Alumiiniumoksiidi keemiline valem

Al₂O₃ on alumiiniumoksiidi keemiline valem; tegemist on looduses kõige levinuma loodusliku alumiiniumoksiidiga. Sellest mineraalist moodustuvad korundikristallid, mis on rubiinide ja safiiride aluseks; nende kristallstruktuuris leiduvad kroomi või raua jälgid lisavad neile ainulaadse värvuse.

Veevaba alumiiniumoksiidhüdraati (AAH) saab toota, leotades boksiidimaaki kaustilise soodaga Bayeri protsessi abil, ning seejärel töötlemise teel kaltsineerida veevabaks AAH-ks või paagutada kõrgtehnoloogilisteks keraamilisteks toodeteks.

Keemiline valem

Al₂O₃ on amfoteerne oksiid, mis koosneb ühest alumiiniumi- ja kahest hapnikuaatomist. See on valge, lõhnatu ja tahkestub õhu käes, toimides keemilistes reaktsioonides nii happena kui ka alusena. Alumiiniumoksiidi saadakse troopilistes ja subtroopilistes piirkondades leiduvatest boksiidimaardlatest, samuti korundist, mida kasutatakse süüteküünalde isolaatorite ja muude elektriliste komponentide tootmiseks; kuid selle peamine kasutusala on alumiiniumi elektrolüütiline tootmine.

Boksiit, mis sisaldab umbes ühte kolmandikku maailma alumiiniumivarudest, kaevandatakse puurimise ja lõhkamisega maa-alustes või avakaevandustes, seejärel segatakse see kaustilise soodaga, et maagist alumiinium välja leotada. Filtreerimise ja sadestamise meetoditega eraldatakse seejärel alumiiniumoksiid, mida täiendav kaltsineerimine veelgi puhastab. Seda lõpptoodet, naatriumaluminaati, kasutatakse seejärel tööstuslikes rakendustes ja tulekindlate toodete valmistamiseks.

Tehnilises keraamikas kasutatakse tootmisel tsirkooniumdioksiidi madalat elektrijuhtivust, vastupidavust hapete ja aluste mõjule ning suurt tugevust ja jäikust. Selle keraamika rakenduste hulka kuuluvad kõrgtemperatuursed elektri- ja pingisolatsioonid, gaaslasertorude tihendusrõngad ning laboriseadmed.

Alumiiniumoksiidi kasutatakse elektrolüüsis metallilise alumiiniumi tootmiseks ning see moodustab 90% kogu toodetud alumiiniumoksiidist. Alumiiniumoksiidi ja tsirkooniumoksiidi sulameid kasutatakse ka keraamika, terase ja malmi lihvimisvahenditena; nende äärmiselt tugeva struktuuri poroossus on väga madal, mis teeb neist soovitud abrasiivmaterjalid.

Seemendatud sol-geel-meetodil valmistatud mikrokristalliline alumiiniumoksiid saadakse alumiiniumoksiidi lähteaine, näiteks boehmiidi (Al₂O₃) submikroniliste osakeste dispersiooniga veepõhises geelis, millele on lisatud peptiseerimisaineid ja vajaduse korral väikeseid koguseid klaasistumist takistavat ketrusabiainet. Kui segu on toatemperatuuril või paagutatud rakenduste puhul kõrgemal temperatuuril tahkunud, eemaldatakse seemned enne ahjus kuumutamist konversioonitemperatuurini või kõrgemale (paagutatud toodete puhul), mille järel seemned eemaldatakse dispersiooniainete abil või kuumutatakse ahjus kuni konversiooni või paagutamise toimumiseni, mille järel seemned tuleb enne selle etapi lõppu eemaldada dispersiooniainete abil.

Füüsikalised omadused

Alumiiniumoksiid (Al₂O₃) on üks kahest Maakoores kõige rohkem esinevast elemendist ning moodustab tahke aine, millel puudub iseloomulik maitse või lõhn. Seda leidub looduslikult troopilistes muldades, mida nimetatakse lateriitideks, samuti ka Bayer-protsessi abil kaevandatud maagist, ning see toimib elektrilise isolaatorina, millel on kõrge soojusjuhtivus; see reageerib hapete ja alustega, kuid seda peetakse mittetoksiliseks.

Alumiiniumoksiidi keemiline inertsus teeb sellest ideaalse materjali tööstusliku keraamika tootmiseks. Korundikristallid moodustavad paljude vääriskivide, nagu rubiinide ja safiiride, aluse, kusjuures värvi annavad nende põhikoostises sisalduvad erinevad kogused kroomi- ja raua lisandeid. Tänu oma kõvadusele ja tugevusele kasutatakse alumiiniumoksiidi sageli ka abrasiivina liivapaberitel, samas kui selle termiline stabiilsus võimaldab tal taluda kõrgeid temperatuure, mistõttu sobib see hästi kõrgtemperatuursete seadmete, nagu ahjud ja põletusahjud, vooderdamiseks.

Klaaskiudtugevdatud plastikut (GFRP) kasutatakse laialdaselt ka tulekindlate materjalide, poleerimis- ja abrasiivtoodete valmistamiseks ning titaani pigmendite katmiseks. GFRP-l on suurepärane mehaaniline tugevus ja kulumiskindlus ning seda on võimalik valada õhukesteks või suurteks detailideks, ilma et see aja jooksul deformeeruks; lisaks muudab selle kuumuse- ja korrosioonikindlus selle sobivaks ka mitmeteks muudeks kasutusviisideks.

Alumiiniumoksiid reageerib vees õhuga, moodustades Al²⁺- ja OH⁻-ioone, mis ühinevad ja moodustavad metalli pinnale oksiidkihi, mis kaitseb seda edasise oksüdeerumise eest ning samuti keskkonna korrosioonitekitajate eest. See protsess kaitseb materjale edasise anoodilise oksüdeerumise eest, kaitstes neid samal ajal ka ümbritseva keskkonna korrosiooniohtude eest.

Tänu oma keemilisele inertsusele on alumiiniumoksiid vastupidav paljude kemikaalide ja reaktiivide põhjustatud korrosioonile, mistõttu sobib see hästi rakendustesse, kus on vaja suurt puhtust ja stabiilsust, näiteks farmaatsiatööstuses. Lisaks muudab alumiiniumoksiidi termiline stabiilsus selle suurepäraseks materjalivalikuks kromatograafia rakendustes.

Alumiiniumoksiidi saab kombineerida hapete ja alustega, et toota mitmesuguseid kõrge puhtusastmega materjale, mida saab kasutada toorainena erinevates rakendustes. Näiteks saab seda kaltsineerida, et saada kõrge puhtusastmega alumiiniumoksiidi, mida kasutatakse tulekindlate materjalide ja keraamika tootmisel või katalüsaatori kandjana; selle protsessi abil on võimalik toota ka aktiveeritud alumiiniumoksiide, millel on suurem pindala ja sobivam pooristruktuur.

Keemilised reaktsioonid

Alumiinium on üks kahest kõige rohkem levinud metallist Maal, mida leidub peamiselt troopilistes muldades, mida nimetatakse lateriitideks või boksiidiks. Alumiiniumi saab toota Bayeri meetodil, lahustades alumiiniumoksiidi kaustilise sooda lahuses; seejärel eraldatakse naatriumhüdroksiid lahustumatu alumiiniumhüdroksiidist, enne kui kogu järelejäänud vesilahus ära loputatakse.

Alumiiniumoksiid on tuntud oma erakordsete omaduste poolest, nagu madal elektrijuhtivus ja vastupidavus keemilistele mõjudele, suur tugevus ja äärmine kõvadus (9 Mohsi skaalal). Alumiiniumoksiid leiab rakendust paljudes tööstusharudes tulekindlate toodete tootmise toorainena, samuti katalüsaatorina mõningates keemilistes reaktsioonides ning mängib olulist rolli veepuhastuses, aidates eemaldada orgaanilisi aineid joogiveest ja reoveest.

Alumiiniumoksiidil on ortorombiline tihedalt pakitud kristallvõre, mis koosneb hapniku- ja alumiiniumioonidest, mis täidavad kaks kolmandikku vastavatest vahedest, mis tagab sellele suurepärase keemilise ja happekindluse ning suure soojusjuhtivuse kõrgetel temperatuuridel.

Tänu oma suurele pindalale ja mehaanilisele tugevusele on alumiiniumoksiid tõhus adsorbent. Seda kasutatakse peamiselt veepuhastuses, et eemaldada joogiveest ohtlikke orgaanilisi aineid ning värvi ja lõhna põhjustavaid ühendeid, samuti kasutatakse seda laialdaselt klaasi- ja keraamikatööstuses tulekindlate toodete valmistamise koostisosana.

Alumiiniumi ei peeta üldiselt eriti reaktiivseks metalliks; siiski reageerib see kloori, fluori ja broomiga, moodustades alumiinium(III)halogeniide. Lisaks suudab metalliline alumiinium reageerida teiste halogeenidega, nagu kloori, fluori ja broomiga, moodustades alumiinium(III)halogeniide; peale selle toimuvad alumiiniumil aluminotermilised reaktsioonid teiste metallide või mittemetallidega, eelkõige magneesiumi ja tinnaga; on teada ka, et see reageerib tugevate hapetega, nagu väävel- ja soolhape; kuid tänu kaitsvale oksiidkile kattekihile ei reageeri see üldiselt teiste hapetega eriti jõuliselt; nende protsesside tõttu reageerib see teiste hapetega pigem vähem jõuliselt kui teiste reaktsioonide puhul.

Rakendused

Alumiiniumoksiidi kasutatakse paljudes muudes valdkondades peale alumiiniumi tootmise, sealhulgas abrasiivina ja keraamika koostisosana, millel on erakordne kõvadus ja kulumiskindlus. Lisaks toimib see katalüsaatorina mitmesugustes keemilistes reaktsioonides ning omab elektriseadmetes ja ehitusmaterjalides kasulikke isolatsiooniomadusi – bioloogiline sobivus teeb alumiiniumoksiidist ideaalse materjalivaliku meditsiiniliste implantaatide tootmisel.

Korund on äärmiselt levinud materjal, mida kasutatakse nii suure tugevusega, kuid kergekaaluliste lõikeriistade kui ka abrasiivpaberi tootmiseks; selle iseloomulikuks omaduseks on Mohsi kõvadusastmel 9 – see on kõvaduselt teisel kohal pärast teemanti ja rubiini.

Alumiiniumoksiidi kõrge sulamistemperatuur teeb sellest suurepärase materjali erinevat tüüpi ahjude, põletusseadmete ja reaktorite vooderdamiseks. Alumiiniumoksiidist plaate võib leida isegi söeküttel töötavate elektrijaamade kütusetorustikes, kus need kaitsevad torusid löögijõudude eest.

Tänu oma keemilisele stabiilsusele on alumiiniumoksiidkeraamikat laialdaselt kasutatud happe- ja korrosioonikindlate pumbajooksuvõllide ja torude vooderdiste valmistamiseks; see keraamika talub temperatuure kuni 900degF ning on samal ajal suurepärane abrasiivmaterjal, mida kasutatakse tööstuslikes abrasiivides, nagu lihvketad ja lihvliiv.

Silikoonkummi on oluline materjal, mida kasutatakse suure vastupidavusega rehvide ja kummitoodete, näiteks liimide ja hermeetikute tootmisel, et parandada rehvide vastupidavust, suurendada betooni tugevust ja vastupidavust, spordivarustuse kulumiskindlust ning teras- ja alumiiniumkonstruktsioonide korrosioonikaitset.

Lõpuks võib alumiiniumoksiidi kasutada tulekindlate telliste tootmiseks. Lisaks on see oluline materjal hoonete ja muude rajatiste soojusisolatsiooni valmistamisel.

Alumiiniumoksiidipulber võib olla kas valkjas-kollakas teraline materjal või siidvalge, tihe pulber. Tsirkooniumoksiidi või ränikarbiidi lisamisel on võimalik saada läbipaistvat alumiiniumoksiidi. Alumiiniumoksiidi kasutatakse sageli metallitööstuses AlZnO-katete tootmiseks, mida kasutatakse kõrgtemperatuurilise klaasi tootmisel, samuti muudes klaasi- ja keraamikatehnoloogia rakendustes; lisaks on see suurepärane leegiaeglusti, mis aeglustab tule levikut materjalide kaudu.