El óxido de aluminio (u óxido de aluminio (III) ) es un compuesto químico de aluminio y oxígeno con la fórmula química Al 2 O 3 . Es el más común de varios óxidos de aluminio , y se identifica específicamente como óxido de aluminio . Se le llama comúnmente alúmina y también puede llamarse alóxido , aloxita o alundum en varias formas y aplicaciones. Se presenta de forma natural en su fase polimórfica cristalina α-Al 2 O 3 como el mineral corindón , cuyas variedades forman las piedras preciosas rubí y zafiro . El Al 2 O 3 se utiliza para producir aluminio metálico, como abrasivo debido a su dureza y como material refractario debido a su alto punto de fusión. [7]
El corindón es la forma cristalina más común de óxido de aluminio que se encuentra en la naturaleza . [8] Los rubíes y los zafiros son formas de corindón de calidad gema, que deben sus colores característicos a las impurezas traza. Los rubíes obtienen su característico color rojo intenso y sus cualidades láser por las trazas 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. [9] [10]
El campo de la cerámica de óxido de aluminio tiene una larga historia. Las sales de aluminio se usaban ampliamente en la alquimia antigua y medieval . Varios libros de texto antiguos cubren la historia de este campo. [11] [12] Un libro de texto de 2019 de Andrew Ruys contiene una cronología detallada sobre la historia del óxido de aluminio desde la antigüedad hasta el siglo XXI. [13]
El Al 2 O 3 es un aislante eléctrico pero tiene una conductividad térmica relativamente alta ( 30 Wm −1 K −1 ) [2] 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 . [7]
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 (de 4 nm de espesor) en cualquier superficie de aluminio expuesta en cuestión de cientos de picosegundos. [ se necesita una mejor fuente ] [14] Esta capa protege al metal de una mayor oxidación. El espesor y las propiedades de esta capa de óxido se pueden mejorar mediante un proceso llamado anodizado . Varias aleaciones , como los bronces de aluminio , explotan esta propiedad al incluir una proporción de aluminio en la aleación para mejorar la resistencia a la corrosión. El óxido de aluminio generado por anodizado es típicamente amorfo , pero los procesos de oxidación asistida por descarga, como la oxidación electrolítica de plasma, dan como resultado una proporción significativa de óxido de aluminio cristalino en el recubrimiento, lo que mejora su dureza .
El óxido de aluminio fue eliminado de las listas de sustancias químicas de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en 1988. El óxido de aluminio está en la lista del Inventario de Emisiones Tóxicas de la EPA si está en forma fibrosa. [15]
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, neutralizando al otro y produciendo una sal.
La forma más común de óxido de aluminio cristalino se conoce como corindón , que es la forma termodinámicamente estable. [16] Los iones de oxígeno forman una estructura compacta casi hexagonal con los iones de aluminio llenando dos tercios de los intersticios octaédricos. Cada centro Al 3+ es octaédrico . En términos de su cristalografía , el corindón adopta una red Bravais trigonal con un grupo espacial de R 3 c (número 167 en las Tablas Internacionales). La celda primitiva contiene dos unidades de fórmula de óxido de aluminio.
El óxido de aluminio también existe en otras fases metaestables, incluidas las fases cúbicas γ y η, la fase monoclínica θ, la fase hexagonal χ, la fase ortorrómbica κ y la fase δ que puede ser tetragonal u ortorrómbica. [16] [17] Cada una tiene una estructura cristalina y propiedades únicas. El γ-Al 2 O 3 cúbico tiene importantes aplicaciones técnicas. El llamado β-Al 2 O 3 resultó ser NaAl 11 O 17 . [18]
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 5-coordinado, con muy poco (<5%) Al-O octaédrico presente. [19] Alrededor del 80% de los átomos de oxígeno se comparten entre tres o más poliedros de Al-O, y la mayoría de las conexiones interpoliédricas comparten vértices, y el 10-20% restante comparten aristas. [19] La ruptura 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/cm 3 . [20] La estructura de la alúmina fundida depende de la temperatura y la fracción de aluminio 5 y 6 veces mayor aumenta durante el enfriamiento (y el sobreenfriamiento), a expensas de las unidades tetraédricas de AlO 4 , acercándose a las disposiciones estructurales locales que se encuentran en la alúmina amorfa. [21]
Los minerales de hidróxido de aluminio son el componente principal de la bauxita , el principal mineral de aluminio . Una mezcla de minerales comprende el mineral de bauxita, incluyendo 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 . [22] Las bauxitas se encuentran en lateritas . La bauxita se purifica típicamente utilizando el proceso Bayer :
A excepción del 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 Bayer, precipita el Al(OH) 3 , dejando los silicatos en solución.
Luego, la gibbsita Al(OH) 3 sólida se calcina (se calienta a más de 1100 °C) para dar óxido de aluminio: [7]
El óxido de aluminio resultante tiende a ser multifásico, es decir, que consta de varias fases de óxido de aluminio en lugar de solo corindón . [17] 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, lo que, a su vez, afecta el costo de producción de aluminio y el control de la contaminación. [17]
El proceso de sinterización es un método de alta temperatura que se utiliza principalmente cuando el proceso Bayer no es adecuado, especialmente para minerales con alto contenido de sílice o cuando se requiere una morfología de producto más controlada. [23] En primer lugar, la bauxita se mezcla con aditivos como piedra caliza y carbonato de sodio, luego se calienta la mezcla a altas temperaturas (1200 °C a 1500 °C) para formar aluminato de sodio y silicato de calcio . [24] Después de la sinterización, el material se lixivia con agua para disolver el aluminato de sodio , dejando atrás las impurezas. Luego, el aluminato de sodio se precipita de la solución y se calcina a alrededor de 1000 °C para producir alúmina. [25] Este método es útil para la producción de formas complejas y se puede utilizar para crear materiales porosos o densos. [26]
El óxido de aluminio, conocido como alfa alúmina en la ciencia de los materiales y como alundum (en forma fundida) o aloxita [27] en las comunidades mineras y cerámicas , tiene 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 utilizaron en la fabricación de aluminio metálico. [7] Los principales usos de los óxidos de aluminio especiales son en refractarios, cerámicas, pulido y aplicaciones abrasivas. Grandes cantidades de hidróxido de aluminio, del que se deriva la alúmina, se utilizan en la fabricación de zeolitas , pigmentos de recubrimiento de titania y como retardante de fuego/supresor de humo.
Más del 90% del óxido de aluminio, denominado alúmina de grado de fundición (SGA), se consume para la producción de aluminio, generalmente mediante el proceso Hall-Héroult . El resto, denominado alúmina especial , se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones que aprovechan su inercia, resistencia a la temperatura y resistencia eléctrica. [28]
El óxido de aluminio, que es bastante inerte químicamente y de color blanco, es un material de relleno muy utilizado para los plásticos. El óxido de aluminio es un ingrediente común en los protectores solares [29] y también suele estar presente en productos cosméticos como el rubor, el lápiz labial y el esmalte de uñas. [30]
Muchas formulaciones de vidrio tienen óxido de aluminio como ingrediente. [31] El vidrio de aluminosilicato es un tipo de vidrio de uso común que a menudo contiene entre un 5% y un 10% de alúmina.
El óxido de aluminio cataliza diversas reacciones que resultan útiles a nivel industrial. En su aplicación a mayor escala, el óxido de aluminio es el catalizador del 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 de catalizador para muchos catalizadores industriales, como los utilizados en la hidrodesulfuración y algunas polimerizaciones Ziegler-Natta .
El óxido de aluminio se utiliza ampliamente para eliminar agua de las corrientes de gas. [32]
El óxido de aluminio se utiliza por su dureza y resistencia. Su forma natural, el corindón , es un 9 en la escala de dureza mineral de Mohs (justo por debajo del diamante). Se utiliza 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 hacen que se utilice ampliamente en operaciones de pulido, en particular en herramientas de corte . Como mineral abrasivo en polvo aloxita , es un componente principal, junto con la sílice , de la "tiza" de la punta del taco que se utiliza en el 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 la pasta de dientes. También se utiliza en la microdermoabrasión , tanto en el proceso a máquina disponible a través de dermatólogos y esteticistas, como en un abrasivo dérmico manual utilizado de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
Las escamas de óxido de aluminio se utilizan en pinturas para lograr efectos decorativos reflectantes, como en las industrias automotriz o cosmética. [ cita requerida ]
El óxido de aluminio es un representante de las cerámicas bioinertes. [33] Debido a su excelente biocompatibilidad, alta resistencia y resistencia al desgaste, las cerámicas de alúmina se utilizan en aplicaciones médicas para fabricar huesos y articulaciones artificiales. [34] También se utiliza para fabricar implantes dentales, reemplazos de articulaciones y otros dispositivos médicos. [35]
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). [36] Las nanofibras de alúmina en particular se han convertido en un campo de investigación de interés.
Algunos chalecos antibalas utilizan placas de cerámica de alúmina, generalmente en combinación con un respaldo de aramida o UHMWPE para lograr efectividad contra la mayoría de las amenazas de rifles. La armadura de cerámica de alúmina está fácilmente disponible para la mayoría de los civiles en las jurisdicciones donde es legal, pero no se considera de grado militar. [37] También se utiliza para producir vidrio de alúmina a prueba de balas capaz de soportar el impacto de balas de calibre .50 BMG .
El óxido de aluminio se puede formar como revestimiento sobre aluminio mediante anodización o mediante oxidación electrolítica de plasma (consulte las "Propiedades" más arriba). Tanto la dureza como las características de resistencia a la abrasión del revestimiento se originan a partir de la alta resistencia del óxido de aluminio, aunque la capa de revestimiento porosa producida con los procedimientos de anodizado de corriente continua convencionales se encuentra dentro de un rango de dureza Rockwell C de 60-70 [38] que es comparable solo a las aleaciones de acero al carbono endurecido, pero considerablemente inferior a la dureza del corindón natural y sintético. En cambio, con la oxidación electrolítica de plasma , el revestimiento es poroso solo en la capa de óxido superficial, mientras que las capas de óxido inferiores son mucho más compactas que con los procedimientos de anodizado de corriente continua estándar y presentan una mayor cristalinidad debido a que las capas de óxido se vuelven a fundir y densificar para obtener grupos de α-Al2O3 con valores de dureza de revestimiento mucho más altos, alrededor de 2000 de dureza Vickers. [ cita requerida ]
La alúmina se utiliza para fabricar baldosas que se fijan en el interior de las líneas de combustible pulverizado y los conductos de gases de combustión de las centrales eléctricas alimentadas con carbón para proteger las zonas de mayor desgaste. No son adecuadas para zonas con grandes fuerzas de impacto, ya que estas baldosas son frágiles y propensas a romperse.
El óxido de aluminio es un aislante eléctrico utilizado como sustrato ( silicio sobre zafiro ) para circuitos integrados , [39] 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 . [40] [41]
Para su aplicación como aislante eléctrico en circuitos integrados, donde el crecimiento conforme de una película delgada es un prerrequisito y el modo de crecimiento preferido es la deposición de capas atómicas , se pueden preparar películas de Al2O3 mediante el intercambio químico entre trimetilaluminio ( Al ( CH3 ) 3 ) y H2O : [ 42]
El H 2 O en la reacción anterior puede ser reemplazado por ozono (O 3 ) como oxidante activo y entonces tiene lugar la siguiente reacción: [43] [44]
Las películas de Al2O3 preparadas con O3 muestran una densidad de corriente de fuga entre 10 y 100 veces menor en comparación con las preparadas con H2O .
El óxido de aluminio, al ser un dieléctrico con un intervalo de banda relativamente grande , se utiliza como barrera aislante en los condensadores . [45]
En iluminación, el óxido de aluminio translúcido se utiliza en algunas lámparas de vapor de sodio . [46] El óxido de aluminio también se utiliza 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. Además, a menudo se utilizan pequeños trozos de óxido de aluminio como partículas de ebullición .
Las aplicaciones médicas y de salud incluyen su uso como material en reemplazos de cadera [7] y píldoras anticonceptivas . [47]
Se utiliza como centelleador [48] y dosímetro para aplicaciones de radioterapia y protección por sus propiedades de luminiscencia estimulada ópticamente . [ cita requerida ]
El aislamiento para hornos de alta temperatura suele fabricarse a partir de óxido de aluminio. A veces, el aislamiento tiene distintos porcentajes de sílice según la clasificación de temperatura del material. El aislamiento puede fabricarse en forma de manta, tablero, ladrillo y fibra suelta para diversos requisitos de aplicación.
También se utiliza para fabricar aisladores de bujías . [49]
Mediante un proceso de pulverización de plasma y mezclado con titanio , se recubre la superficie de frenado de algunas llantas de bicicleta para proporcionar resistencia a la abrasión y al desgaste. [ cita requerida ]
La mayoría de los ojos de cerámica de las cañas de pescar son anillos circulares hechos de óxido de aluminio. [ cita requerida ]
En su forma en polvo más fina (blanca), llamada Diamantina, el óxido de aluminio se utiliza como un abrasivo de pulido superior en la relojería. [50]
El óxido de aluminio también se utiliza en el revestimiento de barras en la industria del motocross y la bicicleta de montaña. Este revestimiento se combina con disulfato de molibdeno para proporcionar lubricación a largo plazo de la superficie. [51]
también se utiliza para fabricar aisladores de bujías.
