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氧化鋁與剛玉,紅藍寶石之間的關聯

更新時間:2009-11-19點擊次數:3718

氧化鋁與剛玉,紅藍寶石之間的關聯

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    氧化鋁
    純凈的氧化鋁是白色無定形粉末,俗稱礬土,密度3.9-4.0g/cm3,熔點2050℃、沸點2980℃,不溶于水,氧化鋁主要有α型和γ型兩種變體,工業上可從鋁土礦中提?。?
    鋁土礦(Al2O3·H2O和Al2O3·3H2O)是鋁在自然界存在的主要礦物,將其粉碎后用高溫氫氧化鈉溶液浸漬,獲得鋁酸鈉溶液;過濾去掉殘渣,將濾液降溫并加入氫氧化鋁晶體,經長時間攪拌,鋁酸鈉溶液會分解析出氫氧化鋁沉淀;將沉淀分離出來洗凈,再在950-1200℃的溫度下煅燒,就得到α型氧化鋁粉末,母液可循環利用.此法由奧地利科學家拜耳(K.J.Bayer)在1888年發明,時至今日仍是工業生產氧化鋁的主要方法,人稱“拜耳法”.
    在α型氧化鋁的晶格中,氧離子為六方緊密堆積,Al3+對稱地分布在氧離子圍成的八面體配位中心,晶格能很大,故熔點、沸點很高.α型氧化鋁不溶于水和酸,工業上也稱鋁氧,是制金屬鋁的基本原料;也用于制各種耐火磚、耐火坩堝、耐火管、耐高溫實驗儀器;還可作研磨劑、阻燃劑、填充料等;高純的α型氧化鋁還是生產人造剛玉、人造紅寶石和藍寶石的原料;還用于生產現代大規模集成電路的板基.
    γ型氧化鋁是氫氧化鋁在140-150℃的低溫環境下脫水制得,工業上也叫活性氧化鋁、鋁膠.其結構中氧離子近似為立方面心緊密堆積,Al3+不規則地分布在由氧離子圍成的八面體和四面體空隙之中.γ型氧化鋁不溶于水,能溶于強酸或強堿溶液,將它加熱至1200℃就全部轉化為α型氧化鋁.γ型氧化鋁是一種多孔性物質,每克的內表面積高達數百平方米,活性高吸附能力強.工業品常為無色或微帶粉紅的圓柱型顆粒,耐壓性好.在石油煉制和石油化工中是常用的吸附劑、催化劑和催化劑載體;在工業上是變壓器油、透平油的脫酸劑,還用于色層分析;在實驗室是中性強干燥劑,其干燥能力不亞于五氧化二磷,使用后在175℃以下加熱6-8h還能再生重復使用.
    目前世界上用拜耳法生產的氧化鋁要占到總產量的90%以上,氧化鋁大部分用于制金屬鋁,用作其它用途的不到10%. 
    剛玉
    自然界天然存在的α型氧化鋁晶體叫做剛玉,常因含有不同的雜質而呈現不同的顏色.剛玉一般呈帶藍或帶黃的灰色,有玻璃或金剛光澤,密度在3.9-4.1g/cm3,硬度8.8,僅次于金剛石和碳化硅,能耐高溫.含有鐵的氧化物的剛玉砂叫金剛砂,呈暗灰色、暗黑色,常作研磨材料,用于制各種研磨紙、砂輪、研磨石,也用于加工光學儀器和某些金屬制品.
    因天然剛玉產量供不應求,工業上常將純α型氧化鋁粉末在高溫電爐中燒結制成人造剛玉,也稱電熔剛玉.它能耐1800℃以上的高溫,是制造特殊耐火材料的原料,有高溫下機械強度大,抗熱震性好,抗侵蝕性強,熱膨脹系數小等特點,用于制火箭發動機燃燒室內襯、噴咀,雷達天線保護罩,原子能反應堆材料,高頻絕緣陶瓷,冶煉純金屬和合金的坩堝,高溫發熱原件,熱電偶保護管,各種高溫爐的爐襯等.人造剛玉還用于制精密儀表軸承和金屬絲的拉絲模具.我國自1958年起就能產生人造剛玉了.
紅寶石和藍寶石
    混有少量不同氧化物雜質的剛玉就是大名鼎鼎的紅寶石和藍寶石,是制作名貴首飾的材料,其微??芍凭軆x表和手表的軸承.
    紅寶石是天然產的透明紅色剛玉,顏色從淡玫瑰紅至深胭脂紅,有的還略帶紫色色調,有的有星光,以呈鴿子血紅色有商業價值.紅色是晶體中含少量氧化鉻之故.紅寶石是寶石中的珍品,七月生辰石.紅寶石英語為Ruby,源出拉丁語ruber意為紅色,硬度為9,密度常為4g/cm3,有金剛光澤.天然紅寶石重量達1克拉的不多,超過5克拉已屬罕見,世界上每年開采的紅寶石其中品質*者僅占千分之一.世界天然紅寶石迄今發現zui大的重3450克拉產自緬甸,世界的巨大星光紅寶石重138.7克拉,的鴿血紅寶石重55克拉.世界紅寶石zui有名的產地是緬甸曼德拉的東北部,還有泰國、斯里蘭卡、柬埔寨.1973年在非洲肯尼亞的恩干加,1978年在澳大利亞中部阿利斯波利,70年代末在巴基斯擔的罕薩先后發現大型紅寶石礦藏,以上發現被譽為70年代世界紅寶石礦三大發現.我國紅寶石主要產地為云南、青海,數量不多質量也不大理想.
    藍寶石因其在自然界存在比紅寶石數量要多,故早在公元前800年就被人類當作寶石.它也是天然的α型氧化鋁晶體.因含有少量鐵和鈦雜質,顏色從很淡的藍色至深靛藍,尤以中等程度的藍色zui為珍貴.天然剛玉晶體中若含少量鐵、鈷呈綠色,含釩呈翠綠,含鎳、鎂呈黃色,含錳、鐵呈褐色,這些有色剛玉一般也歸入藍寶石.藍寶石的硬度、密度、類似紅寶石,也有金剛光澤,少數有星光效果,它是九月生辰石.我國藍寶石主要產地為山東省昌樂縣和海南省文昌縣,此外江蘇、福建也有出產,雖然數量比紅寶石要大,但質量也不甚理想.世界藍寶石主要產自澳大利亞和斯里蘭卡,兩國約集中了世界藍寶石資源的80%,其中澳大利亞就占60%,此外印度、緬甸、泰國、柬埔寨、馬達加斯加、俄國、南非、美國也有出產.美國某博物館藏有一顆重563克拉的印度星光藍寶石,色澤稍暗淡,星光幾乎無瑕疵.1984年在澳大利亞發現昆土蘭星光藍寶石,為歷來發現的zui大星光剛玉,原石重1156克拉,琢磨后重733克拉,呈橢圓形如雞蛋,后為美國洛杉磯一家私人寶石公司所收藏.1996年下半年一批泰國寶石學家在非洲馬達加斯加發現了迄今世界上zui大的一串綠寶石.他們化了一周時間挖掘一塊巨大的云母,在云母下面發現了一串綠寶石,共有127塊,重達數十千克,價值5千萬美元.泰國的曼谷是日前世界上zui大的紅、藍寶石加工中心,寶石的改色、雕琢工藝技術水平居世界*,寶石加工業是該國的支柱產業. 
    人造紅寶石、藍寶石
    1877年法國化學家弗雷米將純氧化鋁粉末、碳酸鉀、氟化鋇和少量重鉻酸鉀作原料,在坩堝中經高溫熔融8天,獲得小顆粒紅寶石晶體,這是人造紅寶石的開端.
    1885年在瑞士日內瓦出現一些品質優良的人造紅寶石,據說是有天然紅寶石碎片,加上增強紅色的重鉻酸鉀等經高溫熔融制成,和天然品性質相同.然而真正實現人工制造寶石并能投入規?;a的要歸功于法國化學家維爾納葉.
    維爾納葉在1891年發明火焰熔融法,并用該法試制人造寶石,成功后又用純凈的氧化鋁試驗.在高溫馬弗爐中用倒置的氫氧吹管進行試驗,含有少量氧化鉻的純凈氧化鋁細末慢慢落入火焰中熔化,滴在基座上冷凝結晶.經過十年的努力,1904年維爾納葉正式制造出了人造紅寶石,以后火焰熔融法逐漸完善,生產出的紅寶石和天然品幾乎無差別.該法一直沿用到現代,至今仍是世界生產人造寶石的主要方法,人稱“維爾納葉法”?,F在只要數小時就能制造出100克拉以上的紅寶石原石,外觀呈倒梨形或胡蘿卜形的人造剛玉晶體,質地純凈,顏色透明度甚至超過天然品,經濟效益巨大.現代維爾納葉法不僅能生產從淺粉紅色至深紅色的紅寶石,還能生產各種顏色的藍寶石,甚至還能生產帶有星光的紅寶石和藍寶石,真是巧奪天工. 
    

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