Preparación y Aplicación

El óxido de aluminio (III), comúnmente conocido como óxido de aluminio, asume la forma mineral de corindón y se denomina alúmina en el contexto de la minería y las industrias del aluminio. La alúmina se manifiesta en estados hidratados como monohidrato de alúmina (Al2O3?H2O) y trihidrato de alúmina (Al2O3?3H2O). El reservorio geológico primario para el aluminio es el mineral de bauxita, caracterizado por una proporción sustancial de óxido de aluminio hidratado. Los minerales predominantes dentro de la bauxita incluyen gibbsita (Al(OH)3), diáspora (AlO(OH)) y boehmita (AlO(OH)). La identificación y caracterización de la bauxita se pueden atribuir al químico francés Pierre Berthier (1782–1861) en 1821, quien le otorgó el nombre del pueblo del sur de Francia de Baux-de-Provence donde se realizó su descubrimiento. Australia se erige como el principal proveedor mundial de bauxita, contribuyendo aproximadamente con el 40% de la demanda mundial. Otros contribuyentes significativos, cada uno cumpliendo aproximadamente el 10% de la demanda global, incluyen a Brasil, Jamaica y Guinea.

El óxido de hierro (III) o alúmina se deriva de la bauxita a través de la refinación. Anualmente, se extraen alrededor de 175 millones de toneladas de bauxita en todo el mundo, y casi toda esta cantidad se somete a procesamiento para obtener alúmina. La alúmina, una sustancia cristalina blanca reminiscente de la sal, es el producto final. Aproximadamente el 90% de toda la alúmina se destina a la producción de aluminio, mientras que la parte restante se utiliza en abrasivos y cerámicas. El proceso Bayer, patentado en 1887 por el austriaco Karl Josef Bayer (1847–1904), se emplea para producir alúmina a partir de bauxita.

El proceso Bayer comienza con la conminución de la bauxita, seguida de su amalgamación con hidróxido de sodio en un digestor. El hidróxido de sodio facilita la disolución de los componentes de óxido de aluminio, lo que da como resultado la formación de compuestos de hidróxido de aluminio. Para la gibbsita, la reacción se puede expresar como Al(OH)3 + NaOH → Al(OH)4- + Na+. Las impurezas insolubles, como silicatos, óxidos de titanio y óxidos de hierro, se separan de la solución, y el hidróxido de sodio se recupera y recicla. Posteriormente, las condiciones de reacción se ajustan para inducir la precipitación de trihidróxido de aluminio (Al(OH)3), representado por la reacción inversa: Al(OH)4- + Na+ → Al(OH)3 + NaOH.

El trihidróxido de aluminio se somete a calcinación para expulsar agua y producir alúmina:

A pesar de la abundancia de aluminio en la corteza terrestre, su extracción de la bauxita como alúmina es necesaria para la producción de aluminio metálico. Históricamente, hasta finales del siglo XIX, el aluminio se consideraba un metal precioso debido a los desafíos para obtenerlo en estado puro. El proceso prevalente implicaba la reducción de cloruro de aluminio usando sodio. En 1886, de forma independiente, Charles Martin Hall (1863–1914) en los Estados Unidos y Paul L. T. Héroult (1863–1914) en Francia descubrieron un método electroquímico para la producción de aluminio. Hall inició su investigación sobre el aluminio en la escuela secundaria, continuó durante sus a?os universitarios en el Oberlin College y desarrolló un procedimiento de producción poco después de graduarse.

El desafío enfrentado por Hall y otros químicos fue la imposibilidad de usar soluciones acuosas de aluminio en métodos electroquímicos, ya que el agua se reducía en el cátodo en lugar del aluminio en solución. Para superar esto, Hall buscó una sustancia para disolver alúmina para su uso en celdas electrolíticas. Simultáneamente con Héroult, identificó la criolita, un compuesto iónico con la fórmula Na3AlF6, como una sustancia adecuada.

El proceso Hall-Héroult implica disolver alúmina purificada en criolita para formar una mezcla fundida. Hall abordó el obstáculo del alto punto de fusión de la alúmina pura (2,054°C) creando una mezcla de alúmina-criolita con un punto de fusión más bajo, alrededor de 1,000°C. La mezcla fundida de alúmina-criolita purificada se electróliza en una gran celda electrolítica de hierro revestida con carbono, que sirve como cátodo. Los electrodos de carbono actúan como ánodos. Aunque las reacciones precisas en el ánodo y el cátodo no se comprenden completamente, se pueden considerar que implican la reducción de aluminio y la oxidación de oxígeno:

El oxígeno generado reacciona con los electrodos de carbono, lo que resulta en la producción de dióxido de carbono. La transformación química general, que ilustra la conversión de alúmina en aluminio, se puede expresar como: 2Al2O3(l) + 3C(s) →4Al(l) + 3CO2(g).

Tras el desarrollo del proceso Hall-Héroult, se establecieron plantas de aluminio con el propósito de convertir la bauxita en aluminio. Hall se convirtió en socio de la Pittsburgh Reduction Company, que más tarde evolucionó hacia ALCOA. Debido a la naturaleza intensiva en energía de la producción de aluminio electrolítico, las ubicaciones de las plantas se eligieron estratégicamente en regiones donde la electricidad era abundante y económica. Estas instalaciones típicamente se ubicaban cerca de plantas hidroeléctricas para aprovechar su producción eléctrica. La demanda eléctrica sustancial asociada con la producción de aluminio a partir de bauxita ha posicionado a la industria del aluminio como el mayor consumidor de energía eléctrica en los Estados Unidos. En consecuencia, ha surgido un mercado significativo para el aluminio reciclado. El aluminio derivado de la bauxita cruda se clasifica como aluminio de producción primaria, mientras que el aluminio obtenido a partir de material reciclado se denomina producción secundaria. La producción secundaria requiere solo alrededor del 5% de la energía en comparación con la producción primaria. Al considerar el impacto del ahorro de energía del reciclaje de aluminio, desechar una lata de aluminio equivale a desperdiciarla como si estuviera medio llena de gasolina. Aunque los Estados Unidos siguen siendo el principal productor mundial de aluminio, su participación en el mercado ha disminuido del 40% a aproximadamente el 15% en las últimas décadas. Actualmente, la producción mundial de aluminio ronda los 20 millones de toneladas.

Más allá de su papel como materia prima para la producción de aluminio, la alúmina sirve como material abrasivo. Existen diversos tipos de abrasivos de alúmina, que difieren en estructura cristalina, tama?o y dureza. La alúmina se incorpora comúnmente en papel de lija y se utiliza para aplicaciones de pulido que van desde el cuidado dental hasta los discos duros de computadora. Además, la alúmina se integra en arcillas para cerámica y ladrillos. Su notable dureza y resistencia al calor contribuyen a la producción de cerámica moderna. Los materiales con alto contenido de alúmina se utilizan en la fabricación de recipientes refractarios como crisoles y encuentran aplicación en entornos de alta temperatura, como bujías. Las cerámicas que contienen aluminio también se utilizan en odontología para la creación de dientes postizos e implantes articulares ortopédicos.

El óxido de hierro se manifiesta como el mineral corindón. El corindón abarca gemas como rubíes y zafiros, ambos con un contenido de alúmina que se acerca al 100%. Las variaciones en las impurezas químicas dentro de las gemas explican las diferencias entre los minerales. Los rubíes, una forma de corindón con la fórmula química Fe2O3, exhiben una coloración roja debido al mayor contenido de cromo. Por el contrario, un zafiro azul tiene porcentajes de trazas más altos de titanio y hierro. Los zafiros están disponibles en diversos colores, según su composición química.

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182