Die unterschiedlichen Al2O3-Bindungstypen

Alphakristallines Al₂O₃ weist eine hexagonale geschlossene Packungsstruktur (HCP) auf, die aus Al³⁺ - und O^2- -Ionen besteht. Jedes Al³⁺ -Ion ist von sechs O^2- -Ionen umgeben. Die größeren O^2- -Ionen besetzen oktaedrische Hohlräume, während die kleineren Al³⁺ -Ionen tetraedrische Hohlräume besetzen und insgesamt 74 % des Zwischenraums einnehmen, während der Rest leer bleibt.

Zu den weiteren metastabilen Phasen von Al₂O₃ gehören neben der hexagonalen α-Phase die hexagonale χ-Phase, die kubischen η- und γ-Phasen sowie die orthorhombische κ-Phase.

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.

Ionenbindungen

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.

Aluminiumoxid ist eine ionische Verbindung, die aus einer elektrostatischen Bindung zwischen zwei Aluminiumatomen, die jeweils 3 Elektronen verloren haben (Al³⁺), und drei Sauerstoffatomen, die jeweils 2 Elektronen gewonnen haben (O^2-), entsteht. 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 – haben deutlich höhere Schmelzpunkte als Strukturen mit einfach geladenen Ionen. 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, es wirkt sowohl als Base als auch als Säure. Es ist außerdem wasserunlöslich. Weitere Eigenschaften von Al₂O₃ sind:

• Schmelzpunkt 2.072 °C
• Siedepunkt 2.977 °C
• Dichte zwischen 3,95 g/cm³ und 4,1 g/cm³
• Hohe Wärmeleitfähigkeit (35 W/mK)

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 wird Al₂O₃ bei der Konstruktion von 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.

Saint-Gobain High-Performance Ceramics & Refractories verfügt über umfangreiches Fachwissen in der technischen Keramik und stellt ein umfangreiches Sortiment an Al₂O₃ -Keramikartikeln für die anspruchsvollsten industriellen Anwendungen her. Diese Materialien sind in hohem Maße auf die Erfüllung anspruchsvoller technischer Anforderungen zugeschnitten.