19. September 2023

Verständnis der verschiedenen Al2O3-Bindungstypen

Aluminiumoxid (Al2O3) ist das am häufigsten vorkommende Aluminiumoxid. Es wird oft Alpha-Aluminiumoxid (oder Korund in kristalliner Form) genannt und ist eine weiße, geruchlose körnige Substanz – etwas feiner als Speisesalz –, die aus Bauxiterz abgebaut wird. Obwohl Alpha-Aluminiumoxid nicht die einzige kristalline Form von Aluminiumoxid ist, ist es die häufigste.

Aufgrund seiner überlegenen Festigkeit, Härte, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit, seines hohen Schmelzpunkts und seiner Korrosionsbeständigkeit wird es häufig in der Industrie eingesetzt. Es kann mithilfe einer Mischung aus Verbindungs- und Formtechniken (einschließlich Gießen und Pressen) hergestellt und mithilfe einer Reihe von Zusatzstoffen und Komponenten moduliert werden.

Saint-Gobain High-Performance Ceramics & Refractories verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Entwicklung technischer Hochleistungskeramik. Al2O3 Technische Materialien eignen sich effektiv für die anspruchsvollsten industriellen Anwendungen.

Chemische Struktur von Al2O3

Alphakristallines Al2O3 weist eine hexagonale geschlossene Packungsstruktur (HCP) aus Al auf3+ und O2- Ionen. Jeder Al3+ Das Ion ist von sechs O umgeben2- Ionen. Das größere O2- Ionen besetzen oktaedrische Hohlräume, während das kleinere Al3+ Ionen besetzen tetraedrische Hohlräume, die insgesamt 74 % des Zwischenraums einnehmen, während der Rest leer bleibt.

Neben der hexagonalen α-Phase gibt es noch andere metastabile Phasen von Al2O3 umfassen die hexagonale χ-Phase, die kubischen η- und γ-Phasen und die orthorhombische κ-Phase.

Chemische Bindungsarten von Al2O3

Innerhalb eines Atoms sind Valenzelektronen – die sich in der äußeren (oder Valenz-)Schale befinden – für die Bildung energetisch stabiler Bindungen zwischen Atomen desselben oder eines anderen Elements verantwortlich. Es gibt zwei Grundtypen chemischer Bindungen (und einen dritten Hybridtyp), nämlich:

Kovalente Bindungen

Kovalente Bindungen werden zwischen zwei neutral geladenen Atomen gebildet, die sich eines oder mehrere ihrer Valenzelektronen teilen. Diese Bindungen werden überwiegend zwischen Nichtmetallen gebildet, obwohl sie auch zwischen Metallen und Nichtmetallen gebildet werden können. Wenn Atome vom gleichen Element sind, werden die Valenzelektronen gleichmäßig verteilt. Andernfalls werden Elektronen zum Element mit der höchsten Elektronegativität gezogen und bilden so polare kovalente Bindungen. Kovalente Verbindungen haben im Allgemeinen einen niedrigeren Schmelzpunkt als ionische Bindungen.

Ionische Bindungen

Bei der Ionenbindung werden die äußeren Valenzelektronen eines Atoms vollständig in die äußere Hülle eines benachbarten Atoms absorbiert. Dadurch entsteht ein Ladungsungleichgewicht, bei dem das empfangende Atom negativ geladen wird (Anion) und das Donoratom positiv geladen wird (Kation). Diese Art der Bindung tritt zwischen Metallen und Nichtmetallen auf, da Metalle in ihren Außenschalen nur wenige Elektronen haben und diese dazu neigen, diese an Nichtmetalle abzugeben, um eine Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Metallische Bindungen

Metallische Bindungen verhalten sich wie ein Hybrid aus kovalenten und ionischen Bindungen. Sie kommen nur zwischen metallischen Atomen vor. Diese Atome bilden Molekülorbitale, indem sie ihre Valenzelektronen teilen, ähnlich wie bei einer kovalenten Bindung. Der Unterschied besteht darin, dass jedes Atom seine Molekülorbitale mit jedem anderen Atom im Gitter teilt. Dies führt zu einer „Masse“ von Metallatomen (positive Atomkerne plus innere Elektronenhüllen) und einem „Meer“ von Valenzelektronen, die frei fließen und nicht mehr an ein bestimmtes Atom gebunden sind. Da diese Valenzelektronen jedoch innerhalb der gesamten Gitterstruktur verbleiben, bleiben Atomkerne als Atome bestehen und werden nicht zu positiv geladenen Ionen.

Eigenschaften von Al2O3

Aluminiumoxid ist eine ionische Verbindung, die aus einer elektrostatischen Bindung zwischen zwei Aluminiumatomen entsteht, die jeweils 3 Elektronen verloren haben (Al3+) und drei Sauerstoffatome, die jeweils 2 Elektronen aufgenommen haben (O2-). Die Stärke des Ionengitters ist eine Funktion der einzelnen Ionenladungen und ihrer Radien.

Mit abnehmenden Elektronegativitätsunterschieden wird die Bindung zunehmend kovalent und verläuft wie folgt: Von rein ionisch zu ionisch mit kovalentem Charakter, dann polarisiert kovalent und schließlich rein kovalent.

Je stärker die chemischen Bindungen sind, desto höher sind die Schmelzpunkte. Kovalente Substanzen, die sich wie Moleküle verhalten, haben einen niedrigen Schmelzpunkt. Strukturen mit doppelt geladenen Ionen – wie Al2O3 – weisen im Vergleich zu Strukturen aus einfach geladenen Ionen deutlich höhere Schmelzpunkte auf. Ionische Verbindungen haben:

  • Hohe Schmelzpunkte, die vom äußeren Luftdruck nicht beeinflusst werden und durch Zugabe von Verunreinigungen gesenkt werden können.
  • Hohe Siedepunkte.
  • Eine Kristallgitterstruktur.
  • Gute Isolationseigenschaften.

Al2O3 ist eine amphotere Verbindung, das heißt, sie wirkt sowohl als Base als auch als Säure. Es ist außerdem wasserunlöslich. Weitere Eigenschaften von Al2Zu O3 gehören:

  • Schmelzpunkt 2,072 °C
  • Siedepunkt 2,977 °C
  • Dichte zwischen 3.95 g/cm3 und 4.1 g/cm3
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit (35 W/mK)

Anwendungen von Al2O3

Al2O3 wird am häufigsten bei der Herstellung von Aluminiummetall verwendet – Im Jahr 2021 belief sich die Aluminiumoxidproduktion auf insgesamt 141 Millionen Tonnen. Da sich Aluminium mit Sauerstoff verbindet, entsteht eine dünne Aluminiumoxidschicht, die das Aluminium vor Korrosion schützt. Die Dicke dieser Schicht kann durch Eloxieren eingestellt werden. Zu den Hauptanwendungen von Aluminiumoxid gehören:

  • Technische Keramik: Aufgrund seiner überlegenen Festigkeit, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist Al2O3 wird bei der Gestaltung von Architektur- und Luft- und Raumfahrtstrukturen, Industrie- und Bearbeitungswerkzeugen, feuerfesten Auskleidungen, Hochtemperaturisolatoren, ballistischen Körperpanzerungen und mehr verwendet.
  • Bionische Implantate, einschließlich Herzschrittmacher, bionische Augen und Ohren.
  • Biotechnologisch hergestellte Hüftgelenke, Zahnteile und Gewebegerüste.
  • Kunststofffüllstoffe, Poliermittel und Schleifmittel.
  • Papier- und Textilherstellung, Lebensmittelverarbeitung und mehr.

Al2O3 Advanced Materials von Saint-Gobain

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