Δομή Αλουμίνας

Το οξείδιο του αργιλίου είναι μια ένωση που αποτελείται κυρίως από μόρια οξυγόνου και αργιλίου. Είναι μια άχρωμη κρυσταλλική ουσία που εμφανίζεται φυσικά σε διάφορες μορφές, όπως το ζαφείρι, που συνήθως αποτελείται από κορούνδιο. Η αλουμίνα, ή η πιο κοινή κρυσταλλική μορφή αλουμίνας, είναι το κορούνδιο. Είναι ενδιαφέρον ότι κάτω από ειδικές συνθήκες, το κορούνδιο έγινε το πετράδι ζαφείρι.

Η αλουμίνα εξάγεται επίσης από μεταλλεύματα, όπως ο βωξίτης που βρίσκεται στην επιφάνεια ορισμένων τροπικών και υποτροπικών περιοχών. Η εκχύλιση και ο καθαρισμός της αλουμίνας πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο Bayer. Εδώ, ο βωξίτης συνθλίβεται και διαλύεται σε διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου. Όταν αποθηκεύεται σε υψηλές θερμοκρασίες, ο βωξίτης μετατρέπεται σε αργιλικό νάτριο, φιλτράροντας ακαθαρσίες όπως κόκκινη λάσπη ή σκωρία, επίσης γνωστή ως Fe2O3 (οξείδιο του σιδήρου) . Καθώς η μπύρα ψύχθηκε, Al(OH) {αλουμίνα ή επίσης γνωστό ως υδροξείδιο αλουμινίου} καταβυθίστηκε και το πυριτικό άλας παρέμεινε στο διάλυμα.

Προετοιμασία αλουμίνας και φυσικές εμφανίσεις

Τα σωματίδια αλουμίνας διαχωρίζονται με θέρμανση ή φρύξη του Al(OH)3 στους 1100 °C περίπου. Ο καθαρός βωξίτης έχει την εμφάνιση οξειδίου του αλουμινίου ως επιτραπέζιο αλάτι που μοιάζει με λευκό σκόνη ή κρυσταλλική ζάχαρη.

Το οξείδιο του αλουμινίου χρησιμοποιείται σε ορισμένους τύπους φωτισμού, όπως οι λαμπτήρες ατμών νατρίου, και η αναπτυσσόμενη βιομηχανία νανοτεχνολογίας το χρησιμοποιεί ως ηλεκτρικό αγωγό σε μικροσκοπικά κυκλώματα. Το οξείδιο του αργιλίου μπορεί να παραχθεί σε νήματα τόσο λεπτά όσο τα ανθρώπινα μαλλιά, καθιστώντας το κατάλληλο για διήθηση DNA. Οδηγοί καλωδίων, σφραγίδες μηχανημάτων, συσκευές μέτρησης και ηλεκτρικοί μονωτές υψηλής θερμοκρασίας είναι μερικά μόνο παραδείγματα.

Το οξείδιο του αλουμινίου είναι ένα άοσμο υλικό σε λευκή σκόνη. Αν και δεν είναι τοξικό, η αερομεταφερόμενη σκόνη οξειδίου του αλουμινίου μπορεί να αποτελέσει βιομηχανικό κίνδυνο, επομένως, η παρατεταμένη έκθεση είναι καλύτερο να αποφεύγεται φορώντας μάσκα. Το οξείδιο του αλουμινίου είναι εξαιρετικά βαρύ. ένας κύβος οξειδίου του αλουμινίου με μήκος πλευράς 1 μέτρο ζυγίζει περίπου 7.200 λίβρες.

Το οξείδιο του αλουμινίου μπορεί να χυτευθεί ή να κατασκευαστεί σε στιβαρά, ανθεκτικά στη φθορά υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια σειρά βιομηχανικών εφαρμογών.

Ταξινόμηση της δομής της αλουμίνας

Η μετάβαση Al2O3 λαμβάνεται με θερμική αποσύνθεση του Al-O-OH (Το Al συνδέεται διπλά με ένα άτομο οξυγόνου και συνδέεται μεμονωμένα με ένα άτομο ΟΗ) . Ο Βοημίτης έχει πολύπλοκη δομή και είναι ακόμα σε μεγάλο βαθμό άγνωστος. Οι δύο κύριοι τύποι περιγράφονται λεπτομερώς στη δομή και παίρνουμε επίσης τη διαμορφωτική τους δύναμη.

Οι συγκρίσεις με τις σχετικές μεταβάσεις Al2O3 δείχνουν πώς η διασπορά ενέργειας οδηγεί σε δομικές διαταραχές και πολύπλοκες προσφύσεις μεταξύ ορισμένων μεταβάσεων Al2O3. Τα αποτελέσματα έχουν μια σημαντική κατανόηση των θερμοδυναμικά σταθερών ενώσεων.

Προηγμένη ταξινόμηση της δομής της αλουμίνας

Οι μεταβάσεις Al2O3 προκαλούνται γενικά από τη μετάβαση του πλέγματος υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση και την τοποθέτηση του κρυσταλλικού πλέγματος. Εξαρτάται επίσης από το μέγεθος των σωματιδίων και τη θερμοδυναμική της χρησιμοποιούμενης αλουμίνας.

Έτσι, παρακάτω είναι οι τύποι των διαφορετικών δομών αλουμίνας που ανακαλύφθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες με λεπτομερή ανάλυση:-

• Βοημίτης:

Τα χαρακτηριστικά των μεταβατικών αργιλικών είναι ιδιαίτερα δύσκολα λόγω των παρόμοιων μοτίβων περίθλασης, της χαμηλής κρυσταλλικότητας και του μικρού μεγέθους σωματιδίων τους. Το αρχικό υλικό για τη μετάπτωση της αλουμίνας είναι ο βοημίτης (Al-O-OH), ένα υδροξείδιο που περιέχει ένα υποτμήμα κυβικών ανιόντων (ccp) O2-. Κατά τη θέρμανση, μερικά (αλλά όχι όλα) άτομα υδρογόνου μεταναστεύουν έξω από τη δομή με τη μορφή νερού. Αυτή η αφυδάτωση αφήνει τρύπες στο κρυσταλλικό πλέγμα που καταλαμβάνονται από κατιόντα αλουμινίου.

Η γ-αλουμίνα είναι η λιγότερο θερμοδυναμικά σταθερή μορφή αλουμίνας, καθιστώντας την άβολη για όσους επιθυμούν να χρησιμοποιήσουν το υλικό σε υψηλές θερμοκρασίες. Η δομή που σχηματίστηκε είναι πιθανότατα αποτέλεσμα των «νέων» τετραεδρικών συνθηκών που προκύπτουν από την αφυδάτωση του Βοημίτη. Επί του παρόντος δεν υπάρχει συναίνεση σχετικά με τη σύνθεση των άλλων δύο μορφών αλουμίνας που αναφέρεται πιο συχνά.

• Δομή που μοιάζει με σπονδυλική στήλη:

Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2000, η ​​γ-αλουμίνα αναφέρθηκε σταθερά ότι είχε δομή πλέγματος που μοιάζει με κυβικό σπινέλιο παρόμοιο με το Fe2O3 (οξείδιο του σιδήρου). Το σπινέλιο αναφέρεται επίσημα ως AB2X4, το ανιόν Χ σχηματίζει το ccp (κυβικό κλειστό πακέτο) δίκτυο και τα κατιόντα Α και Β καταλαμβάνουν το καθένα ενδιάμεσες θέσεις δικτύου. Υπάρχουν αμφιλεγόμενες ενδείξεις ότι το Al μπορεί να καταλαμβάνει θέσεις εκτός σπινελίου στο κρυσταλλικό πλέγμα.

Η θεωρητική έρευνα υποστηρίζει την ενεργειακή προτεραιότητα αλουμίνας για τετραεδρικές τοποθεσίες. Μια σειρά DFT (συναρτησιακή θεωρία πυκνότητας) Πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί συνολικής ενέργειας για να δείξουν ότι η κυψέλη κυβικής μονάδας σπινελίου χαμηλής ενέργειας (a =7.887 Å) έχει δύο VSS (Volatile Suspended Solids) χωρίζονται στο μέγιστο.

Αν και έχει χρησιμοποιηθεί σε θεωρητικές μελέτες, μπορεί να υπεραπλοποιηθεί στην εξήγηση του εσωτερικού σχήματος της γ-αλουμίνας. Ένα μοναδικό σπινελικό κύτταρο, όπως το μονοκλινικό σύστημα, έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ως ογκώδης δομή για ορισμένες μεταγενέστερες θεωρητικές μελέτες. Οι τοποθεσίες VSS παρουσιάζουν σημαντική θερμική ενεργοποίηση λόγω του μεγάλου ενεργειακού φραγμού στην κίνηση των κενών θέσεων.

• Δομή Υδρογονωμένου Σπινελίου:

Πολυάριθμες πειραματικές και θεωρητικές μελέτες υποστηρίζουν την ύπαρξη ενδιάμεσων ατόμων υδρογόνου σε δομές γ-αλουμίνας. Τα άτομα υδρογόνου είναι κινητά και μπορούν να κινούνται μεταξύ των θέσεων του πλέγματος μεταλλικού οξειδίου. Μετά την απομάκρυνση του υδρογόνου από τη δομή, τα κατιόντα Al μπορούν να πάρουν τη θέση τους, με αποτέλεσμα μια όλο και πιο διατεταγμένη και θερμοδυναμικά σταθερή δομή.

Συμπέρασμα

Ορισμένες επικρίσεις για τη δομή του υδρογονωμένου σπινελίου του Al2O3 φαίνεται να είναι αυστηρά σημασιολογικές. Είναι γνωστό ότι διαφορετικά οξείδια μετάλλων υπάρχουν σε διαφορετικά επίπεδα υδρογόνου αφού τα ελαττώματα μπορούν να λειτουργήσουν ως παγίδες υδρογόνου. Αυτός είναι γενικά ένας κοντόφθαλμος ισχυρισμός, καθώς η ουσία ονομαζόταν «αλουμίνα» πριν από μερικά χρόνια, όταν θεωρήθηκε ότι η δομή περιείχε υδρογόνο.

Η αλουμίνα βρίσκεται σε πολλές διαφορετικές σταθερές φάσεις, όπως η κυβική φάση, η εξαγωνική φάση, η ρομβική φάση, η μονοκλινική φάση και η όγδοη φάση, η φάση του παζλ. Είναι κρυσταλλικό και μπορεί να σχηματίσει μια σχεδόν εξαγωνική δομή και το κέντρο ενός οκτάγωνου. Μπορεί να είναι ρόμβος ή τετράγωνο και άλλα. Κάθε φάση έχει μια μοναδική κρυσταλλική δομή και ιδιότητες και είναι επίσης γνωστή ως φάση παζλ.