Кіріспе

Химиялық формуласы Al2O3 болатын химиялық қосылыс.

Алюминий оксиді (немесе алюминий(III) оксиді) – алюминий мен оттегінің химиялық қосылысы, химиялық формуласы Al2O3. Бұл бірнеше алюминий оксидтерінің арасында ең көп кездесетіні және алюминий оксиді ретінде нақты анықталған. Көбінесе алюминий деп аталады, сондай-ақ түрлі формаларында және қолданыстарында аллоксид, аллоксит немесе алундум деп те аталуы мүмкін. Табиғатта кристалл полиморфты фазасында α Al2O3 минералы – корунд түрінде кездеседі, оның түрлері құнды тастар рубин мен сапфирді құрайды. Al2O3 алюминий металлын өндіруде, қаттылығының арқасында абразив ретінде және жоғары балқу температурасының арқасында отқа төзімді материал ретінде маңызды.

Табиғи пайда болуы

Корунд – алюминий оксидінің табиғатта ең көп кездесетін кристалл түрі. Рубин мен сапфир – корундтың құнды тас сапасындағы түрлері, олардың ерекше түстері іздік қоспаларға байланысты. Рубинге тән терең қызыл түсі мен лазерлік қасиеттері хромның іздерімен шартталған. Сапфирлер темір және титан сияқты әртүрлі қоспалардың әсерінен әр түрлі түстерде болады. Өте сирек кездесетін δ түрі дельталумит минералы ретінде табылады.

Тарих

Алюминий оксиді керамикасының саласы ұзақ тарихқа ие. Алюминий тұздары ежелгі және орта ғасырларда кеңінен қолданылған, мысалы, алхимияда. Бұл саланың тарихы бірнеше ескі оқулықтарда қамтылған. Эндрю Руйстің 2019 жылғы оқулығы алюминий оксидінің ежелгі заманнан бастап XXI ғасырға дейінгі тарихының толық уақыт жобасын ұсынады.

Қасиеттері

Al2O3 электр оқшаулағыш болып табылады, бірақ керамикалық материал үшін салыстырмалы түрде жоғары жылу өткізгіштігіне (30 Вт м−1К−1) ие. Алюминий оксиді суда ерімейді. Оның ең көп кездесетін кристалдық түрі – корунд немесе α алюминий оксиді деп аталады, оның қаттылығы оны абразив ретінде және кесу құралдарының құрамына қолдануға мүмкіндік береді. Бұл қабат металды одан әрі тотығудан қорғайды. Оксид қабатының қалыңдығы мен қасиеттерін анодтау процесі арқылы жақсартуға болады. Коррозияға төзімділікті арттыру үшін алюминий қолалары сияқты бірқатар қорытпалар, қорытпа құрамына алюминий қосу арқылы осы қасиетті пайдаланады. Анодтау арқылы алынған алюминий оксиді әдетте аморфты болады, бірақ плазмалық электролиттік тотығу сияқты разрядты қолданатын тотығу процестері жабында кристалды алюминий оксидінің маңызды үлесін құрап, оның қаттылығын арттырады. 1988 жылы алюминий оксиді АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің химиялық заттар тізімінен алынып тасталды. Алюминий оксиді егер ол талшықты түрінде болса, EPA-ның Токсикалық заттардың шығарылу тізіміне енгізілген.

Құрылымы

Кристаллдық алюминий тотығының ең көп таралған түрі корунд деп аталады, ол термодинамикалық тұрақты түр. Оксид иондары алюминий иондарымен толтырылған октаэдрлік аралықтардың үштен екі бөлігін қамтитын дерлік гексагондық тығыз құрылымды құрайды. Әр Al3+ орталығы октаэдрлік болып табылады. Кристаллографиялық тұрғыдан алғанда, корунд тригональды Браве торларын Rc кеңістіктік тобымен (Халықаралық кестеде 167 нөмір) қабылдайды. Элементар жасушада алюминий тотығының екі формулалық бірлігі бар. Алюминий тотығы басқа метастабильді фазаларда да кездеседі, оның ішінде кубтық γ және η фазалары, моноклиникалық θ фазасы, гексагондық χ фазасы, орторомбтық κ фазасы және тетрагональды немесе орторомбтық бола алатын δ фазасы. Әрқайсысының өзіндік кристалдық құрылымы мен қасиеттері бар. Кубтық γ Al2O3 маңызды техникалық қолданысқа ие. Сонымен аталған β Al2O3 NaAl11O17 екені анықталды. Балқу температурасына жақын балқыған алюминий тотығының шамамен 2/3 бөлігі тетраэдрлік (яғни, 2/3 алюминий 4 оттегі атомымен қоршалған), ал 1/3 бөлігі 5 координацияланған, ал октаэдрлік AlO өте аз (<5%) көлемде болады. Оксид атомдарының шамамен 80% үш немесе одан да көп AlO полиэдрлері арасында бөліседі, ал полиэдрлер арасындағы байланыстардың көпшілігі бұрыштық, ал қалған 10–20% жиектік болып табылады. Балқытылған алюминийдің құрылымы температураға тәуелді, және суыту (және суперсуыту) кезінде 5 және 6 координацияланған алюминийдің үлесі тетраэдрлік AlO4 бірліктері есебінен артады, аморфты алюминийдегі жергілікті құрылымдық реттелуге жақымдап келеді.

Толықтырғыштар

Алюминий оксиді салыстырмалы түрде химиялық тұрақты және ақ түсті болғандықтан, пластиктерді толтыру үшін жиі қолданылады. Алюминий оксиді күннен қорғау кремдерінің құрамында кеңінен қолданылады және көбінесе румяна, ерітінді және тырнақ лағы сияқты косметикалық өнімдерде де кездеседі.

Шыны

Көптеген шыны формулаларының құрамында алюминий оксиді болады. Алюминосиликатты шыны – жиі қолданылатын шыны түрі, оның құрамында көбінесе 5%-дан 10%-ға дейін алюминий оксиді кездеседі.

Катализа

Алюминий оксиді өнеркәсіптік маңызы бар түрлі реакцияларды катализдейді. Оның ең ірі қолданылу саласы – мұнай өңдеу зауыттарындағы Клаус процесінде сутек күкірт газдарын элементтік күкіртке айналдыру үшін катализатор ретінде қолданылуы. Сондай-ақ, ол спирттерді алкендерге дегидратациялауға да пайдалы. Алюминий оксиді гидродесульфуризация және кейбір Ziegler–Natta полимерлеуі сияқты көптеген өнеркәсіптік катализаторлар үшін катализаторлық тасымалдаушы ретінде қолданылады.

Газды тазарту

Алюминий оксиді газ ағындарынан суды кетіру үшін кеңінен қолданылады.

Қию

Алюминий оксиді қаттылығы мен беріктігі үшін қолданылады. Оның табиғатта кездесетін түрі – корунд, минералдық қаттылығының Мосс шкаласы бойынша 9-шы деңгейде (алмаздың астында). Ол абразив ретінде кеңінен қолданылады, соның ішінде өнеркәсіптік алмазға қарағанда әлдеқайда арзан балама ретінде де қолданылады. Көптеген түрлі құм қағаздарда алюминий оксиді кристалдары пайдаланылады. Бұған қоса, оның төмен жылу сыйымдылығы және аз жылу ұстауының қасиеттері оны ұнтақтау жұмыстарында, әсіресе кескіш құралдарда кеңінен қолдануға мүмкіндік береді. Ол ұнтақ абразивті минерал – алоксит ретінде, кремниймен бірге бильярдтағы "мел" деп аталатын ұштың негізгі құрауышы болып табылады. Алюминий оксиді ұнтағы кейбір CD/DVD дискілерін жылтырату және сызаттарды жою жиынтықтарында қолданылады. Оның жылтырату қасиеттері сонымен қатар тіс пастасында қолданылуының себебі де болып табылады. Ол микродермабразияда да қолданылады, ол дерматологтар мен косметологтар ұсынатын аппараттық процедура, сондай-ақ өндірушінің нұсқауларына сәйкес қолданылатын дермалық абразив ретінде қолданылады.

Бояу

Алюминий оксидінің қабыршақтары автомобиль немесе косметика салалары сияқты, жарық шағылыстыратын сәндік эффекттер үшін бояуларда қолданылады.

Композиттік талшықтар

Алюминий оксиді жоғары өнімділікке арналған бірнеше тәжірибелік және коммерциялық талшықты материалдарда қолданылған (мысалы, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). Әсіресе алюминий оксидінің наноталшықтары зерттеулердің қызығушылық тудыратын саласы болып табылады.

Қару-жарақ

Кейбір бронежилеттер көбінесе мылтықтардан туындаған қауіптерге қарсы тиімділікке қол жеткізу үшін алюминий керамикалық пластиналарды пайдаланады, олар әдетте арамид немесе UHMWPE тіреуімен біріктіріледі. Алюминий керамикалық бронь заңды болып табылатын елдерде көптеген азаматтарға қолжетімді, бірақ оны әскери деңгейдегі деп санамайды. Сонымен қатар, ол .50 BMG калибрлі оқтардың соққысына төтеп бере алатын оқтан қорғалған алюминий шынысын жасау үшін де қолданылады.

Ыдыраудан қорғау

Алюминий оксиді алюминийге анодтау немесе плазмалық электролиттік тотығу арқылы қаптама ретінде өсіруге болады (жоғарыдағы "Қасиеттері" бөлімін қараңыз). Қабаттың қаттылығы мен тозуға төзімділігі алюминий оксидінің жоғары беріктігінен туындайды, бірақ дәстүрлі тұрақты токпен анодтау процедураларымен алынған кеуекті қабат 60–70 Rockwell қаттылығы C диапазонында болады, бұл тек қатайтылған көміртекті болат қорытпаларымен салыстырылады, бірақ табиғи және синтетикалық корундтың қаттылығынан әлдеқайда төмен. Ал плазмалық электролиттік тотығу кезінде қабат тек беткі оксид қабатында кеуекті болады, ал төменгі оксид қабаттары стандартты DC анодтау процедураларына қарағанда әлдеқайда тығыз болып келеді және оксид қабаттары қайта балқытылып, тығыздалғандықтан жоғары кристаллизацияға ие болады, нәтижесінде α Al2O3 кластерлері пайда болып, қабаттың қаттылығы шамамен 2000 Виккерс қаттылығына жетеді. Алюминий көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларындағы ұнтақталған отын құбырлары мен түтін газ жолдарының ішкі жағына орнатылатын плиткаларды жасау үшін қолданылады, бұл жоғары тозуға ұшырайтын жерлерді қорғауға мүмкіндік береді. Алайда, бұл плиткалар өте нашар, сондықтан жоғары соққылы күштерге ұшырайтын жерлерге жарамсыз, олардың сынуға бейімділігінен.