Comprendre les différents types de liaisons Al2O3

L'Al2O3 cristallin alpha présente une structure hexagonale compacte (HCP) formée d'ions Al3+ et O2-. Chaque ion Al3+ est entouré de six ions O2-. Les ions O2- de plus grande taille occupent des vides octaédriques, tandis que les ions Al3+ plus petits occupent des vides tétraédriques, occupant au total 74 % de l'espace interstitiel, laissant le reste vide.

Outre la phase α hexagonale, les autres phases métastables de l'Al2O3 comprennent la phase χ hexagonale, les phases η et γ cubiques et la phase κ orthorhombique.

Au sein d'un atome, les électrons de valence, qui se trouvent dans la couche externe (ou couche de valence), sont responsables de la formation de liaisons énergétiquement stables entre les atomes d'un même élément ou d'éléments différents. Il existe deux types fondamentaux de liaisons chimiques (et un troisième type hybride), à savoir :

Les liaisons covalentes

Les liaisons covalentes se forment entre deux atomes de charge neutre, qui partagent un ou plusieurs de leurs électrons de valence. Ces liaisons se forment principalement entre des non-métaux, mais elles peuvent également se former entre des métaux et des non-métaux. Lorsque les atomes sont du même élément, les électrons de valence sont partagés de manière égale. Sinon, les électrons sont attirés vers l'élément ayant la plus forte électronégativité, formant ainsi des liaisons covalentes polaires. Les composés covalents ont généralement un point de fusion plus bas que les liaisons ioniques.

Liaisons ioniques

Dans la liaison ionique, les électrons de valence externes d'un atome sont complètement absorbés dans la couche externe d'un atome voisin. Cela crée un déséquilibre de charge, l'atome récepteur devenant chargé négativement (anion) et l'atome donneur devenant chargé positivement (cation). Ce type de liaison se produit entre les métaux et les non-métaux, car les métaux ont peu d'électrons dans leur couche externe et ont tendance à les perdre au profit des non-métaux afin d'atteindre une configuration de gaz noble.

Liaisons métalliques

Les liaisons métalliques se comportent comme un hybride entre les liaisons covalentes et ioniques. Elles ne se produisent qu'entre des atomes métalliques. Ces atomes forment des orbitales moléculaires en partageant leurs électrons de valence, comme dans les liaisons covalentes. La différence réside dans le fait que chaque atome partage ses orbitales moléculaires avec tous les autres atomes du réseau cristallin. Il en résulte un « amas » d'atomes métalliques (noyaux atomiques positifs plus couches électroniques internes) et une « mer » d'électrons de valence qui circulent librement et ne sont plus liés à un atome particulier. Cependant, comme ces électrons de valence restent dans la structure cristalline globale, les noyaux atomiques restent des atomes et ne deviennent pas des ions chargés positivement.

L'oxyde d'aluminium est un composé ionique formé à partir d'une liaison électrostatique entre deux atomes d'aluminium qui ont perdu chacun 3 électrons (Al3+) et trois atomes d'oxygène qui ont gagné chacun 2 électrons (O2-). La force du réseau ionique dépend des charges ioniques individuelles et de leurs rayons.

À mesure que les différences d'électronégativité diminuent, la liaison devient de plus en plus covalente, évoluant comme suit : De purement ionique à ionique avec caractère covalent, puis covalente polarisée, et enfin purement covalente.

Plus les liaisons chimiques sont fortes, plus les points de fusion sont élevés. Les substances covalentes, qui se comportent comme des molécules, ont un point de fusion bas. Les structures avec des ions à double charge, telles que l'Al2O3, ont des points de fusion nettement plus élevés que les structures avec des ions à charge unique. Les composés ioniques ont :

• Des points de fusion élevés, qui ne sont pas affectés par la pression atmosphérique externe et peuvent être abaissés par l'ajout d'impuretés.
• Des points d'ébullition élevés.
• Une structure cristalline.
• De bonnes caractéristiques d'isolation.

L'Al2O3 est un composé amphotère, ce qui signifie qu'il agit à la fois comme une base et comme un acide. Il est également insoluble dans l'eau. Parmi les autres propriétés de l'Al2O3, on peut citer :

• Point de fusion de 2 072 °C
• Point d'ébullition de 2 977 °C
• Densité comprise entre 3,95 g/cm3 et 4,1 g/cm3
• Conductivité thermique élevée (35 W/mK)

L'Al2O3 est principalement utilisé dans la production d'aluminium métallique. En 2021, la production d'alumine s'élevait à 141 millions de tonnes métriques. Lorsque l'aluminium se lie à l'oxygène, il crée une fine couche d'alumine qui le protège de la corrosion. L'épaisseur de cette couche peut être ajustée par anodisation. Les principales utilisations de l'alumine sont les suivantes :

• Céramiques techniques : en raison de sa résistance, de sa rigidité, de sa conductivité thermique et de sa résistance à la corrosion supérieures, l'Al2O3 est utilisé dans la conception de structures architecturales et aérospatiales, d'outils industriels et d'usinage, de revêtements réfractaires, d'isolants à haute température, de gilets pare-balles, etc.
• Implants bioniques, notamment pacemakers, yeux et oreilles bioniques.
• Prothèses de hanche, prothèses dentaires et échafaudages tissulaires issus de la bio-ingénierie.
• Charges plastiques, agents de polissage et abrasifs.
• Fabrication de papier et de textiles, transformation alimentaire, etc.

Fort d'une expertise considérable dans le domaine des céramiques techniques, Saint-Gobain High-Performance Ceramics & Refractories fabrique une gamme complète de matériaux techniques en Al2O3 destinés aux applications industrielles les plus exigeantes. Ces matériaux sont spécialement conçus pour répondre aux exigences techniques les plus élevées.