Окисляется ли алюминий

Алюминий окисляется или нет

[Deposit Photos]

Впервые алюминий был получен лишь в начале XIX века. Cделал это физик Ганс Эрстед. Свой эксперимент он проводил с амальгамой калия, хлоридом алюминия и ртутью.

Кстати, название этого серебристого материала произошло от латинского слова «квасцы», потому что именно из них добывается этот элемент.

Квасцы [Wikimedia]

Квасцы – это природные минералы на основе металлов, которые объединяют в своем составе соли серной кислоты.

Раньше алюминий считался драгоценным металлом и стоил на порядок дороже, чем золото. Объяснялось это тем, что металл было довольно сложно отделить от примесей. Так что позволить себе украшения из алюминия могли только богатые и влиятельные люди.

Японское украшение из алюминия [Wikimedia]

Но в 1886 году Чарльз Холл придумал метод по добыче алюминия в промышленном масштабе, что резко удешевило этот металл и позволило применять его в металлургическом производстве. Промышленный метод заключался в электролизе расплава криолита, в котором растворен оксид алюминия.

Алюминий — очень востребованный металл, ведь именно из него изготавливаются многие вещи, которыми человек пользуется в быту.

Применение алюминия

Благодаря ковкости и легкости, а также защищенности от коррозии, алюминий является ценным металлом в современной промышленности. Из алюминия изготавливают не только кухонную посуду — он широко используется в авто- и авиастроительстве.

Также алюминий является одним из самых недорогих и экономичных материалов, так как его можно использовать бесконечно, переплавляя ненужные алюминиевые предметы, например, банки.

Алюминиевые банки [Deposit Photos]

Металлический алюминий безопасен, но его соединения могут оказывать токсическое действие на человека и животных (особенно хлорид, ацетат и сульфат алюминия).

Физические свойства алюминия

Алюминий — достаточно легкий металл серебристого цвета, который может образовывать сплавы с большинством металлов, особенно с медью, магнием и кремнием. Также он весьма пластичен, его без труда можно превратить в тонкую пластинку или же фольгу. Температура плавления алюминия = 660 °C, а температура кипения — 2470 °C.

Химические свойства алюминия

При комнатной температуре металл покрывается прочной пленкой оксида алюминия Al₂O₃, которая защищает его от коррозии.

С окислителями алюминий практически не реагирует из-за защищающей его оксидной пленки. Однако ее можно легко разрушить, чтобы металл проявил активные восстановительные свойства. Разрушить оксидную пленку алюминия можно раствором или расплавом щелочей, кислотами или же с помощью хлорида ртути.

Благодаря восстановительным свойствам алюминий нашел применение в промышленности — для получения других металлов. Этот процесс называется алюмотермией. Такая особенность алюминия заключается во взаимодействии с оксидами других металлов.

Алюмотермическая реакция с участием оксида железа (III) [Wikimedia]

Например, рассмотрим реакцию с оксидом хрома:

Cr₂O₃ + Al = Al₂O₃ + Cr.

Алюминий хорошо вступает в реакцию с простыми веществами. Например, с галогенами (за исключением фтора) алюминий может образовать иодид, хлорид, или бромид алюминия:

2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃

С другими неметаллами, такими как фтор, сера, азот, углерод и т.д. алюминий может реагировать только при нагревании.

Также серебристый металл вступает в реакцию и со сложными химическими веществами.Например, с щелочами он образует алюминаты, то есть комплексные соединения, которые активно используются в бумажной и текстильной промышленности. Причем в реакцию вступает как гидроксид алюминия

Al(ОН)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]),

так и металлический алюминий или же оксид алюминия:

2Al + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na[Al(OH)₄] + ЗН₂.

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

С агрессивными кислотами (например, с серной и соляной) алюминий реагирует довольно спокойно, без воспламенения.

Если опустить кусочек металла в соляную кислоту, то пойдет медленная реакция — сначала будет растворяться оксидная пленка — но затем она ускорится. Алюминий растворяется в соляной кислоте с выделением водорода. В результате реакции получается хлорид алюминия:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂.

Хлорид алюминия [Wikimedia]

Здесь вы найдете интересные опыты на изучение химических свойств металлов.

Реакция алюминия с водой

Если опустить алюминиевую стружку в обычную воду, ничего не произойдет, потому что алюминий защищен оксидной пленкой, которая не дает этому металлу вступить в реакцию.

Только сняв защитную пленку хлоридом ртути, можно получить результат. Для этого металл нужно вымачивать в растворе хлорида ртути на протяжении двух минут, а затем хорошо его промыть. В результате получится амальгама, сплав ртути и алюминия:

3HgCI₂ + 2Al = 2AlCI₃ + 3Hg

Причем она не удерживается на поверхности металла. Теперь, опустив очищенный металл в воду, можно наблюдать медленную реакцию, которая сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида алюминия:

Окисление алюминия при переплаве алюминиевого лома

Алюминий имеет отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (–1,66 В), а магний, его важный легирующий элемент, имеет даже более низкий потенциал (–2,38 В). Поэтому, как и большинство других металлов, алюминий встречается в природе только как очень стабильный оксид.

Химически это означает наиболее стабильное состояние на самом низком энергетическом уровне. При электролизе металл вынуждают отделиться от кислорода путем подъема его энергетического потенциала. При контакте с кислородом алюминий стремится вернуться к более низкому энергетическому уровню в виде оксида алюминия.

Из-за его высокого сродства к кислороду эта реакция происходит мгновенно.

Реакция окисления алюминия

Реакция окисления алюминия следует реакции

4Al + 3O2 —› 2Al2O3

Положительное изменение энтальпии ΔH этой реакции указывает на то, что окисление алюминия является экзотермическим процессом, то есть идет с выделением энергии. Это логично, так как алюминий при этом переходит в состояние с более низким энергетическим уровнем.

Толщина оксидной пленки на твердом алюминии

Толщина естественной оксидной пленки довольно тонкая – от 1 до 3 нм в зависимости от сплава и температуре образования оксида (до 300 °С). На рисунке 1 показано постепенное увеличение толщины оксидной пленки на чистом алюминии при ее образовании при температуре от комнатной до 400-500 °С.

Затем происходит разрыв в скорости окисления и резкое увеличение толщины оксидной пленки до 20 нм. Причиной этого считается переход от аморфной структуры оксида алюминия к его кристаллической структуре.

Именно поэтому при сушке измельченного алюминиевого лома и обжиге с него органических покрытий его не нагревают выше 400 °, чтобы избежать чрезмерного окисления.

В твердом состоянии алюминия оксид алюминия играет положительную роль, так как оксидная пленка имеет форму γ-Al2O3 и толщину несколько нанометров. Она надежно изолирует поверхность алюминия и останавливает дальнейшее окисление. При постоянной температуре толщина оксидной пленки растет сначала очень быстро, но затем скорость роста замедляется и сводится практически к нулю.

Ржавеет ли алюминий: свойства материала, причины коррозии и способы защиты

Окисляется ли алюминий

Алюминий является материалом, который люди часто используют в промышленности и для собственных нужд. Подобный металл отличается гибкостью, а также устойчивостью к внешним воздействиям. Он не токсичен и безопасен для здоровья человека. Серебряный цвет позволяет применять металл для различных целей. Это промышленность и бытовая сфера.

При работе в промышленности люди часто задаются вопросом, ржавеет ли алюминий. Всем известно, что если на листе появляется повреждение, то может развиться коррозия. Следует узнать, почему алюминий ржавеет иначе, чем другие сплавы. Необходимо выяснить причины, по которым он подвергается коррозии. Обо всем этом и не только — читайте в нашей сегодняшней статье.

Свойства

Давайте изучим характеристики алюминия. Описываемый металл плавится при температуре 659 градусов Цельсия. Плотность вещества составляет 2,69*103 кг/см3. Алюминий относят в группу активных металлов. Устойчивость к коррозионным процессам зависит от ряда факторов:

Чистота сплава. Для производства различного оборудования берут металл, отличающейся своей чистотой. В нем не должно быть различных примесей. Широко распространен алюминий марки АИ1, а также АВ2.
Среда, в которой находится алюминий.
Какая концентрация примесей в окружающей алюминий среде.
Температура.
Большое влияние оказывает рН среды. Нужно знать, что оксид алюминия может образовываться, когда рН находится в интервале между 3 и 9. В той среде, где на поверхности листа алюминия сразу же появляется оксидная пленка, коррозионные процессы развиваться не будут.

Как алюминий защищен от коррозии?

Сплавы других металлов подвержены появлению ржавчины. Она проявляется достаточно быстро. Если создать для алюминия определенные условия, то он не будет разрушаться долгие годы. Для защиты алюминия от коррозии на нем образуется специальная пленка. Она ложится тонким слоем, который составляет от 5 до 10 миллиметров. Состоит подобное покрытие из оксида алюминия.

Пленка является прочной и дает металлу дополнительную защиту от внешних негативных воздействий. Благодаря такому слою воздух и влага не попадают в структуру материала. Если целостность оксидного покрытия нарушается, то начинается процесс коррозии алюминия. Металл теряет свои свойства.

Причины появления коррозии

Когда встает вопрос о том, ржавеет ли алюминий, необходимо задуматься о причинах, приводящих к коррозии. Различные внешние факторы могут ускорять этот процесс. Причины появления ржавчины на алюминии могут быть следующими:

Взаимодействие с какой-либо кислотой или щелочью.
Механическое давление. Например, трение или сильный удар, после чего появляется царапина на верхнем слое металла.
Существуют промышленные районы. В них продукты распада топлива влияют на оксидную пленку и разрушают ее. Металл начинает портиться. Аналогичная ситуация происходит в мегаполисах, где продукты распада топлива будут взаимодействовать с серой, а также с оксидами углерода. Подобный процесс разрушает пленку на алюминии. После такого рода внешнего воздействия алюминий подвергается коррозии.
Следует помнить, что хлор, фтор, а также бром и натрий могут растворить защитный слой металла.
Если на металл попадают строительные смеси, то он начинает быстро портиться. В данном случае на алюминий неблагоприятно воздействует цемент.
Ржавеет ли алюминий от воды? Если она попадает на лист, то металл может быть подвержен коррозионным процессам. Важно при этом уточнить, какая жидкость оказывает воздействие. Многие используют специальный сплав, который не подвержен коррозии от воды. Его называют дюралюминием. Уникальный сплав используют вместе с медью, а также с марганцем.

Что такое электрохимическая коррозия и может ли она быть на листе алюминия?

Чаще всего появление электрохимической коррозии провоцируют гальванические пары. Повреждение появляется в месте соединения двух разных сплавов. В таком случае ржавчина будет явно бросаться в глаза.

Важным моментом является то, что портится только один металл, а второй является источником запуска коррозионного процесса. Чтобы не бояться электрохимической коррозии, нужно использовать магниевый сплав.

Специалисты из-за электрохимической ржавчины не рекомендуют использовать обычное железо при контакте с кузовом из алюминия.

Какие факторы могут замедлить процесс?

Существует ряд факторов, которые замедляют процессы коррозии алюминия, а некоторые из них останавливают подобное явление. Выделяют следующие:

Чтобы свойства алюминия, препятствующие коррозии, сохранялись, необходимо поддерживать кислотно-щелочной баланс. Диапазон должен составлять от шести до восьми единиц.
Считается, что чистый металл, без примесей, лучше противостоит агрессивной среде. Учеными были проведены эксперименты. По результатам можно сказать, сплавы чистого алюминия (90%) подвержены коррозии больше, чем сплав, содержащий 99% этого вещества. У первого варианта коррозия наступает в 80 раз быстрее, чем у второго сплава.
Чтобы в агрессивной среде металл дольше не терял свои свойства, его обрабатывают специальной краской. Можно использовать полимерный состав. После обработки появляется дополнительный защитный слой.
Если добавить в сплав при производстве 3% марганца, то появится возможность избежать коррозии алюминия.

При каких условиях начинается разрушение алюминия на воздухе

Некоторые интересуются, ржавеет ли алюминий на воздухе. Если будет разрушена оксидная пленка на верхнем слое металла, то может начаться процесс коррозии. В результате может проявиться ржавчина. Рост пленки, как правило, замедляется на свежем воздухе. Следует помнить, что оксид алюминия отличается хорошей сцепкой с поверхностью металла.

Если лист хранится на складе, то пленка будет от 0,01 до 0,02 мкм. Если металл соприкасается с сухим кислородом, то толщина оксидной пленки на поверхности будет от 0,02 до 0,04 мкм. Если алюминий подвергают термической обработке, то толщина пленки изменяется. Она будет равна 0,1 мкм.

Считается, что алюминий обладает достаточной стойкостью, чтобы использовать его на свежем воздухе. Например, его применяют в сельской местности, а также в удаленных промышленных зонах.

Как вода воздействует на описываемый металл?

Коррозия алюминия в воде может наступить от повреждения верхнего слоя и защитной пленки. Высокая температура жидкости способствует скорейшему разрушению металла.

Если алюминий поместить в пресную воду, то коррозионные процессы практически не будут наблюдаться. Если повысить температуру воды, то изменений можно не заметить.

Когда жидкость нагревается до температуры 80 градусов и выше, то металл начинает портиться.

Скорость коррозии алюминия увеличивается, если в воду попадает щелочь. Описываемый металл обладает повышенной чувствительностью к соли. Именно поэтому морская вода для него губительна.

Чтобы использовать этот металл в морской воде, необходимо в жидкость добавлять магний или кремний.

Если использовать лист алюминия, в составе которого есть медь, то коррозия сплава будет протекать гораздо быстрее, чем у чистого вещества.

Опасна ли для алюминия серная кислота?

Люди интересуются, ржавеет ли алюминий в серной кислоте. Подобная кислота является потенциально опасной для сплавов. Она обладает ярко выраженными окислительными свойствами. Они разрушают оксидную пленку и ускоряют коррозию металла.

Интересным моментом является то, что концентрированная холодная сера не влияет на алюминий. Если алюминий нагреть, тогда могут начаться процессы коррозии металла. В таком случае появляется соль, ее называют сульфатом алюминия. Она растворима в воде.

Стойкость алюминия в азотной кислоте

Описываемый металл отличается повышенной стойкостью при попадании в раствор азотной кислоты. Его часто синтезируют для того, чтобы получить концентрированную азотную кислоту.

Какие вещества не оказывают воздействия на алюминий?

Не стоит бояться коррозионных процессов, если алюминий соприкоснется с лимонной кислотой. Не изменят свойства его сплава также яблочная кислота и фруктовый сок. Масляная слабо влияет на сплавы, в состав которых входит алюминий.

Будет ли происходить коррозия металла при контакте со щелочью?

Не стоит допускать контакта алюминия с различными щелочами. Они легко разрушают защитную пленку на верхнем слое. Металл вступает в реакцию с водой, после чего начинает выделяться водород. Процесс коррозии происходит в данном случае быстро. Ртуть и медь также пагубно влияют за защитный слой алюминия.

Итак, мы выяснили, ржавеет ли алюминий. Как видите, не всегда он имеет хорошую коррозионную защиту.

2.2.3. Характерные химические свойства алюминия

Окисляется ли алюминий

Алюминий — амфотерный металл. Электронная конфигурация атома алюминия 1s22s22p63s23p1. Таким образом, на внешнем электронном слое у него находятся три валентных электрона: 2 — на 3s- и 1 — на 3p-подуровне.

В связи с таким строением для него характерны реакции, в результате которых атом алюминия теряет три электрона с внешнего уровня и приобретает степень окисления +3.

Алюминий является высокоактивным металлом и проявляет очень сильные восстановительные свойства.

с кислородом

При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайшую, толщиной в несколько десятков атомарных слоев, прочную оксидную пленку состава Al2O3, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления. Невозможно и окисление крупных образцов алюминия даже при очень высоких температурах. Тем не менее, мелкодисперсный порошок алюминия довольно легко сгорает в пламени горелки:

4Аl + 3О2 = 2Аl2О3

с галогенами

Алюминий очень энергично реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между перемешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления капли воды в качестве катализатора. Уравнение взаимодействия йода с алюминием:

2Al + 3I2 =2AlI3

С бромом, представляющим собой тёмно-бурую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания. Образец алюминия достаточно просто внести в жидкий бром: тут же начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:

2Al + 3Br2 = 2AlBr3

Реакция между алюминием и хлором протекает при внесении нагретой алюминиевой фольги или мелкодисперсного порошка алюминия в заполненную хлором колбу. Алюминий эффектно сгорает в хлоре в соответствии с уравнением:

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

с серой

При нагревании до 150-200 оС или после поджигания смеси порошкообразных алюминия и серы между ними начинается интенсивная экзотермическая реакция с выделением света:

— сульфид алюминия

с азотом

При взаимодействии алюминия с азотом при температуре около 800 oC образуется нитрид алюминия:

с углеродом

При температуре около 2000oC алюминий взаимодействует с углеродом и образует карбид (метанид) алюминия, содержащий углерод в степени окисления -4, как в метане.

с водой

Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al2O3 не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде.

При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑

с оксидами металлов

После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000оС. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:

2AI + Fe2O3 = 2Fe + Аl2О3

Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией.

с кислотами-неокислителями

Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:

а) 2Аl + 3Н2SO4(разб.) = Аl2(SO4)3 + 3H2↑

2Аl0 + 6Н+ = 2Аl3+ + 3H20;

б) 2AI + 6HCl = 2AICl3 + 3H2↑

-концентрированной серной кислотой

Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:

Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H2SO4) до степени окисления -2 (в H2S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.

— концентрированной азотной кислотой

Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно протекает реакция:

— разбавленной азотной кислотой

Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N2O и NH4NO3:

8Al + 30HNO3(разб.) = 8Al(NO3)3 +3N2O↑ + 15H2O

8Al + 30HNO3(оч. разб) = 8Al(NO3)3 + 3NH4NO3 + 9H2O

со щелочами

Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

так и с чистыми щелочами при сплавлении:

В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:

Аl2О3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]

Аl2О3 + 2NaOH = 2NaAlO2 + Н2О

В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑

Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:

Степень окисления и физические свойства алюминия

Окисляется ли алюминий

Степень окисления алюминия характеризует валентность химического элемента, отражает его способность образовывать соединения. Это свойство учитывается при разведке месторождений руд, богатых на ценный компонент, технологии их обогащения, очистки от примесей второстепенных соединений и применении в разных отраслях производства.

Окисление алюминия влияет на его использование в производстве

Физические и химические параметры элемента

Алюминий — химический элемент с атомным номером 13, представляющий собой металл серебристо-белого цвета. Его название происходит от латинского слова alumen — квасцы. Практически во всех соединениях химический элемент проявляет валентность 3.

Кристаллизация химического элемента происходит в кубической гранецентрированной решетке. Металл может окисляться при комнатной температуре. При этом его поверхность покрывается тонкой оксидной пленкой, выполняющей защитную функцию.
Температура плавления химически чистого алюминия 660 °C, кипения – 2450 °C. Плотность металла при нормальных условиях составляет 2,6989 г/см3.
На воздухе алюминий окисляется с образованием тонкой пленки, которая препятствует дальнейшему реагированию с металлом. Такое защитное соединение формируется, если поместить алюминий в концентрат азотной кислоты.
Металл активно взаимодействует с соляной кислотой. При реакции со щелочами сначала разрушается защитный оксидированный слой, а затем происходит реакция с образованием алюминатов натрия, калия (в зависимости от вида щелочного соединения).
При нагревании химический элемент реагирует с бромом и хлором. При взаимодействии с серой образуется сульфид алюминия, который легко растворяется в воде. С водородом металл реагирует косвенно путем искусственного синтеза органических соединений. В результате образуется сильнейший восстановитель — полимерный гидрид алюминия.
При сжигании порошкообразного металла на воздухе образуется тугоплавкий порошок оксида химического элемента, соединение которого обладает высокой прочностью. Это свойство используется для восстановления металлов из их окислов.
В лабораторных условиях соединения алюминия, содержащие гидроксильную группу OH, можно получить в результате обменных реакций или за счет добавления в раствор соды или аммиака. Соединение алюминия оседает на дно в виде гелеобразного осадка.

Технологии извлечения алюминия

Химический элемент № 13 является самым распространенным в природе, его содержание в земной коре составляет около 9%. Металл входит в состав более 250 минералов, главным образом, алюмосиликатов, из которых состоит земная кора.

Продуктом разрушения образований является глина, состоящая из каолинита. В ней иногда содержится примесь железа, придающая бурый цвет.

Несмотря на то, что в природе существует много минеральных образований, не все они являются рудным материалом для извлечения ценного компонента. Для добычи используют бокситовые руды, в которых содержится промышленная концентрация металла.

Алюминий образует минерал корунд, по твердости уступающий алмазу. в алюминиевом соединении Al2O3 примеси оксида хрома, титана и железа формирует драгоценные минералы рубин и сапфир.

Из обогащенной руды ценный компонент извлекают путем электролиза раствора оксида в расплавленном соединении фтора, натрия и алюминия (криолите). Такой способ позволяет проводить электролиз при температуре менее 1000 °C.
Благодаря низкой плотности расплава, жидкое соединение опускается на дно, что облегчает извлечение. При электролитическом получении металла для начала из глинозема выделяют чистый оксид Al2O3.
Перед использованием руду очищают от примесей соединений железа, кремния, кальция. При обжиге бокситов испаряется содержащаяся в минералах вода. Полученный материал разделяют при воздействии углекислого газа на соединение.

Широко применяется в производстве чистого алюминия химический способ. Он состоит в обработке руды щелочью NaOH при температуре 220 °C с получением Al (OH)2. В результате гидролиза раствора происходит окисление алюминия и осаждение его соединения.

Производят алюминий химическим способом

Потом в результате использования углекислого газа получают соду и поташ. Для получения химически чистого материала технический материал нагревают в парах AlF3 с последующим охлаждением. В результате изменения температуры происходит выделение чистого алюминия.

Производство металла высокой чистоты предусматривают разработку новых технологий и создание условий, при которых металл может оксидировать без дополнительных затрат энергии.

Один из новых методов предусматривает синтез оксида алюминия высокой чистоты методом каталитического окисления металла кислородом воды с применением ультразвуковых колебаний, разработку автокаталитического способа получения субмикронного порошка с последующим формирование брикет высокой плотности.

Сферы использования металла и его соединений

Значительное количество алюминия находится в фарфоре, кирпиче, цементе. По масштабам использования сплавы металла уступают место железу. Широкое применение алюминиевых материалов в различных отраслях связано с рядом физических и химических параметров:

невысокая плотность;
металл не ржавеет, обладает устойчивостью к коррозии;
имеет высокую электропроводность;
легко поддается штамповке, прокату и обладает ковкостью;
пластичен и прочен;
на поверхности алюминиевых сплавов легко наносятся декоративные и защитные покрытия.

При добавлении разных лигатурных компонентов сплавы на основе алюминия приобретают новые свойства, формируя интерметаллические соединения или твердые растворы.

Не все материалы способны образовывать оксидные пленки даже принудительно. Для сохранения антикоррозионных свойств материала кислотно-щелочной баланс должен соответствовать диапазону от 6 до 8 единиц.

Чистый алюминий практически не подвергается воздействию агрессивной среды. Даже тонкое покрытие поверхности металлом без примесей способно предотвратить реакцию.

Основную массу металла используют для получения легких сплавов:

дюралюминия, в котором находится 94% алюминия, 4% меди, по 0,5% железа, марганца, кремния и магния;
силумина — до 90% основа, до 14% кремний и натрий.Легкие сплавы – дюралюминий и силумин

В металлургии химический элемент используют в качестве лигатурной добавки в составы на основе меди, никеля, железа, магния. Такие соединения широко применяются в автомобилестроении, в быту, авиационной технике.

Из сплава с основным содержанием алюминия был изготовлен первый искусственный спутник планеты Земля. В виде порошка его используют как компонент ракетного топлива. Эта идея принадлежит Ф. А. Цандеру. Сплав металла с цирконием используют в строительстве ядерных реакторов, изготовлении взрывчатых материалов.

https://www.youtube.com/watch?v=z_gEnBZJTgk

Электрохимическим способом на поверхности ювелирной бижутерии наносят защитные окрашенные пленки, по внешнему виду напоминающие золото. Сплав алюминия с золотом, обладающий насыщенным фиолетовым цветом, используют в качестве вставок в украшения.

При обращении с металлом в домашних условиях нужно соблюдать правила эксплуатации посуды из алюминия. Чтобы продукты не окислились, то их стоит хранить в эмалированной или стеклянной посуде.

Готовить в посуде из алюминия можно нейтральные жидкости, например, воду или молоко. Кислые блюда реагируют с металлом и приобретают неприятный вкус в результате разрушения оксидной пленки.

Металл можно расплавить в домашних условиях с целью изготовления различных деталей методом литья. В промышленном производстве в качестве материала для форм используют металл с высшей температурой плавления, а в кустарных условиях для этой цели применяют гипс.

Окисление алюминия при переплаве алюминиевого лома

Окисляется ли алюминий

Из-за его высокого сродства к кислороду эта реакция происходит мгновенно.

Окисление алюминиевой стружки

С особенностью роста оксидной пленки, которая показана на рисунке 1, связан интересный феномен. Он происходит при хранении алюминиевых отходов в виде стружки. Этот вид алюминиевого лома возникает при механической обработке алюминия и поступает на переплав в основном в виде токарной и сверлильной стружки.

Эта стружка имеет после механической обработке свежую, чистую поверхность, которая сразу же начинает окисляться. Так как стружка перед переплавом хранится в прессованных пакетах, то, казалось бы, окисляться должен только наружный их слой, а внутренние слои пакета сохраняться без окисления.

Однако по изменению веса пакета было установлено, что окисление его в целом продолжается в течение длительного времени. Причина этого в том, что в пакете есть щели и полости, через которые воздух медленно, но уверено проникает во внутренние его слои. Большинство отдельных стружек очень тонкие, и оксидный слой, хотя и еще более тонкий, дает значительную долю в общем весе пакета.

Поэтому при длительном хранении стружки потери металла возникают просто ниоткуда. Вывод из этого может быть только один – стружку необходимо переплавлять немедленно после ее поступления.

Удельная поверхность алюминиевого лома

Потеря алюминия из-за его окисления при переплаве в печи какой-нибудь загрузки лома пропорциональна удельной площади этого лома. Удельная площадь выражается соотношением

ауд = m/A,

где m – общая масса партии лома, A – общая площадь поверхности всех кусочков лома, составляющих эту загрузку.

Удельная площадь поверхности алюминиевых отходов является критическим параметром. Ее величина увеличивается с уменьшением размеров частиц лома. Так, у куба со стороной 10 см площадь поверхности равна 600 кв. см, а у эквивалентных по массе 1000 кубиков со стороной 1 см – в 10 раз больше. Поэтому скорость окисления этих кубиков будет в 10 раз больше, чем большого куба.

Оксидная пленка на жидком алюминии

За исключением операций сушки и обжига органических покрытий все окисление алюминиевого лома происходит в жидком состоянии.

В ходе плавления защитная оксидная пленка разрушается, и окисление алюминия начинается снова, но уже при более высокой температуре.

На невозмущенной поверхности расплава алюминия устанавливается стабильная оксидная пленка, толщина которой медленно увеличивается во времени.

Зависимость интенсивности окисления жидкого алюминия от температуры

С ростом температуры расплава скорость окисления алюминия возрастает.

Она довольно медленно возрастает вплоть до интервала температуры от 760 до 780 °С, а затем следует резкое увеличение скорости окисления, как это показано на рисунке 2.

Нагрев алюминиевого расплава выше этих температур приводит к повышенным потерям алюминия от его окисления. Эти потери часто называют «угар алюминия».

Рисунок 2

Оптимальная температура для расплава алюминия

С учетом резкого роста окисления алюминия при температуре расплава выше 760-780 °С, если нет особых причин для высокой температуры расплава (например, большая длина передающих металлопроводов), жидкий алюминий разогревают как раз до температуры, которая оптимальна для его разливки. В большинстве случаев эта температура составляет от 730 до 750 °С.

Окисляется ли алюминий

Алюминий имеет отрицательный окислительно-восстановительный потенциал (–1,66 В), а магний, его важный легирующий элемент, имеет даже более низкий потенциал (–2,38 В).

Поэтому, как и большинство других металлов, алюминий встречается в природе только как очень стабильный оксид. Химически это означает наиболее стабильное состояние на самом низком энергетическом уровне.

При электролизе металл вынуждают отделиться от кислорода путем подъема его энергетического потенциала. При контакте с кислородом алюминий стремится вернуться к более низкому энергетическому уровню в виде оксида алюминия.

Из-за его высокого сродства к кислороду эта реакция происходит мгновенно.

Коррозия алюминия

Напомним, что коррозией называется процесс разрушения металлов и их сплавов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды.

Металл, стойкий к коррозии в одних условиях, может разрушаться в других.

Так, например, алюминий стоек к коррозии, вызываемой жидким топливом, и не стоек к действию натриевой щелочи (так называемое явление пассивности и активности).

Окись алюминия создает химически инертный защитный слой, толщина которого составляет 20—100Å.

Алюминий, поверхность которого очищена от защитной пленки, может реагировать с водой, выделяя при этом водород. Под влиянием окислителей поверхность алюминия пассивируется, поэтому кислород, содержащийся в воздухе или растворенный в воде, повышает его коррозионную стойкость.

Коррозионная стойкость алюминия в значительной степени зависит от содержания примесей других металлов.

Как известно, при контакте двух металлов, погруженных в среду электролита, образуется гальваническая пара, где более активный металл становится анодом, а менее активный — катодом.

В результате электрохимической реакции анод разрушается. Большинство примесей (за исключением металлов, более активных, чем алюминий) играют роль катода по отношению к алюминию, т.е.

способствуют его разрушению.

По этой причине алюминий высокой чистоты отличается более высокой коррозионной стойкостью, чем технический металл, который, в свою очередь, более устойчив к коррозии, чем сплавы алюминия. Кроме того, коррозионная стойкость алюминия зависит от характеристик окружающей среды и от реакций, вызываемых этой средой в алюминии.

Механизм коррозии алюминия

В присутствии окислителей поверхность алюминия покрывается защитным слоем окиси алюминия. Защитный слой, в свою очередь, состоит из двух слоев:

Внутреннего слоя Al2O3, который образуется при непосредственной реакции кислорода с металлом. Внутренний слой оксида прочно прилегает к металлу основы, а его структура и толщина зависят от температуры окисления.
Наружного, образующегося в результате реакции внутреннего слоя с внешней средой, в основном, с водой. Толщина этого слоя зависит от времени протекания коррозии и концентрации агрессивных веществ в окружающей среде. Увеличение толщины наружного слоя происходит за счет окисления металла основы. Наружный слой порист, он пропускает воздух и влагу.
В результате коррозионных процессов на поверхности алюминия общая толщина защитного слоя увеличивается, но толщина внутреннего слоя при этом остается постоянной.

Виды коррозии

Коррозию металлов можно разделить на химическую и электрохимическую.

Электрохимическая коррозия происходит при действии на металл растворов электролитов (т.е.

растворов, содержащих носители электрического тока — ионы) и сопровождается возникновением электрического тока.

Химическая коррозия происходит при воздействии на металл сухих газов, пыли, жидких веществ (не электролитов) и не сопровождается возникновением электрического тока.

Разрушающее действие коррозии всегда начинается с поверхности металла.

Этому процессу чаще всего сопутствуют изменения внешнего вида поверхности: она становится матовой, изменяет цвет, появляются точки, пятна, вздутия и т. д. В результате взаимодействия алюминия с окружающей средой образуются вещества (продукты коррозии), свойства которых в значительной мере влияют на протекание коррозионных процессов. Рассмотрим возможные разновидности такого влияния:

В процессе коррозии образуются летучие или растворимые вещества, которые легко и быстро удаляются с места реакции и не препятствуют распространению коррозии. В результате реакция проходит по всей поверхности металла, доступной для коррозионного воздействия, и без помех распространяется в глубину.
На поверхности металла возникают тонкие, прозрачные, прочно связанные с металлом слои, которые перекрывают доступ агрессивного реагента к металлу основы. Эти слои являются причиной так называемой «пассивации» поверхности. С образованием такого слоя коррозия практически полностью останавливается, а остаточные процессы происходят только на наружной поверхности слоя, который может частично растворяться в агрессивной среде.
Неоднородность поверхностного слоя приводит к проявлению неравномерной или местной коррозии. Слой продуктов коррозии неравномерно распределяется по всей поверхности корродирующего металла.