El óxido de aluminio ( o óxido de aluminio(III) ) es un compuesto químico de aluminio y oxígeno con la fórmula química Al₂O₃ . Es el más común de los óxidos de aluminio y se identifica específicamente como óxido de aluminio . Se le suele llamar alúmina y también puede denominarse alóxido , aloxita , ALOX o alundum en diversas formas y aplicaciones. La alúmina se refina a partir de la bauxita . [ 7 ] Se presenta de forma natural en su fase polimórfica cristalina α-Al₂O₃ como el mineral corindón , cuyas variedades forman las piedras preciosas rubí y zafiro , que tienen un contenido de alúmina cercano al 100%. [ 7 ] El Al₂O₃ se utiliza como materia prima para producir aluminio metálico, como abrasivo debido a su dureza y como material refractario debido a su alto punto de fusión. [ 8 ]
fenómeno natural
El corindón es la forma cristalina natural más común del óxido de aluminio. [ 9 ] Los rubíes y los zafiros son formas de corindón de calidad gema, cuyos colores característicos se deben a impurezas traza. Los rubíes obtienen su característico color rojo intenso y sus propiedades láser gracias a trazas de cromo . Los zafiros presentan diferentes colores debido a diversas impurezas, como el hierro y el titanio. Una forma delta extremadamente rara se presenta como el mineral deltalumita. [ 10 ] [ 11 ] Aunque el aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre, debe extraerse de la bauxita en forma de alúmina para producir aluminio metálico. [ 7 ]
Historia
El campo de la cerámica de óxido de aluminio tiene una larga historia. Las sales de aluminio se usaban ampliamente en la alquimia antigua y medieval . Varios libros de texto antiguos cubren la historia de este campo. [ 12 ] [ 13 ]
Propiedades
El Al₂O₃ es un aislante eléctrico, pero posee una conductividad térmica relativamente alta ( 30 Wm⁻¹K⁻¹ ) [ 4 ] para un material cerámico. El óxido de aluminio es insoluble en agua. En su forma cristalina más común, denominada corindón u óxido de aluminio α, su dureza lo hace adecuado para su uso como abrasivo y como componente en herramientas de corte . [ 8 ]
El óxido de aluminio es responsable de la resistencia del aluminio metálico a la intemperie . El aluminio metálico es muy reactivo con el oxígeno atmosférico, y una fina capa de pasivación de óxido de aluminio (~5 nm de espesor) se forma casi instantáneamente en cualquier superficie de aluminio expuesta. [ 14 ] Esta capa protege el metal de una mayor oxidación. El espesor y las propiedades de esta capa de óxido se pueden mejorar utilizando un proceso llamado anodizado . Varias aleaciones , como los bronces de aluminio , aprovechan esta propiedad al incluir una proporción de aluminio en la aleación para mejorar la resistencia a la corrosión. El óxido de aluminio generado por el anodizado es típicamente amorfo , pero los procesos de oxidación asistida por descarga, como la oxidación electrolítica por plasma, dan como resultado una proporción significativa de óxido de aluminio cristalino en el recubrimiento, mejorando su dureza .
El óxido de aluminio fue retirado de las listas de sustancias químicas de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en 1988. El óxido de aluminio figura en la lista del Inventario de Liberación de Tóxicos de la EPA si se presenta en forma fibrosa. [ 15 ]
Naturaleza anfótera
El óxido de aluminio es una sustancia anfótera , lo que significa que puede reaccionar tanto con ácidos como con bases , como el ácido fluorhídrico y el hidróxido de sodio , actuando como un ácido con una base y una base con un ácido, neutralizando al otro y produciendo una sal.
- Al₂O₃ + 6 HF → 2 AlF₃ + 3 H₂O
- Al 2 O 3 + 2 NaOH + 3 H 2 O → 2 NaAl(OH) 4 ( aluminato de sodio )
Estructura

La forma más común de óxido de aluminio cristalino se conoce como corindón , que es la forma termodinámicamente estable. [ 16 ] Los iones de oxígeno forman una estructura compacta casi hexagonal con los iones de aluminio llenando dos tercios de los intersticios octaédricos. Cada centro Al 3+ es octaédrico . En términos de su cristalografía , el corindón adopta una red de Bravais trigonal con un grupo espacial R 3 c (número 167 en las Tablas Internacionales). La celda primitiva contiene dos unidades de fórmula de óxido de aluminio.
El óxido de aluminio también existe en otras fases metaestables, incluidas las fases cúbicas γ y η, las fases monoclínicas λ, θ, θ' y θ ″ , la fase hexagonal χ, la fase ortorrómbica κ, la fase ortorrómbica δ y la fase tetragonal δ'. [ 16 ] [ 17 ] Cada una tiene una estructura cristalina y propiedades únicas. El γ- Al₂O₃ cúbico tiene importantes aplicaciones técnicas. El llamado β- Al₂O₃ resultó ser NaAl₁₁O₁₇ . [ 18 ]
El óxido de aluminio fundido cerca de la temperatura de fusión es aproximadamente 2/3 tetraédrico (es decir, 2/3 del Al están rodeados por 4 vecinos de oxígeno) y 1/3 5-coordinado, con muy poco (<5%) de Al-O octaédrico presente. [ 19 ] Alrededor del 80% de los átomos de oxígeno se comparten entre tres o más poliedros Al-O, y la mayoría de las conexiones interpoliédricas son de vértice compartido, mientras que el 10-20% restante son de arista compartida. [ 19 ] La ruptura de los octaedros al fundirse está acompañada de un aumento de volumen relativamente grande (~33%), la densidad del líquido cerca de su punto de fusión es 2,93 g/cm 3 . [ 20 ] La estructura de la alúmina fundida depende de la temperatura y la fracción de aluminio de 5 y 6 veces aumenta durante el enfriamiento (y el subenfriamiento), a expensas de las unidades tetraédricas de AlO 4 , aproximándose a las disposiciones estructurales locales que se encuentran en la alúmina amorfa. [ 21 ]
Producción
Los minerales de hidróxido de aluminio son el componente principal de la bauxita , el principal mineral de aluminio . Una mezcla de minerales comprende el mineral de bauxita, que incluye gibbsita (Al(OH) ₃ ), boehmita (γ-AlO(OH)) y diásporo (α-AlO(OH)), junto con impurezas de óxidos e hidróxidos de hierro , cuarzo y minerales arcillosos . [ 22 ] Las bauxitas se encuentran en lateritas . La bauxita se purifica típicamente mediante el proceso Bayer :
- Al 2 O 3 + H 2 O + NaOH → NaAl(OH) 4
- Al(OH) 3 + NaOH → NaAl(OH) 4
Excepto el SiO₂ , los demás componentes de la bauxita no se disuelven en base. Al filtrar la mezcla básica, se elimina el Fe₂O₃ . Al enfriar el licor de Bayer, precipita el Al(OH) ₃ , dejando los silicatos en solución.
- NaAl(OH) 4 → NaOH + Al(OH) 3
Luego, la gibbsita sólida Al(OH) 3 se calcina (se calienta a más de 1100 °C) para obtener óxido de aluminio: [ 8 ]
- 2 Al ( OH ) 3 → Al2O3 + 3H2O
El óxido de aluminio resultante tiende a ser multifásico, es decir, compuesto por varias fases de óxido de aluminio en lugar de únicamente corindón . [ 17 ] Por lo tanto, el proceso de producción puede optimizarse para obtener un producto a medida. El tipo de fases presentes afecta, por ejemplo, la solubilidad y la estructura porosa del óxido de aluminio, lo que, a su vez, influye en el coste de producción del aluminio y en el control de la contaminación. [ 17 ]
Proceso de sinterización
El proceso de sinterización es un método de alta temperatura que se utiliza principalmente cuando el proceso Bayer no es adecuado, especialmente para minerales con alto contenido de sílice o cuando se requiere una morfología del producto más controlada. [ 23 ] En primer lugar, la bauxita se mezcla con aditivos como caliza y carbonato de sodio, y luego se calienta la mezcla a altas temperaturas (1200 °C a 1500 °C) para formar aluminato de sodio y silicato de calcio . [ 24 ] Después de la sinterización, el material se lixivia con agua para disolver el aluminato de sodio , dejando atrás las impurezas. Luego, el aluminato de sodio se precipita de la solución y se calcina a alrededor de 1000 °C para producir alúmina. [ 25 ] Este método es útil para la producción de formas complejas y se puede utilizar para crear materiales porosos o densos. [ 26 ]
Aplicaciones
Conocido como alfa alúmina en ciencia de materiales , y como alundum (en forma fundida) o aloxita [ 27 ] en las comunidades mineras y cerámicas , el óxido de aluminio tiene un amplio uso. La producción mundial anual de óxido de aluminio en 2015 fue de aproximadamente 115 millones de toneladas , de las cuales más del 90% se utilizó en la fabricación de aluminio metálico. [ 8 ] Los principales usos de los óxidos de aluminio especiales son en refractarios, cerámica, pulido y aplicaciones abrasivas. Grandes cantidades de hidróxido de aluminio, del cual se deriva la alúmina, se utilizan en la fabricación de zeolitas , recubrimiento de pigmentos de dióxido de titanio y como retardante de fuego/supresor de humo.
Más del 90 % del óxido de aluminio, denominado alúmina de grado de fundición (SGA), se consume en la producción de aluminio, generalmente mediante el proceso Hall-Héroult . El resto, denominado alúmina especial , se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones que aprovechan su inercia, resistencia a la temperatura y resistencia eléctrica. [ 28 ]
Rellenos
Debido a su relativa inercia química y su color blanco, el óxido de aluminio se utiliza comúnmente como relleno para plásticos. Es un ingrediente habitual en los protectores solares [ 29 ] y también suele estar presente en cosméticos como el colorete, el pintalabios y el esmalte de uñas [ 30 ] .
Vaso
Muchas formulaciones de vidrio tienen óxido de aluminio como ingrediente. [ 31 ] El vidrio de aluminosilicato es un tipo de vidrio de uso común que a menudo contiene entre un 5 % y un 10 % de alúmina.
Catálisis
El óxido de aluminio cataliza diversas reacciones de utilidad industrial. En su aplicación a mayor escala, el óxido de aluminio actúa como catalizador en el proceso Claus para la conversión de gases residuales de sulfuro de hidrógeno en azufre elemental en refinerías. También resulta útil para la deshidratación de alcoholes a alquenos .
El óxido de aluminio sirve como soporte catalítico para muchos catalizadores industriales, como los utilizados en la hidrodesulfuración y algunas polimerizaciones de Ziegler-Natta .
purificación de gases
El óxido de aluminio se utiliza ampliamente para eliminar el agua de las corrientes de gas. [ 32 ]
Abrasión
El óxido de aluminio se utiliza por su dureza y resistencia. Su forma natural, el corindón , tiene una dureza de 9 en la escala de Mohs (justo por debajo del diamante). Se utiliza ampliamente como abrasivo , incluso como un sustituto mucho más económico del diamante industrial . Muchos tipos de papel de lija utilizan cristales de óxido de aluminio. Además, su baja retención de calor y su bajo calor específico hacen que se utilice ampliamente en operaciones de rectificado, especialmente en herramientas de corte . Como mineral abrasivo en polvo, la aloxita , es un componente principal, junto con la sílice , de la tiza para tacos de billar . El polvo de óxido de aluminio se utiliza en algunos kits de pulido y reparación de arañazos para CD / DVD . Sus propiedades pulidoras también explican su uso en pastas dentales. Asimismo, se utiliza en microdermoabrasión , tanto en el proceso mecánico disponible a través de dermatólogos y esteticistas, como abrasivo dérmico manual siguiendo las instrucciones del fabricante.
Pintar
Las escamas de óxido de aluminio se utilizan en pinturas para lograr efectos decorativos reflectantes, como en las industrias automotriz o cosmética. [ 33 ]
Aplicaciones biomédicas
El óxido de aluminio es un representante de las cerámicas bioinertes. [ 34 ] Debido a su excelente biocompatibilidad, alta resistencia y resistencia al desgaste, las cerámicas de alúmina se utilizan en aplicaciones médicas para fabricar huesos y articulaciones artificiales. [ 35 ] En este caso, el óxido de aluminio se utiliza para recubrir las superficies de los implantes médicos para brindar biocompatibilidad y resistencia a la corrosión. [ 36 ] También se utiliza para la fabricación de implantes dentales, reemplazos articulares y otros dispositivos médicos. [ 37 ]
Fibra compuesta
El óxido de aluminio se ha utilizado en algunos materiales de fibra experimentales y comerciales para aplicaciones de alto rendimiento (por ejemplo, Fiber FP, Nextel 610, Nextel 720). [ 38 ] Las nanofibras de alúmina en particular se han convertido en un campo de investigación de interés.
Armadura
Algunos chalecos antibalas utilizan placas de cerámica de alúmina, generalmente en combinación con un refuerzo de aramida o UHMWPE para lograr eficacia contra la mayoría de las amenazas de fusil. Los chalecos antibalas de cerámica de alúmina están fácilmente disponibles para la mayoría de los civiles en las jurisdicciones donde son legales, pero no se consideran de grado militar. [ 39 ]
Protección contra la abrasión
Se puede cultivar una capa de óxido de aluminio como recubrimiento protector sobre aluminio mediante anodizado o mediante oxidación electrolítica por plasma (ver "Propiedades" más arriba). Tanto la dureza como las características de resistencia a la abrasión del recubrimiento se originan en la alta resistencia del óxido de aluminio, sin embargo, la capa de recubrimiento porosa producida con los procedimientos convencionales de anodizado de corriente continua se encuentra dentro de un rango de dureza Rockwell C de 60–70 [ 40 ] que es comparable solo a las aleaciones de acero al carbono endurecido, pero considerablemente inferior a la dureza del corindón natural y sintético. En cambio, con la oxidación electrolítica por plasma , el recubrimiento es poroso solo en la capa de óxido superficial, mientras que las capas de óxido inferiores son mucho más compactas que con los procedimientos estándar de anodizado de CC y presentan una mayor cristalinidad debido a que las capas de óxido se refunden y densifican para obtener cúmulos de α-Al₂O₃ con valores de dureza de recubrimiento mucho más altos , alrededor de 2000 Vickers.
La alúmina se utiliza para fabricar baldosas que se colocan en el interior de las tuberías de combustible pulverizado y los conductos de gases de combustión en las centrales eléctricas de carbón para proteger las zonas de mayor desgaste. No son adecuadas para zonas con fuertes impactos, ya que estas baldosas son frágiles y propensas a romperse.
Aislamiento eléctrico
El óxido de aluminio es un aislante eléctrico utilizado como sustrato ( silicio sobre zafiro ) para circuitos integrados , [ 41 ] pero también como barrera de túnel para la fabricación de dispositivos superconductores como transistores de un solo electrón , dispositivos de interferencia cuántica superconductores ( SQUID ) y cúbits superconductores . [ 42 ] [ 43 ]
Para su aplicación como aislante eléctrico en circuitos integrados, donde el crecimiento conforme de una película delgada es un requisito previo y el modo de crecimiento preferido es la deposición de capa atómica , las películas de Al 2 O 3 se pueden preparar mediante el intercambio químico entre trimetilaluminio (Al(CH 3 ) 3 ) y H 2 O: [ 44 ]
- 2 Al(CH 3 ) 3 + 3 H 2 O → Al 2 O 3 + 6 CH 4
El H₂O en la reacción anterior puede ser reemplazado por ozono (O₃ ) como oxidante activo y entonces tiene lugar la siguiente reacción: [ 45 ] [ 46 ]
- 2 Al(CH 3 ) 3 + O 3 → Al 2 O 3 + 3 C 2 H 6
Las películas de Al₂O₃ preparadas con O₃ muestran una densidad de corriente de fuga entre 10 y 100 veces menor en comparación con las preparadas con H₂O .
El óxido de aluminio, al ser un dieléctrico con una banda prohibida relativamente grande , se utiliza como barrera aislante en los capacitores . [ 47 ]
Otro

Las cucharas de aluminio para helado , si se lavan incorrectamente en el lavavajillas en lugar de a mano, pueden corroerse y dejar un residuo de óxido de aluminio, [ 48 ] [ 49 ] lo que puede representar un riesgo para la salud. [ 50 ]
En iluminación, el óxido de aluminio translúcido se utiliza en algunas lámparas de vapor de sodio . [ 51 ] El óxido de aluminio también se utiliza en la preparación de suspensiones de recubrimiento en lámparas fluorescentes compactas .
En los laboratorios de química, el óxido de aluminio se utiliza como medio para cromatografía y está disponible en formulaciones básicas (pH 9,5), ácidas (pH 4,5 en agua) y neutras. Además, pequeños trozos de óxido de aluminio se utilizan a menudo como perlas de ebullición .
Las aplicaciones médicas y sanitarias incluyen su uso como material en prótesis de cadera [ 8 ] y píldoras anticonceptivas . [ 52 ]
Se utiliza como centelleador [ 53 ] y dosímetro para aplicaciones de protección radiológica y terapia debido a sus propiedades de luminiscencia estimulada ópticamente . [ 54 ]
El aislamiento para hornos de alta temperatura suele fabricarse con óxido de aluminio. En ocasiones, contiene un porcentaje de sílice, dependiendo de la temperatura de funcionamiento del material. El aislamiento puede presentarse en forma de manta, panel, ladrillo o fibra suelta, según las necesidades de cada aplicación.
También se utiliza para fabricar aislantes de bujías . [ 55 ]
Mediante un proceso de pulverización de plasma y mezclado con dióxido de titanio , se recubre la superficie de frenado de algunas llantas de bicicleta para proporcionar resistencia a la abrasión y al desgaste.
La mayoría de las anillas cerámicas de las cañas de pescar son anillos circulares hechos de óxido de aluminio.
En su forma más fina en polvo (blanco), llamada diamantina, el óxido de aluminio se utiliza como un abrasivo de pulido superior en la relojería . [ 56 ]
El óxido de aluminio también se utiliza en el recubrimiento de barras de manillar en las industrias del motocross y la bicicleta de montaña. Este recubrimiento se combina con disulfuro de molibdeno para proporcionar una lubricación duradera de la superficie. [ 57 ]
Véase también
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- ↑ "Kashima Coat - Productos / Servicios | Anodizado de última generación que destaca por su ligereza, alta lubricación y excelente resistencia al desgaste. La respuesta es Kashima Coat de Miyaki" .
Enlaces externos
- Guía de bolsillo del CDC-NIOSH sobre riesgos químicos
- catalizadores ácidos
- abrasivos
- compuestos de aluminio
- compuestos anfóteros
- Biomateriales
- Materiales cerámicos
- Óxidos
- Materiales refractarios
- Sesquióxidos