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Alúmina ÍNDICE: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Introducción. Estructuras. Propiedades de la α-alúmina. Tipos de alúmina. Obtención. Aplicaciones y usos.

1. Introducción. La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3) que, al igual que la sílice, se encuentra en gran parte en arcillas y barnices. En la naturaleza se puede encontrar como los minerales corindón y esmeril. Además, el óxido de aluminio lo podemos encontrar también en menor medida en la laterita y formando hidróxidos varios en la bauxita (alúmina hidratada). Las alúminas han tenido algún tipo de uso químico e industrial a lo largo de la historia. Durante poco más de un siglo, el corindón (α-Al2O3) ha sido el más utilizado y conocido de las alúminas. Las alúminas metaestables emergentes, incluidos los polimorfos γ, δ, η, θ, κ, β y χ, han ido creciendo en importancia. En particular, el γ-Al2O3 ha recibido una amplia atención, debido a sus utilidades como pueden ser la función de catalizador y de soporte de catalizador. Excepto la forma α, todos son alúminas de transición, ya que son una transición entre el primer compuesto y la forma alfa, que es la final.

2. Estructuras. •

γ-Al2O3: La forma γ-Al2O3 se ha descrito como estructura de espinela defectuosa, pero no quiere decir que el Al adopta distintos estados de oxidación, sino que varía en algunos aspectos respecto a la estructura tipo espinela. La celda unitaria contiene 32 iones de oxígeno en 32e posiciones de Wyckoff, que se empaquetan aproximadamente en una disposición cúbica centrada en la cara (secuencia ABAB…), mientras que los cationes de aluminio pueden ser descrito por dos tipos de capas alternas: o bien capas conteniendo solo cationes coordinados octaédricamente o capas "mixtas" que contienen tanto cationes coordinados octaédricamente como tetraédricamente. Hay dos tipos de tetraedros coordinados en las capas mixtas: apuntando hacia arriba o con coordinación invertida de tetraedros (apuntando hacia abajo). Teniendo esto en cuenta, la relación catión - anión en γ-Al2O3 es 2:3, a diferencia de 3:4 para estructuras de espinela, y para mantener la estequiometría debe haber 21x1/3 cationes de aluminio en la celda unitaria. La consideración de una estructura de espinela restringe los cationes de aluminio a ocupar las posiciones de Wyckoff siendo 8 posiciones tetraédricas y 16 octaédricas. Por lo tanto, la estequiometría puede representarse como Al21⅓[ ]2⅔O32, donde [ ] representa una vacante entre las posiciones de espinela. Esto se puede simplificar a Al8/3[ ]⅓O4.

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α-Al2O3, corindón: Se conoce como corindón a la forma más común de óxido de aluminio cristalino, ya que constituye termodinámicamente la forma más estable. Esta estructura consiste en una aglomeración hexagonal compacta de aniones oxígeno, donde 2/3 de los de los intersticios octaédricos existentes los ocupan los cationes aluminio, quedando 1/3 de los huecos sin ocupar. De esta manera, la coordinación del metal es 4 y la del oxígeno es 6. En términos de su cristalografía, el corindón adopta una red trigonal de Bravais. Se forma una estructura muy compacta que confiere al sólido un PF y dureza muy altos.

En la figura a podemos ver los octaedros en el plano basal donde los cationes están de color negro y los huecos vacantes de color blanco, viéndose así los 2/3 ocupados por cationes aluminio y 1/3 sin ocupar. En la figura B se puede ver la representación de las posiciones de los átomos metálicos a lo largo del eje c. Cuando la estructura se ve afectada por la sustitución de los cationes Al 3+ por otros cationes que generalmente son metales, la coloración de la alúmina pasa de ser transparente e incoloro a tener coloración. Algunos ejemplos son: el rubí (Cr3+, rojo) en la imagen de la izquierda y el zafiro (Fe2+/3+ y Ti+4, azul) en la imagen de la derecha.

3. Propiedades de α-alúmina. El alfa-corindón es transparente e incoloro y puede considerarse como un compuesto predominantemente iónico, teniendo una energía reticular muy alta. Posee una elevada constante de Madelung (A=25,0312), además de tener una distancia interiónica pequeña (rAl(3+) + rO(2-) = 2,07 Amstrongs). Debido a que el alfa-corindón presenta una estructura muy compacta y estable, posee un muy alto punto de fusión y una muy alta dureza (9 en la escala de Mohs). Químicamente es muy inerte, es no-conductor de la corriente eléctrica, insoluble en agua y no es atacado por bases y ácidos. Como ya se ha mencionado antes, si contiene trazas de elementos metálicos presenta coloración. Además, tras diversos estudios, se ha podido ver que cuando el Al2O3 se funde y cristaliza de nuevo, adopta propiedades químicas y físicas iguales a las del corindón natural.

4. Tipos de alúmina. Existen varios tipos de alúmina: •

Alúmina activada o absorbente: Cuando se calientan los hidratos de alúmina se expulsa la mayor parte del agua y se forma una alúmina porosa y adsorbente. La temperatura tiene que estar regulada ya que si es muy alta no se obtiene la extensión máxima de superficie. Una de las utilidades más importantes es la desecación de líquidos y gases, ya que tiene la propiedad de adsorber la humedad de, por ejemplo, el aire. La alúmina activada es un material con buenas propiedades de adsorción de fluoruros del agua y constituyen el material adsorbente más usado para este fin. Se emplean las alúminas activadas en reacciones de deshidratación, como la conversión de alcohol etílico en etileno, y en otras reacciones en que el agua es el reactante o el producto.

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α-alúmina (corindón): Se usa sobre todo para la obtención del aluminio metal, ajustando la α-alúmina a ciertos grados de pureza para adecuar sus propiedades físicas para la reducción electrolítica. Este tipo de alúmina se suele obtener a partir de la bauxita (debido a la gran proporción que contiene de alúmina) mediante la refinación del mineral por el proceso Bayer. Se obtiene α-alúmina en ausencia de otras fases cristalinas cuando se calienta por varias horas la γ-alúmina o cualquiera de las alúminas hidratadas puras a 1250°C o más.

Muchas son las aplicaciones de este tipo de alúmina, principalmente en la industria, produciendo diferentes calidades conforme las necesidades. Debido a su dureza se utiliza como abrasivo. •

Alúmina tabular: Este tipo de alúmina es recomendada como portador de elementos activos. Posee una gran estabilidad y pureza, que la convierte en un perfecto material inactivo para el intercambio de calor (aislador). Se emplea para crear aisladores eléctricos en la industria de la radio. Esta variedad de la alúmina es porosa y de poca área que, en el intervalo de la temperatura de fusión, conserva su porosidad. La preparación de la alúmina tabular consiste en calentar la alúmina calcinada mediante el proceso Bayer (a temperatura no mucho más baja que el punto de fusión) y tiene la estructura cristalina del corindón. Se obtiene en terrones o en polvo y se emplea como materia refractaria a causa de su elevado punto de fusión, su inercia química y su poca contracción.

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β-alúmina: Este tipo de alúmina solo se forma cuando está presente una base. Por lo tanto, lo que realmente se forma es un aluminato de estas composiciones: Na2O11Al2O3 o Na2O12Al2O3.

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γ-alúmina: Esta variedad se forma cuando se calientan el alfa-monohidrato de alúmina o los trihidratos de alúmina a una temperatura relativamente alta para liberar el agua combinada y después se calientan a 500°C. Si se calienta a más de 1000°C se obtiene el α-Al2O3. Existen diversos tipos de γ-alúmina y todas tienen muchas utilidades y se siguen investigando para descubrir más utilidades. Es un material de inmensa importancia industrial y es objeto de una investigación considerable. Se utiliza como soporte catalítico para automóviles y como catalizadores industriales. La porosidad es la propiedad que hace que el γ-Al2O3 sea atractivo como soporte de catalizador. Además, la porosidad (y, por lo tanto, un área de superficie alta) combinada con la eliminación de agua es la razón por la cual el γalúmina también se usa directamente como catalizador. Los procesos catalíticos representan la mayoría de las aplicaciones de γ-Al2O3. Sin embargo, hay un número creciente de otros usos. Al igual que otras alúminas de transición, se usa ampliamente como abrasivo para pulir y en recubrimientos cerámicos, que proporcionan protección contra la corrosión, la temperatura y el desgaste. Además, la gran área de superficie de γ-alúmina lo hace útil como quemadores de combustión recubiertos con platino en fuentes de alimentación en miniatura recientemente investigadas. También, el γ-Al2O3 ha demostrado ser termodinámicamente estable en relación con el α-Al2O3 cuando se alcanza un área

de superficie crítica. Los resultados de esta investigación pueden abrir infinitas posibilidades para las aplicaciones de γ-Al2O3. •

Alúminas hidratadas: Este tipo de alúmina se conoce también como hidróxido de aluminio y podemos encontrar los monohidratos α y γ y los trihidratos α y γ que tienen las fórmulas AlO(OH) y Al(OH)3, respectivamente. Estos hidratos de alúmina los podemos encontrar en diferentes bauxitas como son la la bayerita (α-Al(OH)3), gibbsita (γAl(OH)3), la bohemita (γ-AlO(OH)) y el diásporo (α-AlO(OH)). Los α-monohidratos se pueden obtener a partir de los α-trihidratos calentándolos en solución acuosa en medio básico a unos 200°C. El monohidrato formado son cristales finos que dan un tacto similar a la del talco y tiene una densidad muy baja. El γ-AlO(OH) se forma calentando lentamente a unos 400°C γ-alúmina en agua a presión, en presencia de cristales del mineral que sirven de núcleo. A partir de los hidratos de alúmina se pueden obtener los diversos polimorfos de la alúmina como ya se ha visto en la figura mostrada anteriormente. Además, se utilizan en diversas reacciones para obtener otros productos. El sulfato alumínico sin hierro, el sulfato alumínico básico y el aluminato sódico son algunos de los ejemplos de productos obtenidos a partir del α-Al(OH)3, ya que reacciona fácilmente con álcalis fuertes y ácidos inorgánicos. Aplicaciones importantes son la fabricación de esmaltes vítreos, de vidrio, esmaltes de cerámica, vidriados para porcelana y artículos de cerámica. Añadiéndole este hidrato al vidrio, el primero mejora su resistencia al choque térmico y aumenta su resistencia mecánica, y el segundo se hace más resistente a los agentes atmosféricos a la desvitrificación y al ataque de líquidos.

5. Obtención.

Se realiza a cielo abierto con la explotación del yacimiento, sin voladuras. Se obtiene el mineral directamente de los diversos bloques del yacimiento a fin de obtener la calidad

apropiada del mineral, cargando la bauxita en camiones de alto tonelaje que la transportan hasta la estación de trituración. En el sistema de trituración, la bauxita es trasladada hasta un molino, que reduce el material a unas dimensiones de grano menor a los 100mm para su traslado y fácil manejo. El tratamiento consta de los siguientes pasos: 1. Predesilicación. 2. Trituración y molienda. 3. Desarenado. 4. Separación y lavado de lodo. 5. Caustificación de carbonatos. 6. Apagado de cal. 7. Enfriamiento por expansión 8. Precipitación 9. Clasificación de hidrato 10. Filtración y calcinación de producto 11. Filtración de semilla final 12. Filtración de semilla gruesa 6. Aplicaciones y usos. La alúmina tiene muchísimas utilidades, de las cuales las más importantes son las siguientes: -

Se utiliza en la industria para la obtención de aluminio.

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Alúmina como portador de catalizadores y como catalizador. La alúmina tiene utilidades importantes como portador de catalizadores y como catalizador y podemos encontrar muchos tipos que se utilizaran dependiendo de las características que se busquen. La alúmina que se emplee como portador de catalizadores modifica la función del catalizador, aunque por si misma tenga poca actividad respecto de la reacción catalizada. Es necesario escoger el tipo adecuado de alúmina para determinada aplicación.

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Alúmina como refractarios y abrasivo. La alúmina calcinada que se obtiene del proceso de Bayer tiene muchas aplicaciones como abrasivo. En la calcinación, sus propiedades y el tamaño de partícula se pueden modificar variando la temperatura. Ciertas alúminas se utilizan en el acabado de metales, normalmente de superficies duras chapado de cromo y de acero inoxidable. La alúmina fundida de pureza normal obtenida en horno de acero eléctrico tiene muchas utilidades para preparar materiales refractarios y como material abrasivo. Los principales abrasivos artificiales son el óxido de aluminio y el carburo de silicio, que no compiten entre sí ya que se complementan. El Al2O3 también se utiliza para operaciones de esmerilado. También se ha empleado corindón natural puro para este proceso como materia prima, pero como la alúmina obtenida mediante el proceso de Bayer contiene menos impurezas es de menos interés.

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Se emplea como aislante térmico, sobre todo en las celdas electrolíticas.

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Alúmina como agente desecante, ya que tiene la capacidad de absorber agua.

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Se utiliza como oxidante en reacciones químicas que se lleven a cabo a altas temperaturas debido a su alta estabilidad térmica.

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Se usa en odontología, por su gran resistencia y dureza, para la elaboración de piezas dentales.

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Es un buen aislante eléctrico en las bujías de los vehículos que trabajan con gasolina.

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Corindones sintéticos.

Bibliografía - Gutiérrez Ríos, Enrique (2003 [1984]): Química inorgánica (2ª edición). Barcelona. Reverté s.a. -. Greenwood, N. N and Earnshaw, A. (2003): Chemistry of the elements (1a edición). Pergamon Press. - Levin, Igor and Brandon, David (1998): Metastable Alumina Polymorphs: Crystal Structures and Transition Sequences, Journal of the American Ceramic Society, pp. 1995 – 2010. - Paglia, Gianluca (2004): Determination of the Structure of γ-Alumina using Empirical and First Principles Calculations combined with Supporting Experiments

- Castro, Francisco: Alúmina (se puede encontrar el https://www.monografias.com/trabajos35/alumina/alumina.shtml ) Alúmina (se puede encontrar https://www.rocasyminerales.net/alumina/ )

el

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- Mariela Torres Escudero, Luz: Óxido de Aluminio (Al2O3): Estructura Química, Usos, Propiedades (se puede encontrar el contenido en: https://www.lifeder.com/oxidoaluminio/ )...