Oxyde d'aluminium - Aluminium oxide

Oxyde d'aluminium
(oxyde d'aluminium)
Corindon-3D-balls.png
Oxyde d'aluminium2.jpg
Identifiants
Modèle 3D ( JSmol )
ChEMBL
ChemSpider
Banque de médicaments
Carte d'information de l'ECHA 100.014.265 Modifiez ceci sur Wikidata
Numéro CE
CID PubChem
Numéro RTECS
UNII
  • InChI=1S/2Al.3O/q2*+3;3*-2 ChèqueOui
    Clé : PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N ChèqueOui
  • InChI=1/2Al.3O/q2*+3;3*-2
    Clé : PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYAC
  • [Al+3].[Al+3].[O-2].[O-2].[O-2]
  • [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3]
Propriétés
Al 2 O 3
Masse molaire 101,960  g·mol -1
Apparence solide blanc
Odeur inodore
Densité 3.987g / cm 3
Point de fusion 2 072 °C (3 762 °F ; 2 345 K)
Point d'ébullition 2 977 °C (5 391 °F; 3 250 K)
insoluble
Solubilité insoluble dans tous les solvants
log P 0,31860
−37,0×10 −6 cm 3 /mol
Conductivité thermique 30 W·m −1 ·K −1
n ω = 1,768 à 1,772
N ε = 1,760 à 1,763
Biréfringence 0,008
Structure
Trigonal , hR30
R 3 c (n ° 167)
a  = 478,5 h, c  = 1299,1 h
octaédrique
Thermochimie
50,92 J·mol -1 ·K -1
Std enthalpie de
formation
f H 298 )
−1675,7 kJ/mol
Pharmacologie
D10AX04 ( OMS )
Dangers
Fiche de données de sécurité Voir : page de données
Pictogrammes SGH GHS07 : Nocif
NFPA 704 (diamant de feu)
0
0
0
point de rupture Ininflammable
NIOSH (limites d'exposition pour la santé aux États-Unis) :
PEL (Autorisé)
OSHA 15 mg/m 3 (poussière totale)
OSHA 5 mg/m 3 (fraction respirable)
ACGIH/TLV 10 mg/m 3
REL (recommandé)
rien
IDLH (Danger immédiat)
ND
Composés apparentés
Autres anions
hydroxyde d'
aluminium sulfure d'
aluminium séléniure d'aluminium
Autres cations
trioxyde de bore oxyde de
gallium oxyde d'
indium oxyde de
thallium
Page de données supplémentaires
Indice de réfraction ( n ),
Constante diélectriquer ), etc.

Données thermodynamiques
Comportement des phases
solide-liquide-gaz
UV , IR , RMN , MS
Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa).
ChèqueOui vérifier  ( qu'est-ce que c'est   ?) ChèqueOui??N
Références de l'infobox

L'oxyde d'aluminium est un composé chimique d' aluminium et d' oxygène de formule chimique Al 2 O 3 . C'est le plus courant de plusieurs oxydes d'aluminium , et spécifiquement identifié comme l'oxyde d'aluminium (III) . Elle est communément appelée alumine et peut également être appelée aloxyde , aloxite ou alundum selon des formes ou des applications particulières. Il se présente naturellement dans sa phase polymorphe cristalline α-Al 2 O 3 sous forme de corindon minéral , dont les variétés forment les pierres précieuses rubis et saphir . Al 2 O 3 est important dans son utilisation pour produire de l'aluminium métallique, en tant qu'abrasif en raison de sa dureté , et en tant que matériau réfractaire en raison de son point de fusion élevé.

Occurrence naturelle

Le corindon est la forme cristalline naturelle la plus courante d'oxyde d'aluminium. Les rubis et les saphirs sont des formes de corindon de qualité gemme, qui doivent leurs couleurs caractéristiques à des traces d'impuretés. Les rubis sont donnés leur couleur rouge foncé caractéristique et leurs qualités laser par des traces de chrome . Les saphirs se présentent sous différentes couleurs données par diverses autres impuretés, telles que le fer et le titane. Une forme extrêmement rare se présente sous la forme de deltalumite minérale.

Propriétés

Oxyde d'aluminium sous sa forme de poudre.
Oxyde d'aluminium sous sa forme de poudre.

L'Al 2 O 3 est un isolant électrique mais présente une conductivité thermique relativement élevée ( 30 Wm -1 K -1 ) pour un matériau céramique. L'oxyde d'aluminium est insoluble dans l'eau. Dans sa forme cristalline la plus courante, appelée corindon ou oxyde d'aluminium , sa dureté le rend approprié pour une utilisation comme abrasif et comme composant dans les outils de coupe .

L'oxyde d'aluminium est responsable de la résistance de l'aluminium métallique aux intempéries . L'aluminium métallique est très réactif avec l'oxygène atmosphérique, et une fine couche de passivation d'oxyde d'aluminium (épaisseur 4 nm) se forme sur toute surface d'aluminium exposée en quelques centaines de picosecondes. Cette couche protège le métal d'une oxydation supplémentaire. L'épaisseur et les propriétés de cette couche d'oxyde peuvent être améliorées à l'aide d'un procédé appelé anodisation . Un certain nombre d' alliages , tels que les bronzes d'aluminium , exploitent cette propriété en incluant une proportion d'aluminium dans l'alliage pour améliorer la résistance à la corrosion. L'oxyde d'aluminium généré par l'anodisation est généralement amorphe , mais les processus d'oxydation assistée par décharge tels que l'oxydation électrolytique au plasma entraînent une proportion importante d'oxyde d'aluminium cristallin dans le revêtement, améliorant sa dureté .

L'oxyde d'aluminium a été retiré des listes de produits chimiques de l' Environmental Protection Agency des États-Unis en 1988. L'oxyde d'aluminium figure sur la liste de l' inventaire des rejets toxiques de l'EPA s'il s'agit d'une forme fibreuse.

Nature amphotère

L'oxyde d'aluminium est une substance amphotère , ce qui signifie qu'il peut réagir à la fois avec les acides et les bases , tels que l'acide fluorhydrique et l'hydroxyde de sodium , agissant comme un acide avec une base et une base avec un acide, neutralisant l'autre et produisant un sel.

Al 2 O 3 + 6 HF → 2 AlF 3 + 3 H 2 O
Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3 H 2 O → 2 NaAl(OH) 4 ( aluminate de sodium )

Structure

Corindon du Brésil , taille environ 2×3 cm.

La forme la plus courante d'oxyde d'aluminium cristallin est connue sous le nom de corindon , qui est la forme thermodynamiquement stable. Les ions oxygène forment une structure compacte presque hexagonale avec les ions aluminium remplissant les deux tiers des interstices octaédriques. Chaque centre Al 3+ est octaédrique . En termes de cristallographie , le corindon adopte un réseau de Bravais trigonal avec un groupe spatial de R 3 c (numéro 167 dans les tables internationales). La cellule primitive contient deux unités de formule d'oxyde d'aluminium.

L'oxyde d'aluminium existe également dans d'autres phases métastables, dont les phases cubiques γ et η, la phase θ monoclinique, la phase hexagonale, la phase κ orthorhombique et la phase qui peut être tétragonale ou orthorhombique. Chacun a une structure cristalline et des propriétés uniques. Le -Al 2 O 3 cubique a d'importantes applications techniques. Le soi-disant β-Al 2 O 3 s'est avéré être NaAl 11 O 17 .

L'oxyde d'aluminium fondu près de la température de fusion est à peu près 2/3 tétraédrique (c'est-à-dire que 2/3 de l'Al sont entourés de 4 voisins d'oxygène), et 1/3 5-coordonné, avec très peu (<5%) d' Al-O octaédrique présent . Environ 80 % des atomes d'oxygène sont partagés entre trois polyèdres Al-O ou plus, et la majorité des connexions interpolyédriques sont en partage de coins, les 10 à 20 % restants étant en partage de bord. La décomposition des octaèdres lors de la fusion s'accompagne d'une augmentation de volume relativement importante (~33%), la densité du liquide proche de son point de fusion est de 2,93 g/cm 3 . La structure de l'alumine fondue dépend de la température et la fraction d'aluminium 5 et 6 fois augmente pendant le refroidissement (et la surfusion), au détriment des unités tétraédriques AlO 4 , se rapprochant des dispositions structurelles locales trouvées dans l'alumine amorphe.

Production

Les minéraux d' hydroxyde d' aluminium sont le principal composant de la bauxite , le principal minerai d' aluminium . Un mélange de minéraux comprend du minerai de bauxite, notamment de la gibbsite (Al(OH) 3 ), de la boehmite (γ-AlO(OH)) et de la diaspore (α-AlO(OH)), ainsi que des impuretés d' oxydes et d'hydroxydes de fer , du quartz et minéraux argileux . Les bauxites se trouvent dans les latérites . La bauxite est purifiée par le procédé Bayer :

Al 2 O 3 + H 2 O + NaOH → NaAl(OH) 4
Al(OH) 3 + NaOH → NaAl(OH) 4

A l'exception du SiO 2 , les autres composants de la bauxite ne se dissolvent pas dans la base. Lors de la filtration du mélange basique, Fe 2 O 3 est éliminé. Lorsque la liqueur Bayer est refroidie, Al(OH) 3 précipite en laissant les silicates en solution.

NaAl(OH) 4 → NaOH + Al(OH) 3

Le solide Al(OH) 3 Gibbsite est ensuite calciné (chauffé à plus de 1100 °C) pour donner de l'oxyde d'aluminium :

2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O

L'oxyde d'aluminium produit a tendance à être multiphasique, c'est-à-dire constitué de plusieurs phases d'oxyde d'aluminium plutôt que uniquement de corindon . Le processus de production peut donc être optimisé pour produire un produit sur mesure. Le type de phases présentes affecte, par exemple, la solubilité et la structure des pores du produit d'oxyde d'aluminium qui, à son tour, affecte le coût de production d'aluminium et de contrôle de la pollution.

Applications

Connu sous le nom d'alumine alpha dans les communautés de science des matériaux ou d'alundum (sous forme fondue) ou d'aloxite dans les communautés minières et céramiques , l'oxyde d'aluminium trouve une large utilisation. La production mondiale annuelle d'oxyde d'aluminium en 2015 était d'environ 115 millions de tonnes , dont plus de 90 % sont utilisées dans la fabrication d'aluminium métal. Les principales utilisations des oxydes d'aluminium de spécialité sont les réfractaires, les céramiques, le polissage et les applications abrasives. D'importants tonnages d'hydroxyde d'aluminium, dont l'alumine est dérivée, sont utilisés dans la fabrication de zéolites , de pigments d' oxyde de titane de revêtement et comme ignifugeant/suppresseur de fumée.

Plus de 90 % de l'oxyde d'aluminium, normalement appelé alumine de fonderie (SGA), produit est consommé pour la production d'aluminium, généralement par le procédé Hall-Héroult . Le reste, normalement appelé alumine de spécialité, est utilisé dans une grande variété d'applications qui reflètent son inertie, sa résistance à la température et sa résistance électrique.

Charges

Étant assez chimiquement inerte et blanc, l'oxyde d'aluminium est une charge privilégiée pour les plastiques. L'oxyde d'aluminium est un ingrédient courant dans les écrans solaires et est parfois également présent dans les cosmétiques tels que le fard à joues, le rouge à lèvres et le vernis à ongles.

Un verre

De nombreuses formulations de verre contiennent de l'oxyde d'aluminium comme ingrédient. Le verre aluminosilicaté est un type de verre couramment utilisé qui contient souvent 5 à 10 % d'alumine.

Catalyse

L'oxyde d'aluminium catalyse une variété de réactions qui sont utiles industriellement. Dans son application à plus grande échelle, l'oxyde d'aluminium est le catalyseur du procédé Claus pour convertir les gaz résiduaires de sulfure d'hydrogène en soufre élémentaire dans les raffineries. Il est également utile pour la déshydratation des alcools en alcènes.

L'oxyde d'aluminium sert de support de catalyseur pour de nombreux catalyseurs industriels, tels que ceux utilisés dans l' hydrodésulfuration et certaines polymérisations Ziegler-Natta .

Épuration de gaz

L'oxyde d'aluminium est largement utilisé pour éliminer l'eau des flux gazeux.

Abrasif

L'oxyde d'aluminium est utilisé pour sa dureté et sa résistance. Sa forme naturelle, le corindon , est un 9 sur l' échelle de Mohs de dureté minérale (juste en dessous du diamant). Il est largement utilisé comme abrasif , y compris comme substitut beaucoup moins coûteux du diamant industriel . De nombreux types de papier de verre utilisent des cristaux d'oxyde d'aluminium. En outre, sa faible rétention de la chaleur et une faible chaleur spécifique rendent largement utilisé dans les opérations de broyage, en particulier coupure des outils. En tant qu'aloxite minérale abrasive en poudre , c'est un composant majeur, avec la silice , de la "craie" de la pointe de la queue utilisée dans le billard . La poudre d'oxyde d'aluminium est utilisée dans certains kits de polissage et de réparation de rayures de CD / DVD . Ses qualités de polissage sont également à l'origine de son utilisation en dentifrice. Il est également utilisé en microdermabrasion , à la fois dans le processus machine disponible auprès des dermatologues et des esthéticiennes, et comme abrasif cutané manuel utilisé selon les instructions du fabricant.

Peindre

Les paillettes d'oxyde d'aluminium sont utilisées dans la peinture pour des effets décoratifs réfléchissants, comme dans l'industrie automobile ou cosmétique.

Fibre composite

L'oxyde d'aluminium a été utilisé dans quelques matériaux fibreux expérimentaux et commerciaux pour des applications hautes performances (par exemple, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). Les nanofibres d' alumine en particulier sont devenues un domaine de recherche d'intérêt.

Gilet pare-balles

Certaines armures corporelles utilisent des plaques en céramique d'alumine, généralement en combinaison avec un support en aramide ou en UHMWPE pour obtenir une efficacité contre la plupart des menaces de fusil. L'armure en céramique d'alumine est facilement accessible à la plupart des civils dans les juridictions où elle est légale, mais n'est pas considérée comme de qualité militaire.

Protection contre l'abrasion

L'oxyde d'aluminium peut être cultivé sous forme de revêtement sur l'aluminium par anodisation ou par oxydation électrolytique au plasma (voir les « Propriétés » ci-dessus). La dureté et les caractéristiques de résistance à l'abrasion du revêtement proviennent de la haute résistance de l'oxyde d'aluminium, mais la couche de revêtement poreuse produite avec des procédures conventionnelles d'anodisation à courant continu se situe dans une plage de dureté Rockwell C de 60-70 qui n'est comparable qu'à l'acier au carbone durci. alliages, mais considérablement inférieure à la dureté du corindon naturel et synthétique. Au lieu de cela, avec l'oxydation électrolytique au plasma , le revêtement n'est poreux que sur la couche d'oxyde de surface tandis que les couches d'oxyde inférieures sont beaucoup plus compactes qu'avec les procédures d'anodisation DC standard et présentent une cristallinité plus élevée en raison des couches d'oxyde refondues et densifiées pour obtenir α- Amas d'Al2O3 avec des valeurs de dureté de revêtement beaucoup plus élevées d'environ 2000 dureté Vickers.

Production d'oxyde d'aluminium en 2005

L'alumine est utilisée pour fabriquer des tuiles qui sont fixées à l'intérieur des conduites de combustible pulvérisé et des conduits de gaz de combustion sur les centrales électriques au charbon pour protéger les zones à forte usure. Ils ne conviennent pas aux zones soumises à des forces d'impact élevées car ces carreaux sont cassants et susceptibles de se briser.

Isolation électrique

L'oxyde d'aluminium est un isolant électrique utilisé comme substrat ( silicium sur saphir ) pour les circuits intégrés mais aussi comme barrière tunnel pour la fabrication de dispositifs supraconducteurs tels que les transistors à électron unique et les dispositifs supraconducteurs à interférence quantique ( SQUID ).

Pour son application comme isolant électrique dans les circuits intégrés, où la croissance conforme d'un film mince est une condition préalable et le mode de croissance préféré est le dépôt de couche atomique , les films Al 2 O 3 peuvent être préparés par l'échange chimique entre le triméthylaluminium (Al(CH 3 ) 3 ) et H 2 O :

2 Al(CH 3 ) 3 + 3 H 2 O → Al 2 O 3 + 6 CH 4

H 2 O dans la réaction ci-dessus peut être remplacé par de l' ozone (O 3 ) en tant qu'oxydant actif et la réaction suivante a alors lieu :

2 Al(CH 3 ) 3 + O 3 → Al 2 O 3 + 3 C 2 H 6

Les films d' Al 2 O 3 préparés à l'aide d'O 3 présentent une densité de courant de fuite 10 à 100 fois inférieure à celle préparée par H 2 O.

L'oxyde d'aluminium, étant un diélectrique avec une bande interdite relativement importante , est utilisé comme barrière isolante dans les condensateurs .

Autre

En éclairage, l'oxyde d'aluminium transparent est utilisé dans certaines lampes à vapeur de sodium . L'oxyde d'aluminium est également utilisé dans la préparation de suspensions de revêtement dans les lampes fluorescentes compactes .

Dans les laboratoires de chimie, l'oxyde d'aluminium est un support pour la chromatographie , disponible en formulations basique (pH 9,5), acide (pH 4,5 dans l'eau) et neutre.

Les applications médicales et de santé l'incluent comme matériau dans les prothèses de hanche et les pilules contraceptives .

Il est utilisé comme scintillateur et dosimètre pour les applications de radioprotection et de thérapie pour ses propriétés de luminescence stimulée optiquement .

L'isolant pour les fours à haute température est souvent fabriqué à partir d'oxyde d'aluminium. Parfois, l'isolant a des pourcentages variables de silice en fonction de la température nominale du matériau. L'isolant peut être fabriqué sous forme de couverture, de panneau, de brique et de fibres en vrac pour diverses exigences d'application.

De petits morceaux d'oxyde d'aluminium sont souvent utilisés comme puces bouillantes en chimie.

Il est également utilisé pour fabriquer des isolateurs de bougies .

À l'aide d'un procédé de pulvérisation au plasma et mélangé à de l' oxyde de titane , il est appliqué sur la surface de freinage de certaines jantes de vélo pour offrir une résistance à l'abrasion et à l'usure.

La plupart des yeux en céramique sur les cannes à pêche sont des anneaux circulaires en oxyde d'aluminium.

Sous sa forme la plus fine en poudre (blanche), appelée Diamantine , l'oxyde d'aluminium est utilisé comme abrasif de polissage supérieur dans l'horlogerie et l'horlogerie.

L'oxyde d'aluminium est également utilisé dans le revêtement des chandeliers dans l'industrie du motocross et du VTT. Ce revêtement est combiné avec du disulfate de molybdène pour assurer une lubrification à long terme de la surface.

Voir également

Les références

Liens externes