酸化アルミニウムはアルミナとしても知られており、その化学式は Al2O3 です。アランダム、アロキシド、またはアロキサイトとしても知られています。それは無定形の物質で、無臭で、見た目は白く、不活性です。この化合物は水に溶けず、熱的に不安定です。また、酸と塩基の両方と同様に反応します。したがって、それは両性です。自然界では、アルミナはコランダム、サファイア、エメラルド、ルビーに自然に見られます。アルミナの日常的な用途は、工業用セラミックスへの応用です。また、その硬度から切削工具や研磨剤としても使用されます。
酸化アルミニウムの調製
バイエルのプロセスは、アルミナを生成するために使用されます。このプロセスには次の手順が含まれます:
- 消化 – ボーキサイト鉱石 (Al2O3.2H2O) を粉砕し、苛性ソーダ (NaOH) で加熱します。この溶液を高圧下、１４０〜１５０℃で２〜８時間加熱する。それが加熱されるタンクは消化槽と呼ばれます。アルミナは性質上両性であるため、NaOH 水溶液と反応してアルミン酸ナトリウムを形成します。このステップの反応は次のように説明できます:
- ろ過 – ボーキサイトには、苛性酸に溶解しないアルミナ以外の成分が含まれています。分解されなかった成分は、赤泥として消化槽の底に沈みます。この泥はろ過によって除去されます。
- 沈殿 – 水酸化アルミニウムは、アルミン酸ナトリウム溶液 (NaAlO2) を水で希釈したときに沈殿として得られ、混合物を 50 ℃ に冷却します。このステップの反応は次のように説明できます:
- か焼 – 前のステップで得られた水酸化アルミニウムをろ過、洗浄、乾燥し、か焼炉で 1010 ～ 1260 ℃ で加熱します。これにより酸化アルミニウムが得られる。このステップの反応は次のように説明できます:
構造
アルミナの構造は、2 つのアルミニウム原子と 3 つの酸素原子で構成されています。各アルミニウム原子は 3 つの電子を失って +3 の正電荷を獲得し、各酸素原子は 2 つの電子を獲得して -2 の負電荷を獲得します。これは、金属 (アルミニウム) が非金属 (酸素) に電子を失うため、イオン化合物を形成します。 Al2O3 のドット構造は次のように表すことができます。
物理的特性
酸化アルミニウムの物理的性質は次のとおりです。
- モル質量は 101.96 g·mol−1
- 沸点は 2,977 °C です。
- 密度は 3.95～4.1 g/cm3 です。
- 硬い素材です。
- 電気に強い
- 低熱膨張
- 耐食性があります。
化学的性質
- 水との反応 – Al2O3 の酸化物イオンは強く保持されているため、水とは反応しません。これにより、Al2O3 が水に不溶になります。
- 酸との反応 – Al2O3 は酸化物イオンの存在により酸と反応します。例えば、希塩酸と反応すると、塩化アルミニウムと水が得られます。酸と反応すると、塩基として機能します。
- 塩基との反応 – Al2O3 も塩基と反応します。塩基と反応すると、酸として機能します。たとえば、水酸化ナトリウムと反応すると、アルミン酸ナトリウムと水が形成されます。
用途
アルミナは次の分野で使用されています:
- 医療産業 – 医療では、アルミナは股関節置換ベアリングの材料、組織補強、プロテーゼ、バイオニック インプラント、歯科インプラント、炉やるつぼなどの実験装置で使用されます。使用の理由医療産業におけるアルミナの最大の特徴は、その硬度と生体不活性です。
- 軍用および保護具 – アルミナはボディ アーマーなどの一部の軍用装備に使用されています。また、航空機の装甲、車両の装甲、防弾窓などの保護具にも使用されています。これは、その軽量性と強度によるものです。
- 電子産業 – アルミナは、電気絶縁体や炉の断熱材の製造に使用されます。これは、融点と沸点が高いためです。また、アルミナ膜の形でマイクロチップ業界でも使用されています。電子産業におけるアルミナのその他の用途には、断熱ヒートシンク、スパーク プラグの絶縁体、マイクロ電気基板などがあります。
- 宝石産業 – アルミナの結晶形であるコランダムは、ルビーとサファイアの基本要素です。ルビーもサファイアも貴重な宝石です。それらは微量の不純物から色を得ます。ルビーはクロムから発色し、サファイアは鉄とチタンから発色します。
- 工業用途 – アルミナはその強度からサンドペーパーの研磨剤として使用されます。また、不活性であるため、レンガ、粘土製品、プラスチックのフィラーとしても使用されます。また、より経済的なオプションとして、ダイヤモンドの代わりにもなります。歯磨き粉や日焼け止めの成分になります。
結論
酸化アルミニウムはアルミナとしても知られており、その化学式は Al2O3 です。その構造は、2 つのアルミニウム原子と 3 つの酸素原子で構成されています。各アルミニウム原子は 3 つの電子を失うことで +3 電荷を獲得し、各酸素原子は 2 つの電子を獲得することで -2 電荷を獲得します。
アルミナは、バイエルのプロセスで調製できます。この工程では、ボーキサイト（アルミニウムの鉱石）を苛性ソーダ（NaOH）で加熱します。この過程でアルミン酸ナトリウム（NaAlO2）が得られ、これを水で希釈すると水酸化アルミニウム（Al(OH)3）が得られます。水酸化アルミニウムを加熱すると、酸化アルミニウムと水蒸気が得られます。
アルミナは融点と沸点が高く、電気に強く、水に溶けません。性質は両性で、酸にも塩基にも反応します。医療産業、電子産業、宝石産業、保護具の製造などで使用されています。
