Óxido de aluminio

El óxido de aluminio (u óxido de aluminio(III)) es un compuesto químico de aluminio y oxígeno con la fórmula química Al₂O₃. Es el más común de varios óxidos de aluminio y se identifica específicamente como óxido de aluminio. Comúnmente se denomina alúmina y también puede llamarse alóxido, aloxita o alundum en diversas formas y aplicaciones. Se presenta naturalmente en su fase polimórfica cristalina α-Al₂O₃ como el mineral corindón, cuyas variedades forman las gemas preciosas rubí y zafiro. Al₂O₃ es significativo en su uso para producir aluminio metálico, como abrasivo debido a su dureza y como material refractario debido a su alto punto de fusión.

Ocurrencia natural

El corindón es la forma cristalina natural más común de óxido de aluminio. Los rubíes y los zafiros son formas de corindón con calidad de gema, que deben sus colores característicos a trazas de impurezas. Los rubíes adquieren su característico color rojo intenso y sus cualidades láser gracias a los rastros de cromo. Los zafiros vienen en diferentes colores dados por varias otras impurezas, como el hierro y el titanio. Una forma δ extremadamente rara se presenta como el mineral deltalumita.

Propiedades

óxido de aluminio en su forma en polvo

Al₂O₃ es un aislante eléctrico pero tiene una conductividad térmica relativamente alta (30 Wm⁻¹K⁻¹) para un material cerámico. El óxido de aluminio es insoluble en agua. En su forma cristalina más común, llamada corindón u óxido de α-aluminio, su dureza lo hace adecuado para su uso como abrasivo y como componente en herramientas de corte.

El óxido de aluminio es responsable de la resistencia del aluminio metálico a la intemperie. El aluminio metálico es muy reactivo con el oxígeno atmosférico y se forma una fina capa de pasivación de óxido de aluminio (4 nm de espesor) en cualquier superficie de aluminio expuesta en cuestión de cientos de picosegundos. Esta capa protege el metal de una mayor oxidación. El grosor y las propiedades de esta capa de óxido se pueden mejorar mediante un proceso llamado anodizado. Varias aleaciones, como los bronces al aluminio, aprovechan esta propiedad al incluir una proporción de aluminio en la aleación para mejorar la resistencia a la corrosión. El óxido de aluminio generado por la anodización suele ser amorfo, pero los procesos de oxidación asistida por descarga, como la oxidación electrolítica por plasma, dan como resultado una proporción significativa de óxido de aluminio cristalino en el recubrimiento, lo que mejora su dureza.

El óxido de aluminio se eliminó de las listas de sustancias químicas de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en 1988. El óxido de aluminio se encuentra en la lista del Inventario de Emisiones Tóxicas de la EPA si es una forma fibrosa.

Naturaleza anfótera

El óxido de aluminio es una sustancia anfótera, lo que significa que puede reaccionar tanto con ácidos como con bases, como el ácido fluorhídrico y el hidróxido de sodio, actuando como un ácido con una base y una base con un ácido, neutralizándose entre sí y produciendo una sal.

Al₂O₃ + 6 HF → 2 AlF3 + 3 H₂O

Al₂O₃ + 2 NaOH + 3 H₂O → 2 NaAl(OH)₄ (aluminado de sodio)

Estructura

Corundum de Brasil, tamaño alrededor de 2×3 cm.

La forma más común de óxido de aluminio cristalino se conoce como corindón, que es la forma termodinámicamente estable. Los iones de oxígeno forman una estructura compacta casi hexagonal con los iones de aluminio llenando dos tercios de los intersticios octaédricos. Cada centro de Al³⁺ es octaédrico. En cuanto a su cristalografía, el corindón adopta una red trigonal de Bravais con un grupo espacial de R3c (número 167 en las Tablas Internacionales). La celda primitiva contiene dos unidades fórmula de óxido de aluminio.

El óxido de aluminio también existe en otras fases metaestables, incluidas las fases cúbicas γ y η, la fase θ monoclínica, la fase χ hexagonal, la fase κ ortorrómbica y la fase δ que puede ser tetragonal u ortorrómbica. Cada uno tiene una estructura cristalina y propiedades únicas. El γ-Al₂O₃ cúbico tiene importantes aplicaciones técnicas. El llamado β-Al₂O₃ resultó ser NaAl₁₁O₁₇.

El óxido de aluminio fundido cerca de la temperatura de fusión es aproximadamente 2/3 tetraédrico (es decir, 2/3 del Al están rodeados por 4 vecinos de oxígeno) y 1/3 coordinado en 5, con muy poco (<5%) octaédrico Al-O presente. Alrededor del 80% de los átomos de oxígeno se comparten entre tres o más poliedros de Al-O, y la mayoría de las conexiones entre poliedros comparten esquinas, y el 10-20% restante comparten bordes. La descomposición de los octaedros al fundirse va acompañada de un aumento de volumen relativamente grande (~33 %), la densidad del líquido cerca de su punto de fusión es de 2,93 g/cm³. La estructura de la alúmina fundida depende de la temperatura y la fracción de aluminio de 5 y 6 veces aumenta durante el enfriamiento (y sobreenfriamiento), a expensas de las unidades tetraédricas de AlO₄, acercándose a los arreglos estructurales locales que se encuentran en alúmina amorfa.

Producción

Los minerales de hidróxido de aluminio son el principal componente de la bauxita, el principal mineral de aluminio. Una mezcla de minerales comprende mena de bauxita, que incluye gibbsita (Al(OH)₃), boehmita (γ-AlO(OH)) y diáspora (α-AlO(OH)), junto con impurezas. de óxidos e hidróxidos de hierro, cuarzo y minerales arcillosos. Las bauxitas se encuentran en las lateritas. La bauxita normalmente se purifica mediante el proceso Bayer:

Al₂O₃ + H₂O + NaOH → NaAl(OH)₄

Al(OH)₃ + NaOH → NaAl(OH)₄

Excepto el SiO₂, los demás componentes de la bauxita no se disuelven en la base. Al filtrar la mezcla básica, se elimina el Fe₂O₃. Cuando se enfría el licor de Bayer, el Al(OH)₃ precipita, dejando los silicatos en solución.

NaAl(OH)₄ → NaOH + Al(OH)₃

La gibbsita de Al(OH)₃ sólida se calcina (se calienta a más de 1100 °C) para dar óxido de aluminio:

2 Al (OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O

El producto de óxido de aluminio tiende a ser multifásico, es decir, consta de varias fases de óxido de aluminio en lugar de solo corindón. Por lo tanto, el proceso de producción se puede optimizar para producir un producto a medida. El tipo de fases presentes afecta, por ejemplo, la solubilidad y la estructura de poros del producto de óxido de aluminio que, a su vez, afecta el costo de producción de aluminio y el control de la contaminación.

Aplicaciones

Conocido como alfa alúmina en las comunidades científicas de materiales o alundum (en forma fusionada) o aloxita en las comunidades mineras y cerámicas, el óxido de aluminio encuentra un amplio uso. La producción mundial anual de óxido de aluminio en 2015 fue de aproximadamente 115 millones de toneladas, más del 90 % de las cuales se utilizan en la fabricación de aluminio metálico. Los principales usos de los óxidos de aluminio especiales se encuentran en refractarios, cerámica, pulido y aplicaciones abrasivas. Grandes tonelajes de hidróxido de aluminio, del que se deriva la alúmina, se utilizan en la fabricación de zeolitas, pigmentos de revestimiento de titania y como retardante de fuego/supresor de humo.

Más del 90 % del óxido de aluminio, normalmente denominado Smelter Grade Alumina (SGA), producido se consume para la producción de aluminio, generalmente mediante el proceso Hall-Héroult. El resto, normalmente llamado alúmina especial, se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones que reflejan su inercia, resistencia a la temperatura y resistencia eléctrica.

Rellenos

Al ser químicamente inerte y blanco, el óxido de aluminio es un relleno favorito para los plásticos. El óxido de aluminio es un ingrediente común en los protectores solares y, a veces, también está presente en cosméticos como rubor, lápiz labial y esmalte de uñas.

Vidrio

Muchas formulaciones de vidrio tienen óxido de aluminio como ingrediente. El vidrio de aluminosilicato es un tipo de vidrio de uso común que a menudo contiene entre un 5 % y un 10 % de alúmina.

Catálisis

El óxido de aluminio cataliza una variedad de reacciones que son útiles industrialmente. En su aplicación a mayor escala, el óxido de aluminio es el catalizador en el proceso Claus para convertir los gases residuales de sulfuro de hidrógeno en azufre elemental en las refinerías. También es útil para la deshidratación de alcoholes a alquenos.

El óxido de aluminio sirve como soporte catalítico para muchos catalizadores industriales, como los que se usan en la hidrodesulfuración y algunas polimerizaciones de Ziegler-Natta.

Depuración de gases

El óxido de aluminio se usa ampliamente para eliminar el agua de las corrientes de gas.

Abrasivos

El óxido de aluminio se utiliza por su dureza y resistencia. Su forma natural, el corindón, es un 9 en la escala de Mohs de dureza mineral (justo debajo del diamante). Se usa ampliamente como abrasivo, incluso como un sustituto mucho menos costoso del diamante industrial. Muchos tipos de papel de lija utilizan cristales de óxido de aluminio. Además, su baja retención de calor y su bajo calor específico lo hacen ampliamente utilizado en operaciones de rectificado, particularmente en herramientas de corte. Como la aloxita mineral abrasiva en polvo, es un componente principal, junto con la sílice, de la "tiza" utilizado en billar. El polvo de óxido de aluminio se utiliza en algunos kits de pulido y reparación de rayones de CD/DVD. Sus cualidades de pulido también están detrás de su uso en pasta de dientes. También se usa en la microdermoabrasión, tanto en el proceso de máquina disponible a través de dermatólogos y esteticistas, como como un abrasivo dérmico manual que se usa de acuerdo con las instrucciones del fabricante.

Pintar

Los copos de óxido de aluminio se utilizan en pinturas para efectos decorativos reflectantes, como en las industrias automotriz o cosmética.

Fibra compuesta

El óxido de aluminio se ha utilizado en algunos materiales de fibra experimentales y comerciales para aplicaciones de alto rendimiento (por ejemplo, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). Las nanofibras de alúmina en particular se han convertido en un campo de investigación de interés.

Armadura

Algunos chalecos antibalas utilizan placas de cerámica de alúmina, generalmente en combinación con respaldo de aramida o UHMWPE para lograr la eficacia contra la mayoría de las amenazas de rifle. La armadura de cerámica de alúmina está disponible para la mayoría de los civiles en las jurisdicciones donde es legal, pero no se considera de grado militar. También se utiliza para producir vidrio de alúmina a prueba de balas capaz de resistir el impacto de rondas de calibre.50 BMG.

Protección contra la abrasión

El óxido de aluminio se puede cultivar como un recubrimiento sobre aluminio mediante anodización o mediante oxidación electrolítica de plasma (consulte las "Propiedades" arriba). Tanto la dureza como las características de resistencia a la abrasión del recubrimiento se originan en la alta resistencia del óxido de aluminio, sin embargo, la capa de recubrimiento poroso producida con procedimientos convencionales de anodizado de corriente continua se encuentra dentro de un rango de dureza Rockwell C de 60 a 70, que solo es comparable con el acero al carbono endurecido. aleaciones, pero considerablemente inferior a la dureza del corindón natural y sintético. En cambio, con la oxidación electrolítica por plasma, el recubrimiento es poroso solo en la capa de óxido de la superficie, mientras que las capas de óxido inferiores son mucho más compactas que con los procedimientos de anodizado de CC estándar y presentan una mayor cristalinidad debido a que las capas de óxido se vuelven a fundir y densificar para obtener α- Grupos de Al2O3 con valores de dureza de recubrimiento mucho más altos alrededor de 2000 de dureza Vickers.

Producción de óxido de aluminio en 2005

La alúmina se utiliza para fabricar losetas que se fijan dentro de líneas de combustible pulverizado y conductos de gases de combustión en centrales eléctricas de carbón para proteger áreas de alto desgaste. No son adecuados para áreas con altas fuerzas de impacto ya que estas losetas son quebradizas y susceptibles de romperse.

Aislamiento eléctrico

El óxido de aluminio es un aislante eléctrico que se utiliza como sustrato (silicio sobre zafiro) para circuitos integrados, pero también como barrera de túnel para la fabricación de dispositivos superconductores, como transistores de un solo electrón, dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID) y qubits superconductores..

Para su aplicación como aislante eléctrico en circuitos integrados, donde el crecimiento conforme de una película delgada es un requisito previo y el modo de crecimiento preferido es la deposición de capas atómicas, Al₂O_{3 se pueden preparar mediante el intercambio químico entre trimetilaluminio (Al(CH3)3) y H2O:}

2 Al (CH)₃)₃ + 3 H₂O → Al₂O₃ + 6 CH₄

H₂O en la reacción anterior se puede reemplazar por ozono (O₃) como oxidante activo y luego tiene lugar la siguiente reacción:

2 Al (CH)₃)₃ + O₃ → Al₂O₃ + 3 C₂H₆

Las películas de Al₂O₃ preparadas con O₃ muestran una densidad de corriente de fuga entre 10 y 100 veces menor que las preparadas con H₂O.

El óxido de aluminio, al ser un dieléctrico con una banda prohibida relativamente grande, se utiliza como barrera aislante en los condensadores.

Otro

En iluminación, se utiliza óxido de aluminio translúcido en algunas lámparas de vapor de sodio. El óxido de aluminio también se usa en la preparación de suspensiones de revestimiento en lámparas fluorescentes compactas.

En los laboratorios de química, el óxido de aluminio es un medio para la cromatografía, disponible en formulaciones básicas (pH 9,5), ácidas (pH 4,5 cuando está en agua) y neutras.

Las aplicaciones médicas y de salud lo incluyen como material en reemplazos de cadera y píldoras anticonceptivas.

Se utiliza como centelleador y dosímetro para aplicaciones de terapia y protección radiológica por sus propiedades de luminiscencia estimulada ópticamente.

El aislamiento para hornos de alta temperatura a menudo se fabrica con óxido de aluminio. A veces, el aislamiento tiene porcentajes variables de sílice según la clasificación de temperatura del material. El aislamiento se puede hacer en forma de manta, tablero, ladrillo y fibra suelta para diversos requisitos de aplicación.

Pequeñas piezas de óxido de aluminio se utilizan a menudo como chips de ebullición en química.

También se utiliza para fabricar aisladores de bujías.

Usando un proceso de pulverización de plasma y mezclado con titania, se recubre sobre la superficie de frenado de algunas llantas de bicicleta para brindar resistencia a la abrasión y al desgaste.

La mayoría de los ojos de cerámica de las cañas de pescar son anillos circulares hechos de óxido de aluminio.

En su forma de polvo (blanco) más fina, llamada diamantina, el óxido de aluminio se usa como un abrasivo de pulido superior en la relojería.

El óxido de aluminio también se utiliza en el revestimiento de puntales en la industria del motocross y las bicicletas de montaña. Este revestimiento se combina con disulfato de molibdeno para proporcionar una lubricación a largo plazo de la superficie.