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 . Comúnmente se le llama alúmina y también puede denominarse alóxido , aloxita o alundum en diversas formas y aplicaciones. Se encuentra naturalmente en su fase polimórfica cristalina α-Al 2 O 3 como mineral corindón , cuyas variedades forman las piedras preciosas rubí y zafiro . El Al 2 O 3 es importante en su uso 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 natural más común de óxido de aluminio. [8] Los rubíes y los zafiros son formas de corindón con calidad de gema, que deben sus colores característicos a las impurezas. Los rubíes obtienen su característico color rojo intenso y sus cualidades láser gracias a las trazas de cromo . Los zafiros vienen en diferentes colores debido a otras impurezas, como el hierro y el titanio. Una forma δ extremadamente rara se presenta como el mineral deltalumita. [9] [10]
El campo de las cerámicas de óxido de aluminio tiene una larga historia. Las sales de aluminio fueron muy utilizadas en la época antigua y medieval, como por ejemplo en la alquimia . Varios libros de texto antiguos cubren la historia del 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]
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 aluminio α, 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 el 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 , 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 el anodizado 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 fue retirado 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 se trata de una forma fibrosa. [15]
El óxido de aluminio es una sustancia anfótera , es decir, 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 y los iones de aluminio llenan dos tercios de los intersticios octaédricos. Cada centro de Al 3+ es octaédrico . En cuanto a su cristalografía , el corindón adopta una red trigonal de Bravais con un grupo espacial de R 3 c (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. [16] [17] Cada uno 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 esquinas, y el 10-20% restante comparten bordes. [19] 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 2,93 g/cm 3 . [20] La estructura de la alúmina fundida depende de la temperatura y la fracción de aluminio aumenta 5 y 6 veces durante el enfriamiento (y 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 mineral 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 . [22] Las bauxitas se encuentran en lateritas . La bauxita normalmente se purifica mediante el proceso Bayer :
Excepto el SiO 2 , los demás componentes de la bauxita no se disuelven en la base. Al filtrar la mezcla básica, se elimina el Fe 2 O 3 . Cuando se enfría el licor de Bayer, precipita 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 obtener óxido de aluminio: [7]
El producto óxido de aluminio tiende a ser multifásico, es decir, consta de varias fases de óxido de aluminio en lugar de únicamente corindón . [17] Por lo tanto, el proceso de producción puede optimizarse 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 coste de producción de aluminio y el control de la contaminación. [17]
Conocido como alfa alúmina en la ciencia de materiales , y como alundum (en forma fundida) o aloxita [23] en 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 , de las cuales más del 90% se utilizó en la fabricación de aluminio metálico. [7] Los principales usos de los óxidos de aluminio especiales son en refractarios, cerámica, pulido y aplicaciones abrasivas. Grandes toneladas 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. [24]
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 [25] y, a menudo, también está presente en cosméticos como rubor, lápiz labial y esmalte de uñas. [26]
Muchas formulaciones de vidrio tienen óxido de aluminio como ingrediente. [27] 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 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 de catalizador para muchos catalizadores industriales, como los utilizados en la hidrodesulfuración y algunas polimerizaciones de Ziegler-Natta .
El óxido de aluminio se usa ampliamente para eliminar el agua de las corrientes de gas. [28]
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 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 mineral abrasivo en polvo aloxita , es un componente importante, 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 reparación de rayones y pulido de CD / DVD . Sus cualidades de pulido también están detrás de su uso en pasta de dientes. También se utiliza en microdermoabrasión , tanto en el proceso mecánico disponible a través de dermatólogos y esteticistas, como como abrasivo dérmico manual utilizado según las instrucciones del fabricante.
Las escamas de óxido de aluminio se utilizan en pinturas para efectos decorativos reflectantes, como en la industria automotriz o cosmética. [ cita necesaria ]
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). [29] Las nanofibras de alúmina en particular se han convertido en un campo de investigación de interés.
Algunas armaduras 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 los rifles. La armadura de cerámica de alúmina está disponible para la mayoría de los civiles en jurisdicciones donde es legal, pero no se considera de grado militar. [30] También se utiliza para producir vidrio de alúmina a prueba de balas capaz de resistir el impacto de balas de calibre .50 BMG .
El óxido de aluminio se puede cultivar como un recubrimiento sobre aluminio mediante anodizado o oxidación electrolítica por plasma (consulte "Propiedades" más 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 directa se encuentra dentro de un rango de dureza Rockwell C de 60 a 70 [31] , que es comparable sólo a Aleaciones de acero al carbono endurecido, pero considerablemente inferiores en dureza al corindón natural y sintético. En cambio, con la oxidación electrolítica por plasma , el recubrimiento 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 DC estándar y presentan una mayor cristalinidad debido a que las capas de óxido se vuelven a fundir y densificar para obtener α-. Agrupaciones de Al2O3 con valores de dureza de recubrimiento mucho más altos, alrededor de 2000 de dureza Vickers. [ cita necesaria ]
La alúmina se utiliza para fabricar tejas que se fijan dentro de líneas de combustible pulverizado y conductos de gases de combustión en centrales eléctricas alimentadas con carbón para proteger áreas de alto desgaste. No son adecuadas para áreas con altas fuerzas de impacto ya que estas baldosas son quebradizas y susceptibles de romperse.
El óxido de aluminio es un aislante eléctrico utilizado 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 , las películas de Al 2 O 3 se pueden preparar mediante el intercambio químico entre trimetilaluminio (Al(CH 3 ) 3 ) y H 2 O: [32]
El H 2 O en la reacción anterior se puede reemplazar por ozono (O 3 ) como oxidante activo y luego tiene lugar la siguiente reacción: [33] [34]
Las películas de Al 2 O 3 preparadas con O 3 muestran una densidad de corriente de fuga entre 10 y 100 veces menor en comparación con las preparadas con H 2 O.
El óxido de aluminio, al ser un dieléctrico con una banda prohibida relativamente grande , se utiliza como barrera aislante en los condensadores . [35]
En iluminación se utiliza óxido de aluminio translúcido en algunas lámparas de vapor de sodio . [36] 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 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 [7] y píldoras anticonceptivas . [37]
Se utiliza como centelleador [38] y dosímetro para aplicaciones de terapia y protección radiológica por sus propiedades de luminiscencia estimuladas ópticamente . [ cita necesaria ]
El aislamiento para hornos de alta temperatura suele fabricarse con óxido de aluminio. A veces, el aislamiento tiene distintos porcentajes de sílice según la temperatura nominal del material. El aislamiento se puede fabricar en forma de manta, tablero, ladrillo y fibra suelta para diversos requisitos de aplicación.
En química, a menudo se utilizan pequeños trozos de óxido de aluminio como chips de ebullición .
También se utiliza para fabricar aisladores de bujías . [39]
Utilizando un proceso de pulverización de plasma y mezclado con titania , se recubre la superficie de frenado de algunas llantas de bicicleta para proporcionar resistencia a la abrasión y al desgaste. [ cita necesaria ]
La mayoría de los ojos de cerámica de las cañas de pescar son anillos circulares hechos de óxido de aluminio. [ cita necesaria ]
En su forma más fina en polvo (blanco), llamada Diamantine, el óxido de aluminio se utiliza como abrasivo de pulido superior en relojería y relojería. [40]
El óxido de aluminio también se utiliza en el revestimiento de montantes en la industria del motocross y las bicicletas de montaña. Este recubrimiento se combina con disulfato de molibdeno para proporcionar una lubricación de la superficie a largo plazo. [41]
El óxido de aluminio también se utiliza para fabricar aisladores de bujías.
