen oder Anwendungen auch als Aloxid , Aloxit oder Alundum bezeichnet werden. Es kommt natürlicherweise in seiner kristallinen polymorphen Phase α-Al 2 O 3 als Mineral Korund vor , dessen Abarten die Edelsteine Rubin und Saphir bilden . Al 2 O 3 ist in seiner Verwendung zur Herstellung von Aluminiummetall, als Schleifmittel aufgrund seiner Härte und als feuerfester Werkstoff aufgrund seines hohen Schmelzpunktes von Bedeutung.

Natürliches Vorkommen

Korund ist die häufigste natürlich vorkommende kristalline Form von Aluminiumoxid. Rubine und Saphire sind Edelkorundformen, die ihre charakteristischen Farben Spuren von Verunreinigungen verdanken. Rubine erhalten ihre charakteristische tiefrote Farbe und ihre Lasereigenschaften durch Spuren von Chrom . Saphire kommen in verschiedenen Farben vor, die durch verschiedene andere Verunreinigungen wie Eisen und Titan gegeben sind. Eine äußerst seltene, δ-Form, kommt als Mineral Deltalumit vor.

Eigenschaften

Aluminiumoxid in Pulverform.
Aluminiumoxid in Pulverform.

Al 2 O 3 ist ein elektrischer Isolator , hat aber eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit ( 30 Wm –1 K –1 ) für ein keramisches Material. Aluminiumoxid ist in Wasser unlöslich. In seiner am häufigsten vorkommenden kristallinen Form, Korund oder α-Aluminiumoxid genannt, eignet es sich aufgrund seiner Härte für den Einsatz als Schleifmittel und als Bestandteil in Schneidwerkzeugen .

Aluminiumoxid ist für die Witterungsbeständigkeit von metallischem Aluminium verantwortlich . Metallisches Aluminium ist sehr reaktiv mit Luftsauerstoff, und auf jeder freiliegenden Aluminiumoberfläche bildet sich innerhalb von Hunderten von Pikosekunden eine dünne Passivierungsschicht aus Aluminiumoxid (4 nm Dicke). Diese Schicht schützt das Metall vor weiterer Oxidation. Die Dicke und die Eigenschaften dieser Oxidschicht können durch einen Prozess namens Anodisieren verbessert werden . Eine Reihe von Legierungen , wie beispielsweise Aluminiumbronzen , nutzen diese Eigenschaft, indem sie einen Anteil von Aluminium in die Legierung einschließen, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Das durch Anodisieren erzeugte Aluminiumoxid ist typischerweise amorph , aber entladungsunterstützte Oxidationsprozesse wie die elektrolytische Plasmaoxidation führen zu einem signifikanten Anteil an kristallinem Aluminiumoxid in der Beschichtung, was ihre Härte erhöht .

Aluminiumoxid wurde 1988 von den Chemikalienlisten der US-Umweltschutzbehörde gestrichen. Aluminiumoxid steht auf der Liste der Toxics Release Inventory der EPA, wenn es eine faserige Form hat.

Amphotere Natur

Aluminiumoxid ist eine amphotere Substanz, d. h. es kann sowohl mit Säuren als auch mit Basen wie Flusssäure und Natriumhydroxid reagieren , als Säure mit einer Base und als Base mit einer Säure wirken, die andere neutralisieren und ein Salz bilden.

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 ( Natriumaluminat )

Struktur

Korund aus Brasilien , Größe ca. 2×3 cm.

Die häufigste Form von kristallinem Aluminiumoxid ist als Korund bekannt , die thermodynamisch stabile Form. Die Sauerstoffionen bilden eine nahezu hexagonal dicht gepackte Struktur, wobei die Aluminiumionen zwei Drittel der oktaedrischen Zwischenräume ausfüllen. Jedes Al 3+ -Zentrum ist oktaedrisch . In Bezug auf seine Kristallographie , Korund nimmt eine trigonal Bravaisgitter mit einer Raumgruppe von R 3 c (Nummer 167 in der International Tables). Die primitive Zelle enthält zwei Formeleinheiten von Aluminiumoxid.

Aluminiumoxid existiert auch in anderen metastabilen Phasen, einschließlich der kubischen γ- und η-Phasen, der monoklinen θ-Phase, der hexagonalen χ-Phase, der orthorhombischen κ-Phase und der δ-Phase, die tetragonal oder orthorhombisch sein kann. Jedes hat eine einzigartige Kristallstruktur und Eigenschaften. Kubisches γ-Al 2 O 3 hat wichtige technische Anwendungen. Als sogenanntes β-Al 2 O 3 erwies sich NaAl 11 O 17 .

Geschmolzenes Aluminiumoxid nahe der Schmelztemperatur ist ungefähr 2/3 tetraedrisch (dh 2/3 des Al sind von 4 Sauerstoffnachbarn umgeben) und 1/3 5-koordiniert, wobei sehr wenig (<5%) oktaedrisches Al-O vorhanden ist . Ungefähr 80 % der Sauerstoffatome werden von drei oder mehr Al-O-Polyedern geteilt, und die meisten interpolyedrischen Verbindungen sind eckenverknüpft, während die restlichen 10–20 % kantenverknüpft sind. Der Abbau von Oktaedern beim Schmelzen geht mit einer relativ starken Volumenzunahme einher (~33%), die Dichte der Flüssigkeit nahe ihrem Schmelzpunkt beträgt 2,93 g/cm 3 . Die Struktur von geschmolzenem Aluminiumoxid ist temperaturabhängig und der Anteil an 5- und 6-fachem Aluminium steigt während des Abkühlens (und Unterkühlens) auf Kosten tetraedrischer AlO 4 -Einheiten an und nähert sich den lokalen strukturellen Anordnungen, die in amorphem Aluminiumoxid gefunden werden.

Produktion

Aluminium - Hydroxid - Mineralien sind der Hauptbestandteil von Bauxit , das Haupt Erz von Aluminium . Eine Mischung der Mineralien umfasst Bauxiterz, einschließlich Gibbsit (Al(OH) 3 ), Böhmit (γ-AlO(OH)) und Diaspor (α-AlO(OH)), zusammen mit Verunreinigungen von Eisenoxiden und -hydroxiden, Quarz und Tonmineralien . Bauxite werden in Lateriten gefunden . Bauxit wird nach dem Bayer-Verfahren gereinigt :

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

Mit Ausnahme von SiO 2 lösen sich die anderen Bestandteile von Bauxit nicht in der Base. Beim Filtrieren der Grundmischung wird Fe 2 O 3 entfernt. Beim Abkühlen der Bayerlauge fällt Al(OH) 3 aus , wobei die Silikate in Lösung bleiben.

NaAl(OH) 4 → NaOH + Al(OH) 3

Der feste Al(OH) 3 Gibbsit wird anschließend kalziniert (auf über 1100 °C erhitzt) zu Aluminiumoxid:

2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

Das Produkt Aluminiumoxid ist tendenziell mehrphasig, dh besteht nicht nur aus Korund, sondern aus mehreren Phasen von Aluminiumoxid . Der Produktionsprozess kann somit optimiert werden, um ein maßgeschneidertes Produkt herzustellen. Die Art der vorhandenen Phasen beeinflusst beispielsweise die Löslichkeit und Porenstruktur des Aluminiumoxidprodukts, was wiederum die Kosten der Aluminiumherstellung und der Schadstoffkontrolle beeinflusst.

Anwendungen

Bekannt als Alpha-Aluminiumoxid in den Materialwissenschaften oder Alundum (in geschmolzener Form) oder Aloxit in den Bergbau- und Keramikgemeinschaften findet Aluminiumoxid breite Anwendung. Die jährliche Weltproduktion von Aluminiumoxid betrug im Jahr 2015 etwa 115 Millionen Tonnen , von denen über 90% für die Herstellung von Aluminiummetall verwendet werden. Die Hauptanwendungen von Spezialaluminiumoxiden liegen in Feuerfest-, Keramik-, Polier- und Schleifanwendungen. Große Mengen an Aluminiumhydroxid, aus dem Aluminiumoxid gewonnen wird, werden bei der Herstellung von Zeolithen , der Beschichtung von Titandioxidpigmenten und als Flammschutzmittel/Rauchunterdrücker verwendet.

Über 90 % des produzierten Aluminiumoxids, normalerweise als Smelter Grade Alumina (SGA) bezeichnet, wird für die Aluminiumherstellung verbraucht, normalerweise nach dem Hall-Héroult-Verfahren . Der Rest, normalerweise als Spezialaluminiumoxid bezeichnet, wird in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, die seine Trägheit, Temperaturbeständigkeit und elektrischen Widerstand widerspiegeln.

Füllstoffe

Da es chemisch relativ inert und weiß ist, ist Aluminiumoxid ein bevorzugter Füllstoff für Kunststoffe. Aluminiumoxid ist ein häufiger Bestandteil von Sonnenschutzmitteln und kommt manchmal auch in Kosmetika wie Rouge, Lippenstift und Nagellack vor.

Glas

Viele Glasformulierungen enthalten Aluminiumoxid als Bestandteil. Aluminosilikatglas ist eine häufig verwendete Glasart, die oft 5 bis 10 % Aluminiumoxid enthält.

Katalyse

Aluminiumoxid katalysiert eine Vielzahl von Reaktionen, die industriell nützlich sind. In seiner größten Anwendung ist Aluminiumoxid der Katalysator im Claus-Verfahren zur Umwandlung von Schwefelwasserstoff-Abgasen in elementaren Schwefel in Raffinerien. Es ist auch nützlich für die Dehydratisierung von Alkoholen zu Alkenen.

Aluminiumoxid dient als Katalysatorträger für viele industrielle Katalysatoren, wie sie beispielsweise bei der Hydrodesulfurierung und einigen Ziegler-Natta- Polymerisationen verwendet werden.

Gasreinigung

Aluminiumoxid wird häufig verwendet, um Wasser aus Gasströmen zu entfernen.

Schleifmittel

Aluminiumoxid wird wegen seiner Härte und Festigkeit verwendet. Seine natürlich vorkommende Form, Korund , ist eine 9 auf der Mohs-Skala der Mineralhärte (knapp unter Diamant). Es wird häufig als Schleifmittel verwendet , auch als viel billigerer Ersatz für Industriediamanten . Viele Arten von Schleifpapier verwenden Aluminiumoxidkristalle. Darüber hinaus wird es aufgrund seiner geringen Wärmespeicherung und geringen spezifischen Wärme häufig bei Schleifoperationen, insbesondere bei Trennwerkzeugen, verwendet. Als pulverförmiges abrasives Mineral Aloxit ist es neben Kieselsäure ein Hauptbestandteil der Queue-Spitze "Kreide", die beim Billard verwendet wird . Aluminiumoxidpulver wird in einigen CD / DVD- Polier- und Kratzerreparatursets verwendet. Seine Poliereigenschaften stehen auch hinter seiner Verwendung in Zahnpasta. Es wird auch bei der Mikrodermabrasion verwendet , sowohl im maschinellen Verfahren, das bei Dermatologen und Kosmetikern erhältlich ist, als auch als manuelles Hautschleifmittel, das gemäß den Herstelleranweisungen verwendet wird.

Farbe

Aluminiumoxid-Flakes werden in Lacken für reflektierende dekorative Effekte verwendet, beispielsweise in der Automobil- oder Kosmetikindustrie.

Verbundfaser

Aluminiumoxid wurde in einigen experimentellen und kommerziellen Fasermaterialien für Hochleistungsanwendungen verwendet (zB Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). Insbesondere Aluminiumoxid- Nanofasern sind zu einem Forschungsgebiet von Interesse geworden.

Körperschutz

Einige Körperpanzerungen verwenden Aluminiumoxid-Keramikplatten, normalerweise in Kombination mit Aramid- oder UHMWPE-Rücken, um eine Wirksamkeit gegen die meisten Bedrohungen durch Gewehre zu erzielen. Aluminiumoxid-Keramikrüstungen sind für die meisten Zivilisten in Gerichtsbarkeiten, in denen sie legal sind, leicht erhältlich, gelten jedoch nicht als militärische Qualität.

Abriebschutz

Aluminiumoxid kann als Beschichtung auf Aluminium durch Anodisieren oder durch elektrolytische Plasmaoxidation (siehe oben "Eigenschaften") aufgewachsen werden . Sowohl die Härte als auch die Abriebfestigkeit der Beschichtung rühren von der hohen Festigkeit von Aluminiumoxid her, dennoch liegt die mit herkömmlichen Gleichstrom-Anodisierungsverfahren erzeugte poröse Beschichtung in einem Rockwell-Härte-C-Bereich von 60-70, der nur mit gehärtetem Kohlenstoffstahl vergleichbar ist Legierungen, aber der Härte von natürlichem und synthetischem Korund deutlich unterlegen. Stattdessen ist die Beschichtung bei der elektrolytischen Plasmaoxidation nur auf der Oberflächenoxidschicht porös, während die unteren Oxidschichten viel kompakter sind als bei Standard-DC-Anodisierungsverfahren und eine höhere Kristallinität aufweisen, da die Oxidschichten umgeschmolzen und verdichtet werden, um α- Al2O3-Cluster mit viel höheren Schichthärtewerten ca. 2000 Vickers-Härte.

Aluminiumoxid-Produktion im Jahr 2005

Aluminiumoxid wird zur Herstellung von Kacheln verwendet, die in Kohlenkraftwerken zum Schutz von stark beanspruchten Bereichen in Brennstaubleitungen und Rauchgaskanälen angebracht werden. Sie sind nicht für Bereiche mit hohen Stoßkräften geeignet, da diese Fliesen spröde und bruchanfällig sind.

Elektrische Isolierung

Aluminiumoxid ist ein elektrischer Isolator, der als Substrat ( Silizium auf Saphir ) für integrierte Schaltkreise, aber auch als Tunnelbarriere für die Herstellung von supraleitenden Bauelementen wie Einzelelektronentransistoren und supraleitenden Quanteninterferenzbauelementen ( SQUIDs ) verwendet wird.

Für seine Anwendung als elektrischer Isolator in integrierten Schaltkreisen, wo das konforme Wachstum eines dünnen Films eine Voraussetzung ist und der bevorzugte Wachstumsmodus die Atomlagenabscheidung ist , können Al 2 O 3 -Filme durch den chemischen Austausch zwischen Trimethylaluminium (Al(CH 3 ) 3 ) und H 2 O:

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

H 2 O in obiger Reaktion kann durch Ozon (O 3 ) als aktives Oxidationsmittel ersetzt werden und folgende Reaktion läuft dann ab:

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

Die Al 2 O 3 hergestellten Filme O unter Verwendung von 3 - Show 10-100 mal im Vergleich Leckstromdichte niedriger mit denen , die durch H 2 O.

Als Dielektrikum mit relativ großer Bandlücke wird Aluminiumoxid als isolierende Barriere in Kondensatoren verwendet .

Sonstiges

In der Beleuchtung wird in einigen Natriumdampflampen transparentes Aluminiumoxid verwendet . Aluminiumoxid wird auch zur Herstellung von Beschichtungssuspensionen in Kompaktleuchtstofflampen verwendet .

In chemischen Labors ist Aluminiumoxid ein Medium für die Chromatographie , erhältlich in basischen (pH 9,5), sauer (pH 4,5 in Wasser) und neutralen Formulierungen.

Gesundheits- und medizinische Anwendungen umfassen es als Material in Hüftprothesen und Antibabypillen .

Aufgrund seiner optisch stimulierten Lumineszenzeigenschaften wird es als Szintillator und Dosimeter für Strahlenschutz- und Therapieanwendungen eingesetzt .

Isolierungen für Hochtemperaturöfen werden häufig aus Aluminiumoxid hergestellt. Manchmal weist die Isolierung je nach Temperaturbereich des Materials unterschiedliche Prozentsätze an Kieselsäure auf. Die Isolierung kann in Form von Decken, Platten, Ziegeln und losen Fasern für verschiedene Anwendungsanforderungen hergestellt werden.

Kleine Stücke von Aluminiumoxid werden in der Chemie oft als Kochspäne verwendet.

Es wird auch zur Herstellung verwendet Zündkerzenisolator .

Unter Verwendung eines Plasmaspritzverfahrens und gemischt mit Titanoxid wird es auf die Bremsfläche einiger Fahrradfelgen aufgetragen , um Abrieb- und Verschleißfestigkeit zu gewährleisten.

Die meisten Keramikaugen an Angelruten sind kreisförmige Ringe aus Aluminiumoxid.

In seiner feinsten pulverisierten (weißen) Form, Diamantine genannt , wird Aluminiumoxid als überlegenes Poliermittel in der Uhrmacherei verwendet.

Aluminiumoxid wird auch bei der Beschichtung von Standrohren in der Motocross- und Mountainbike-Industrie verwendet. Diese Beschichtung wird mit Molybdändisulfat kombiniert, um eine langfristige Schmierung der Oberfläche zu gewährleisten.

Siehe auch

Verweise

Externe Links