استخدامات أكسيد الألومنيوم في مختلف المجالات

أكسيد الألمنيوم واستخداماته المهمة في إنتاج معدن الألمنيوم، الذي يُستخدم في العديد من الصناعات، مثل الأقراص الصلبة للجلخ. فما هو أكسيد الألمنيوم؟ وما هي الخصائص المميزة له؟ في هذا المقال، سنقوم بكشف النقاب عن هذا المركب الكيميائي الهام.

تعريف أكسيد الألمنيوم

أكسيد الألمنيوم هو مركب ناتج عن اتحاد كل من الألمنيوم والأكسجين، حيث تكون صيغته الكيميائية (Al2O3).
عندما يتعرض الألمنيوم للهواء، لا يتعرض للصدأ كما تفعل العديد من المواد الأخرى، وينتج ذلك من تفاعله مع الأكسجين في الجو ليشكل طبقة رقيقة من أكسيد الألمنيوم.
أكسيد الألمنيوم لديه قدرة على إنتاج إلكترونات نظراً لأن الألمنيوم يأتي من مستوى الطاقة الأخير، وهذا يجعله معدناً ذا قابلية كهربائية منخفضة، كما يتحول إلى كاتيون.
بالإضافة إلى ذلك، الأكسجين كمادة غير معدنية يمتاز بسرعة كهربائية عالية، مما يجعله يقبل الإلكترونات في مستوى طاقته الأخير ويتحول إلى أنيون.
يمكن تعديل خصائص أكسيد الألمنيوم وزيادة سماكته من خلال عملية الأنودة.
يُعرف أيضاً بأسماء: الألومينا، الزفير، والألوكسيت، التي تُستخدم في مجالات علم المواد والتعدين والسيراميك.
في السابق، كان يتم إنتاج أكسيد الألمنيوم عبر عملية صناعية تُعرف بعملية “ديفيل”، أما الآن فإنه يُستخرج من خام البوكسيت عبر عملية تُعرف بعملية “باير”.
هناك ثلاثة أشكال من أكسيد الألمنيوم: ألفا، وبيتا، وجاما، تُعبر عن اختلافات في خصائصها الفيزيائية والكيميائية مما يتيح لها استخدامات متنوعة، وهذا يعود لاختلاف التكوين البلوري بينها.
يستخدم أكسيد الألمنيوم بشكل كبير في إنتاج معدن الألمنيوم الذي يُعتبر حيوياً في العديد من التطبيقات.
بفضل صلابته، يُستخدم كمواد كاشطة، وفيما يتعلق بنقطة انصهاره العالية، يتم استخدامه كمادة حرارية.
في السطور التالية، سوف نستكشف المزيد عن أكسيد الألمنيوم واستخداماته في الصناعة.

مصادر إنتاج أكسيد الألمنيوم

يعتبر خام البوكسيت هو المصدر الرئيسي لإنتاج أكسيد الألمنيوم.
الكورندم، الياقوت، والزفير هي الأشكال البلورية لهذا الأكسيد، إلا أن الكورندم هو الشكل الأكثر شيوعاً.
أستراليا والصين هما من أبرز الدول الرائدة في إنتاج أكسيد الألمنيوم، وفقاً للمسح الجيولوجي البريطاني في إبريل 2010.

خصائص أكسيد الألمنيوم

ينتج أكسيد الألمنيوم من خام البوكسيت بشكل عالي النقاء عبر عملية باير.
كثافته تبلغ 3.96 جرام/سم³ ووزنه الجزيئي حوالي 101.96 جرام/مول.
لا يتفاعل أكسيد الألمنيوم مع الماء إلا في وجود قاعدة قوية.
عند التفاعل مع الأحماض، يُظهر سلوكاً يشبه القواعد.
يعتبر أكسيد الألمنيوم أساسياً في صناعة معدن الألمنيوم.
تتميز الروابط بين الأيونات في أكسيد الألمنيوم بأنها قوية للغاية، مما يتيح له خصائص مناسبة للإدماج في تكوين مواد أخرى.
يتميز أكسيد الألمنيوم بعدم وجوده في شكله الأصلي مثل بعض المعادن كالفضة والذهب والنحاس.
لا يمكن دمج الألمنيوم مع عناصر أخرى، ولكن يمكن مزجه مع مكونات أكسيد الألمنيوم القادرة على مقاومة الخدش.
يستخرج خام البوكسيت نوعين من الألومينا: النوع الصفيحي الذي يتم الحصول عليه من خلال التكلس، والنوع المذاب الذي يتطلب عمليتين متتاليتين، الأولى صهر المادة والثانية تجميد سريع.
الألومينا المذابة أكثر كثافة من الألومينا الصفيحية، حيث تتخلص من الحديد والسليكون لتشكل مادة تعرف باسم “فروسليكون”.
الألومينا المتكلسة تستخدم لتعزيز الترابط في المواد الحرارية أثناء سير العمليات الصناعية.
تُستخدم الألومينا المذابة والصفيحية في تصنيع ركامات ثابتة تماماً.
يتم إنتاج مادة السيليكا وحبيبات الموليت شديدة النقاء من الألومينا المذابة.
رغم كون أكسيد الألمنيوم متذبذباً، إلا أنه لا يذوب في الماء ويذوب بصعوبة في الأحماض عند درجات حرارة مرتفعة.
يمكن إنتاج الياقوت والرمال الذهبية وأكسيد الألمنيوم من التكرير الكهربائي للبوكسيت.
تتميز مادة أكسيد الألمنيوم بمقاومتها للغازات باستثناء غاز الفلور الرطب، وبعض الكواشف ما عدا حمض الهيدروكلوريك وحمض الفوسفوريك.
عند استبدال أيونات الألمنيوم بأيونات أخرى مثل الكروم، يمكن الحصول على لون الياقوت، كما يمكن إنتاج ألوان أخرى كالأزرق والأرجواني.

استخدامات أكسيد الألمنيوم

يتم استخدامه كمادة مقاومة للحرارة بفضل نقطة انصهاره العالية، ويستخدم أيضاً كمادة متكلسة في صناعة السيراميك وكعامل نشط لتحفيز عمليات التجفيف.
أكسيد الألمنيوم المُستخرج من المعادن يُستخدم في مجموعة كبيرة من الصناعات.
تتحول النسبة الكبرى من هذه المادة إلى ألومينا معدنية، بينما تُستخدم النسبة المتبقية في منتجات أخرى متنوعة.
وبما أنه يمتص الرطوبة بسرعة، يُستخدم في امتصاص الماء من النفط والغاز.
يستخدم أكسيد الألمنيوم كعامل محفز لتحويل مواد إلى أخرى، كما هو الحال في عملية “كلوز” التي تُحول كبريتيد الهيدروجين إلى كبريت في محطات التكرير.
كما يُستخدم كمادة كاشطة في مصابيح الصوديوم عالية الضغط.
يُعتمد على الألومينا عالية النقاء من خلال الأكسدة أو خفض درجة الحرارة أو تغيير خصائصها ولونها عبر إضافة مواد مثل أكسيد الكروم أو أكسيد المنغنيز.
يُمكن استخدامه كعامل مجفف نظراً لقدراته الممتازة على امتصاص الماء.
يُستعمل أكسيد الألمنيوم في حماية الأكسدة للموصلات الكهربائية ومحطات الأنود في الخلايا الكهربية.
يستخدم في تصنيع قطع الأسنان في العيادات السنية، نظراً لصلابته ومرونته.
يعمل كعازل كهربائي في شمعات الاحتراق للسيارات التي تعمل بالبنزين.
يستخدم كمحفز في التفاعلات الكيميائية.
ويمكن استخدامه كعامل مؤكسد في التفاعلات الكيميائية التي تحدث تحت درجات حرارة مرتفعة، بسبب استقراره العالي.
يستخدم كمادة لزيادة الاحتكاك على السكك الحديدية عبر رشها في أنظمة الطوارئ للقطارات ذات السرعة العالية.
تستخدم بلورات الألومنيوم كركائز في عملية “epitaxy”.

أكسيد الألمنيوم ألفا

عند تسخين هيدروكسيد الألمنيوم عند درجات حرارة تتجاوز 1100 درجة مئوية، نحصل على أكسيد الألمنيوم ألفا وفقاً للمعادلة الكيميائية التالية: 2Al (OH)3 → Al2O3 + 3H2O.

يتخذ شكل بلورات صلبة بيضاء لا تذوب في الأحماض أو القواعد، ولا تتأثر بالرطوبة.
تصل درجة انصهاره إلى 2054 درجة مئوية، في حين تبلغ نقطة غليانه حوالي 2974 درجة مئوية.
عند تسخين النوع جاما إلى 1000 درجة مئوية، يتحول إلى النوع ألفا من أكسيد الألمنيوم.
يحتوي كل من خام البوكسيت والكورندم على أكسيد الألمنيوم ألفا.
تعود الخصائص المتعددة لأكسيد الألمنيوم ألفا واستخداماته المختلفة إلى قدرتها على تحمل درجات حرارة مرتفعة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في المعدات المعملية مثل البوائق.
يتسم أيضاً بصلابته العالية، حيث يحقق 9 درجات على مقياس موس، مما يجعله قادراً على خدش المعادن الأقل صلابة باستثناء الماس، الذي يُعتبر أكثر المعادن صلابة بدرجة 10، ويستخدم في تصنيع معدات صقل وتلميع المعادن.
تُستخدم مادة أكسيد الألمنيوم الكاشطة أيضاً في تصنيع أقراص صلبة للجلخ وطحن وتلميع المعادن وقطع المعادن.
تدخل هذه المادة في تصنيع العوازل الكهربائية وفي تبطين الأجهزة الكهربائية، مثل الأفران، نظراً لقدرتها الضعيفة على توصيل الكهرباء وكونها عازلة للحرارة.
عند إضافة الماء والسليكا إلى الألومينا ألفا، نحصل على صلصال أبيض يعرف باسم الكاولين، الذي يُستخدم في صناعة الخزف والدهانات والورق وغيرها من المنتجات.

أكسيد الألمنيوم جاما

يتحول هيدروكسيد الألمنيوم إلى أكسيد الألمنيوم جاما عند تسخينه عند درجة حرارة 400 درجة مئوية.
يختلف هذا المركب عن النوع ألفا بأنه يمكن أن يذوب في الأحماض والقواعد ويتأثر بالرطوبة.
يمتاز بصورة مسحوق أبيض ناعم، عالي الامتصاص، عديم الرائحة وغير سام.
يُستخدم في عمليات التجفيف وفي الكروماتوغرافيا ولإزالة ألوان السوائل.