Oxid hlinitý

Šablona:Infobox - chemická sloučenina ```

``` Oxid hlinitý (chemický vzorec Al₂O₃) je anorganická chemická sloučenina hliníku a kyslíku. V průmyslu je běžně známý pod názvem alumina. Jedná se o bílou, krystalickou látku, která je chemicky velmi stálá, mimořádně tvrdá a má vysokou teplotu tání. Díky těmto vlastnostem nachází široké uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích, od výroby hliníku přes brusné materiály až po pokročilou keramiku a drahé kameny.

V přírodě se vyskytuje v krystalické podobě jako minerál korund. Jeho ceněné odrůdy, zbarvené příměsemi jiných prvků, jsou známé jako drahokamy – červený rubín a modrý (i jinak zbarvený) safír. Oxid hlinitý je hlavní složkou bauxitu, nejdůležitější rudy pro výrobu hliníku. ```

```

💎 Vlastnosti

Oxid hlinitý se vyznačuje kombinací vlastností, které z něj činí jeden z nejdůležitějších technických materiálů.

Fyzikální vlastnosti

• Tvrdost: Krystalická forma oxidu hlinitého (korund) dosahuje na Mohsově stupnici hodnoty 9. Je to třetí nejtvrdší přírodní minerál po diamantu (10) a moissanitu (9,5). Tato vlastnost jej předurčuje pro výrobu brusných materiálů (abraziv) a komponent odolných proti opotřebení.
• Teplotní odolnost: Má velmi vysokou teplotu tání (2072 °C) a varu (2977 °C), což z něj činí vynikající žáruvzdorný materiál.
• Elektrická izolace: Je vynikajícím elektrickým izolantem i při vysokých teplotách. Používá se jako substrát pro integrované obvody a jako izolátor v zapalovacích svíčkách.
• Tepelná vodivost: Na keramický materiál má relativně dobrou tepelnou vodivost (přibližně 30 W/(m·K)), což je výhodné pro aplikace, kde je potřeba odvádět teplo, ale zároveň zachovat elektrickou izolaci.
• Polymorfismus: Existuje v několika krystalických modifikacích (polymorfech). Nejběžnější a nejstabilnější je trigonální α-Al₂O₃ (korund). Další významnou formou je kubický γ-Al₂O₃, který je méně stabilní a využívá se především v katalýze.

Chemické vlastnosti

• Chemická stálost: Oxid hlinitý je mimořádně inertní a odolává korozi a působení většiny chemikálií, včetně silných kyselin za běžných teplot.
• Amfoterní charakter: Ačkoliv je velmi málo reaktivní, projevuje amfoterní vlastnosti. To znamená, že je schopen reagovat jak se silnými kyselinami (např. s horkou koncentrovanou kyselinou sírovou), tak se silnými zásadami (např. s hydroxidem sodným za vzniku hlinitanů).

Reakce s kyselinou: $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ Reakce se zásadou: $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{[}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}\mathrm{]}$

• Nerozpustnost: Ve vodě je prakticky nerozpustný.

```

```

🌍 Výskyt v přírodě

Oxid hlinitý je hojně rozšířen v zemské kůře. Jeho hlavním zdrojem je hornina bauxit, která je směsí hydratovaných oxidů hliníku, oxidů železa a dalších nečistot. Bauxit se těží v povrchových dolech především v tropických a subtropických oblastech, jako je , , a .

V čisté krystalické formě se vyskytuje jako minerál korund. Ten je obvykle bezbarvý, ale stopové příměsi jiných kovových iontů mu dodávají charakteristické zbarvení, čímž vznikají ceněné drahokamy:

• Rubín: Červená odrůda, jejíž barva je způsobena příměsí chromu.
• Safír: Nejznámější je modrá odrůda zbarvená příměsí železa a titanu. Safíry však mohou mít i mnoho jiných barev (žlutá, zelená, růžová, fialová), které jsou způsobeny jinými kombinacemi příměsí. Bezbarvý safír se nazývá leukosafír.

```

```

🏭 Průmyslová výroba

Pro průmyslové využití se oxid hlinitý získává téměř výhradně z bauxitu pomocí tzv. Bayerova procesu, který byl vyvinut v roce 1887. Tento proces je klíčový pro výrobu hliníku a probíhá ve čtyřech hlavních krocích:

1. Loužení (Digesce): Rozemletý bauxit se smíchá s horkým koncentrovaným roztokem hydroxidu sodného (NaOH) pod vysokým tlakem. Oxid hlinitý se rozpustí za vzniku roztoku hlinitanu sodného (Na[Al(OH)₄]), zatímco většina nečistot, zejména oxidy železa, zůstane nerozpuštěna. 2. Čištění (Filtrace): Horká směs se filtruje, aby se oddělil nerozpustný zbytek, známý jako červené bahno. Tento odpadní produkt představuje významnou ekologickou zátěž kvůli své vysoké zásaditosti a velkému objemu. 3. Vysrážení (Precipitace): Horký roztok hlinitanu sodného se ochladí a "očkuje" se krystalky čistého hydroxidu hlinitého (Al(OH)₃). To vyvolá krystalizaci a vysrážení pevného hydroxidu hlinitého z roztoku. 4. Kalcinace: Získaný hydroxid hlinitý se promývá a následně zahřívá (kalcinuje) v rotačních pecích na teplotu přes 1000 °C. Během tohoto procesu se z hydroxidu odštěpí voda a vznikne čistý, bezvodý oxid hlinitý (Al₂O₃) ve formě bílého prášku – alumina. $\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{3}}\stackrel{>1000^{\circ }C}{\to }\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Takto vyrobená alumina je výchozí surovinou pro výrobu kovového hliníku. ```

```

⚙️ Využití

Díky svým unikátním vlastnostem má oxid hlinitý mimořádně široké spektrum použití.

Výroba hliníku

Přibližně 90 % veškeré světové produkce oxidu hlinitého se používá jako surovina pro výrobu kovového hliníku. Tento proces probíhá elektrolýzou v tzv. Hall-Héroultově procesu. Alumina se rozpustí v roztaveném kryolitu (Na₃AlF₆), který snižuje teplotu tání směsi na přibližně 950 °C. Následně se směsí propouští silný elektrický proud, který redukuje oxid hlinitý na čistý tekutý hliník.

Abraziva a řezné nástroje

Díky své extrémní tvrdosti se syntetický korund používá jako brusný materiál (abrazivum). Je součástí brusných kotoučů, brusných papírů, lešticích past a používá se také při pískování. Z keramiky na bázi Al₂O₃ se vyrábějí také řezné destičky pro obrábění kovů.

Technická a žáruvzdorná keramika

Z oxidu hlinitého se vyrábí pokročilá technická keramika pro součástky, které musí odolávat vysokým teplotám, opotřebení nebo elektrickému napětí. Typické aplikace zahrnují:

• Izolátory pro zapalovací svíčky.
• Substráty pro elektronické obvody.
• Tělesa ventilů a těsnění.
• Pancéřové desky pro neprůstřelné vesty a vozidla.
• Žáruvzdorné vyzdívky pecí a kelímky pro tavení kovů.

Drahé kameny a lasery

Synteticky vyráběné krystaly rubínu a safíru se používají nejen v klenotnictví, ale i v technice. Syntetický rubín byl použit v prvním funkčním laseru na světě (Maimanův laser, 1960). Safírová sklíčka se díky své odolnosti proti poškrábání používají pro luxusní hodinky, optické přístroje a displeje mobilních telefonů.

Medicína

Oxid hlinitý je biokompatibilní, což znamená, že je dobře snášen lidským tělem. Používá se pro výrobu:

• Kloubních náhrad (zejména hlavice kyčelního kloubu).
• Zubních implantátů a korunek.
• Laboratorního vybavení.

Katalýza

Zejména γ-Al₂O₃ se díky svému velkému povrchu používá jako nosič pro katalyzátory v chemickém průmyslu, například při odstraňování síry z ropných produktů (Clausův proces) nebo v automobilových katalyzátorech. ```

```

🔬 Formy a modifikace

Oxid hlinitý je polymorfní, což znamená, že může existovat v několika různých krystalových strukturách. Každá modifikace má mírně odlišné vlastnosti.

• Alfa-oxid hlinitý (α-Al₂O₃): Známý jako korund. Je to termodynamicky nejstabilnější forma. Má trigonální (klencovou) krystalovou strukturu, ve které jsou atomy kyslíku uspořádány v hexagonálně těsném uspořádání a ionty hliníku zaplňují dvě třetiny oktaedrických mezer. Tato struktura je zodpovědná za jeho velkou tvrdost a chemickou odolnost. Vzniká kalcinací při teplotách nad 1000 °C.

• Gama-oxid hlinitý (γ-Al₂O₃): Je to metastabilní forma s kubickou krystalovou strukturou. Vzniká při nižších teplotách kalcinace (kolem 400–500 °C) z hydroxidu hlinitého. Má velký specifický povrch a porézní strukturu, což z něj činí ideální materiál pro nosiče katalyzátorů a adsorbentů. Při zahřátí nad cca 800 °C se nevratně přeměňuje na stabilní α-formu.

• Další přechodné formy: Mezi γ- a α-fází existuje celá řada dalších metastabilních modifikací (např. δ, θ, η), které vznikají při postupném zvyšování teploty.

```

```

🧑‍🔬 Pro laiky: Co je oxid hlinitý?

Představte si oxid hlinitý jako univerzální materiál s několika tvářemi, od běžného bílého prášku až po nejkrásnější drahokamy.

• Chemický tvrďák: Je to jedna z nejodolnějších sloučenin. Nerezaví, nerozpouští se ve vodě a odolává většině kyselin. Proto se z něj vyrábějí součástky, které musí vydržet extrémní podmínky, například v motorech nebo pecích.

• Brusný papír přírody: Jeho krystalická forma, korund, je tak tvrdá, že ji dokáže poškrábat prakticky jen diamant. Proto se uměle vyrobený korund používá na vše, co potřebuje brousit nebo řezat – od brusných kotoučů v dílně až po lešticí pasty.

• Zdroj všeho hliníku: Každý kus hliníku, ať už je to alobal, plechovka od nápoje nebo rám jízdního kola, začal svůj život jako oxid hlinitý. Tento bílý prášek (alumina) je hlavní surovinou, ze které se pomocí obrovského množství elektřiny "vytaví" kovový hliník.

• Chameleon mezi drahokamy: V naprosto čisté formě je korund bezbarvý. Když se do jeho krystalové mřížky dostane nepatrná příměs chromu, zbarví se do sytě červené a vznikne rubín. Pokud se do něj dostane trocha železa a titanu, zmodrá a máme safír. V podstatě je to tedy stále ten samý materiál, jen s jiným "kořením", které mu dává barvu.

```

```

⚠️ Bezpečnost a rizika

Samotný oxid hlinitý je považován za netoxický, chemicky inertní a pro člověka relativně bezpečný materiál. Při manipulaci s ním ve formě jemného prášku však může dojít k mechanickému podráždění očí a dýchacích cest. Dlouhodobé vdechování prachu může vést k plicním onemocněním, proto je při práci s ním nutné používat ochranné pomůcky, jako jsou respirátory.

Největší environmentální riziko spojené s oxidem hlinitým se týká jeho výroby. Vedlejší produkt Bayerova procesu, tzv. červené bahno, je vysoce zásaditá (alkalická) směs obsahující oxidy železa a další nerozpuštěné zbytky z bauxitu. Skladování a likvidace obrovského množství tohoto odpadu představuje vážný ekologický problém. Protržení hráze odkaliště s červeným bahnem, jako se stalo v roce 2010 v Maďarsku (viz Protržení hráze odkaliště u Ajky), může způsobit rozsáhlou ekologickou katastrofu. ```

```

Šablona:Aktualizováno ```