اکسید آلومینیوم چیست؟

اکسید آلومینیوم یک ترکیب شیمیایی متشکل از آلومینیوم و اکسیژن با فرمول شیمیایی Al۲O۳ است. اکسید آلومینیوم متداول ترین اکسیدهای آلومینیوم است و به طور خاص به عنوان اکسید آلومینیوم (III) شناخته و معمولا آلومینا نامیده می شود و بسته به اشکال یا کاربردهای خاص ممکن است آلوکسید، آلوکسیت یا آوندوم نیز خوانده شود. اکسید آلومینیوم در طبیعت در فاز چندشکلی α-Al۲O۳ متبلور به عنوان سنگ معدن یافت میشود که انواع آن در تشکیل سنگ های قیمتی مانند یاقوت و یاقوت کبود نقش دارند. استفاده از Al۲O۳ به عنوان یک ساینده به دلیل سختی آن و به عنوان یک ماده نسوز یا دیرگداز به دلیل نقطه ذوب بالای آن برای تولید فلز آلومینیوم قابل توجه است. کرندوم رایج ترین شکل بلوری اکسید آلومینیوم است. یاقوت قرمز و یاقوت کبود رنگهای منحصر به فرد خود را مدیون وجود ناخالصی های حاصل از اکسید آلومینیوم هستند.

Al۲O۳ یک عایق الکتریکی اما دارای هدایت حرارتی نسبتاً بالا (۳۰ Wm − ۱K − ۱) یک ماده سرامیکی است. اکسید آلومینیوم در آب محلول نیست؛ سختی اکسید آلومینیوم در شکل متبلور متداول آن یعنی اکسید کرواندوم یا α- آلومینیوم، باعث استفاده از آن به عنوان ساینده و به عنوان یک جز در ابزارهای برش شده است. اکسید آلومینیوم مسئول مقاومت آلومینیوم فلزی در برابر هوازدگی است. آلومینیوم فلزی با اکسیژن اتمسفر بسیار واکنش پذیر است و یک لایه نازک از اکسید آلومینیوم (ضخامت ۴ نانومتر) در هر صدم پیکوثانیه بر روی هر سطح آلومینیوم در معرض هوا شکل می گیرد. این لایه از فلز در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند. ضخامت و خصوصیات این لایه اکسید را می توان با استفاده از فرایندی به نام آندایزینگ افزایش داد. برخی از آلیاژها مانند برنزهای آلومینیوم با قرار دادن آلومینیوم در آلیاژ برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی، از این خاصیت بهره میبرند. اکسید آلومینیوم تولید شده توسط آنودایزینگ به طور معمول آمورف است، اما فرآیندهای اکسیداسیون کمک کننده مانند اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما منجر به افزایش قابل توجهی اکسید آلومینیوم بلوری در پوشش می شود و سختی آن را افزایش می دهد.

ماهیت آمفوتر یا دوخصلتی

اکسید آلومینیوم یک ماده آمفوتر است، بدین معنا که می تواند هم با اسیدها و هم با بازها مانند اسید هیدروفلوئوریک و هیدروکسید سدیم واکنش دهد و باعث تولید نمک میشود. رایج ترین شکل اکسید آلومینیوم کریستالی به عنوان کروندوم شناخته می شود که فرم پایدار ترمودینامیکی است.

تولید اکسید آلومینیوم

مواد معدنی هیدروکسید آلومینیوم ماده تشکیل دهنده اصلی بوکسیت، سنگ معدن اصلی آلومینیوم است. سنگ بوکسیت متشکل از ترکیبی از مواد معدنی ازجمله ژیپسیت (Al (OH)۳)، بوهمیت (γ-AlO (OH)) و دیاسپور (α-AlO (OH))، همراه با ناخالصی های اکسیدهای آهن و هیدروکسیدها، کوارتز و مواد معدنی رس است. به جز SiO۲، سایر اجزای بوکسیت در باز حل نمی شوند. اکسید آلومینیوم حاصل تمایل به چند فاز بودن، به عبارت دیگر، متشکل از چندین فاز اکسید آلومینیوم و نه تنها کراندوم دارد. بنابراین، می توان فرآیند تولید اکسید آلومینیوم را برای تولید یک محصول متناسب بهینه کرد. نوع فازهای موجود، به عنوان مثال، بر حلالیت و ساختار منافذ اکسید آلومینیوم بدست آمده و به نوبه خود، بر هزینه تولید آلومینیوم و کنترل آلودگی تأثیر می گذارد.

موارد مصرف اکسید آلومینیوم

عمده استفاده از اکسید آلومینیوم در مواد نسوز، سرامیک، پرداخت و ساینده است. از تناژهای زیاد هیدروکسید آلومینیوم که آلومینا از آن بدست می آید، در ساخت زئولیت، پوشش رنگدانه های تیتانیا و به عنوان یک مهارکننده آتش یا مهارکننده دود استفاده می شود. بیش از ۹۰٪ اکسید آلومینیوم برای تولید آلومینیوم و مابقی در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده میشود که نشان دهنده بی اثر بودن، مقاومت در برابر دما و مقاومت الکتریکی اکسید آلومینیوم است.
پرکننده ها (یا اصطلاحا فیلرها)
اکسید آلومینیوم که از نظر شیمیایی نسبتاً بی اثر و بی رنگ است، به عنوان فیلر در پلاستیک و همچنین یک ماده رایج در ضد آفتابها و گاهی در مواد آرایشی مانند رژگونه، رژ لب و لاک ناخن نیز استفاده میشود. شیشه در بسیاری از فرمولاسیون های شیشه از اکسید آلومینیوم به عنوان ماده تشکیل دهنده اصلی استفاده میشود. شیشه آلومینوسیلیکات نوعی شیشه است که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد و اغلب حاوی ۵٪ تا ۱۰٪ آلومینا است.
کاتالیز:
اکسید آلومینیوم واکنشهای مختلفی را که از نظر صنعتی مفید هستند را کاتالیز می کند. اکسید آلومینیوم برای تبدیل گازهای زائد سولفید هیدروژن به عنصر گوگرد در پالایشگاه ها و همچنین برای دهیتراته کردن الکلها به آلکنها مورد استفاده قرار میگیرد. اکسید آلومینیوم به عنوان یک حامی کاتالیزور برای بسیاری از کاتالیزورهای صنعتی مانند موارد استفاده شده در هیدروژناز و برخی از پلیمریزاسیون های زیگلر-ناتا استفاده می شود.
تصفیه گاز:
اکسید آلومینیوم به طور گسترده برای حذف آب از جریان گاز استفاده می شود.
ساینده:
اکسید آلومینیوم به دلیل سختی و مقاومت آن به عنوان ساینده، جایگزینی بسیار ارزان قیمت برای الماس صنعتی، مورد استفاده قرار می گیرد. در بسیاری از انواع کاغذ سنباده از بلورهای اکسید آلومینیوم استفاده می شود. علاوه بر این، احتباس گرمایی و ظرفیت گرمایی ویژه اندک اکسید آلومینیوم باعث می شود که در عملیات سنگ زنی، به ویژه ابزارهای برش، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گیرد.
رنگ:
از ورقه های اکسید آلومینیوم در رنگ برای جلوه های تزئینی بازتابندگی مانند صنایع خودرو یا لوازم آرایشی استفاده می شود.
فیبر کامپوزیت:
از اکسید آلومینیوم در برخی از مواد الیافی آزمایشی و تجاری برای کاربردهایی با عملکرد بالا استفاده میشود.
محافظت در برابر سایش:
اکسید آلومینیوم را می توان به عنوان پوشش بر روی آلومینیوم با استفاده از آنودایز یا با اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما رشد داد. ویژگی های سختی و مقاومت در برابر سایش از مقاومت بالای اکسید آلومینیوم نشات می گیرد.
عایق الکتریکی:
اکسید آلومینیوم یک عایق الکتریکی است که به عنوان بستر و لایه زیرین برای مدارهای مجتمع استفاده می شود و به عنوان تونل‌زنی کوانتومی برای ساخت دستگاه های ابررسانا مانند ترانزیستورهای تک الکترون و دستگاه های تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUIDs) استفاده می شود.

سایر مصارف

در روشنایی، از اکسید آلومینیوم شفاف در برخی از لامپ های بخار سدیم و در تهیه سوسپانسیون های پوشش در لامپهای کم مصرف فلورسنت نیز استفاده می شود. در آزمایشگاه های شیمی، اکسید آلومینیوم واسطه ای برای کروماتوگرافی است که در فرمولاسیون های بازی (pH ۹.۵)، اسیدی (pH ۴.۵ همراه با آب) و خنثی موجود است؛ در زمینه بهداشتی و پزشکی به عنوان ماده ای در جایگزینی مفصل ران و قرص های جلوگیری از بارداری کاربرد دارد. برای ساخت عایق الکتریکی شمع خودرو از اکسید آلومینیوم استفاده میشود. قطعات کوچک اکسید آلومینیوم اغلب به عنوان تراشه های جوش در شیمی استفاده می شود. از پودر اکسید آلومینیوم با ذرات ریز سفید رنگ، به عنوان ساینده براق کننده برتر در ساعت سازی استفاده میشود.