Коррозия алюминия – разрушение металла под влиянием окружающей среды.
Для реакции Al 3+ +3e → Al стандартный электродный потенциал алюминия составляет -1,66 В.
Температура плавления алюминия — 660 °C.
Плотность алюминия — 2,6989 г/см 3 (при нормальных условиях).
Алюминий, хоть и является активным металлом, отличается достаточно хорошими коррозионными свойствами. Это можно объяснить способностью пассивироваться во многих агрессивных средах.
Коррозионная стойкость алюминия зависит от многих факторов: чистоты металла, коррозионной среды, концентрации агрессивных примесей в среде, температуры и т.д. Сильное влияние оказывает рН растворов. Оксид алюминия на поверхности металла образуется только в интервале рН от 3 до 9!
Очень сильно влияет на коррозионную стойкость Al его чистота. Для изготовления химических агрегатов, оборудования используют только металл высокой чистоты (без примесей), например алюминий марки АВ1 и АВ2.
Коррозия алюминия не наблюдается только в тех средах, где на поверхности металла образуется защитная оксидная пленка.
При нагревании алюминий может реагировать с некоторыми неметаллами:
2Al + N2 → 2AlN – взаимодействие алюминия и азота с образованием нитрида алюминия;
4Al + 3С → Al4С3 – реакция взаимодействия алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия;
2Al + 3S → Al2S3 – взаимодействие алюминия и серы с образованием сульфида алюминия.
Коррозия алюминия на воздухе (атмосферная коррозия алюминия)
Алюминий при взаимодействии с воздухом переходит в пассивное состояние. При соприкосновении чистого металла с воздухом на поверхности алюминия мгновенно появляется тонкая защитная пленка оксида алюминия. Далее рост пленки замедляется. Формула оксида алюминия – Al2O3 либо Al2O3•H2O.
Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:
Толщина этой оксидной пленки составляет от 5 до 100 нм (в зависимости от условий эксплуатации). Оксид алюминия обладает хорошим сцеплением с поверхностью, удовлетворяет условию сплошности оксидных пленок. При хранении на складе, толщина оксида алюминия на поверхности металла составляет около 0,01 – 0,02 мкм. При взаимодействии с сухим кислородом – 0,02 – 0,04 мкм. При термической обработке алюминия толщина оксидной пленки может достигать 0,1 мкм.
Алюминий достаточно стоек как на чистом сельском воздухе, так и находясь в промышленной атмосфере (содержащей пары серы, сероводород, газообразный аммиак, сухой хлороводород и т.п.). Т.к. на коррозию алюминия в газовых средах не оказывают никакого влияния сернистые соединения – его применяют для изготовления установок переработки сернистой нефти, аппаратов вулканизации каучука.
Коррозия алюминия и методы его защиты
Алюминий и его сплавы отличаются отличной устойчивостью к разрушениям различного характера. Однако, несмотря на это — коррозия алюминия представляет собой не такое уж и редкое явление. Различные формы коррозии представляют собой основную причину порчи этих материалов. Для борьбы с разрушительными процессами необходимо обязательно понимать факторы, которые являются причиной их появления.
Коррозия алюминия представляет собой реакцию, которая имеет место между металлом и окружающей средой. Этот процесс может иметь как естественное, так и химическое происхождение. Самой распространенной формой разрушения металла можно назвать появление на его поверхности процессов ржавления.
Особенностью всех видов металлов можно назвать их свойство вступать в реакцию с водой и окружающей средой. Отличием для каждого вида металла считается только интенсивность данного процесса. К примеру, у благородных металлов типа золота скорость такой реакции не будет слишком быстрой, а вот железо, в том числе и алюминий, будут реагировать на воздействия такого характера достаточно быстро.
Можно выделить два фактора, которые оказывают непосредственное влияние на интенсивность протекания процесса коррозии. Одним из них можно назвать степень агрессивности окружающей среды, а вторым металлургическую или химическую структуру. Атмосфере, которая нас окружает, всегда характерен определенный уровень влажности. Кроме того, ей характерен определенный уровень загрязнений и отходов.
Если учесть, что свойства атмосферы часто определяются регионом и степенью индустриализации, на сегодняшний день можно выделить:
- сельская местность (малая степень загрязнений и средний уровень влажности);
- приморские области (средняя степень загрязнений и высокий уровень влажности);
- городская местность (средний уровень влажности и средний уровень продуктов распадов жидкого топлива, серы и окислов углерода);
- промышленные и индустриальные зоны (большое количество серы, окислов углеродов и кислот, а также средний уровень влажности)
Для большинства случаев, кислоты неорганического типа, даже при низкой концентрации смогут растворить алюминий. И даже натуральная пленка оксида алюминия не сможет стать достаточной защитой от возникновения коррозийных процессов.
Самыми мощными растворителями можно назвать фтор, калий и натрий. Кроме того, алюминию характерна довольно низкая сопротивляемость к соединениям хлора и брома. Весьма агрессивны к различным сплавам алюминиевых металлов, являются известковые и цементные растворы.
Можно выделить несколько разновидностей проявления коррозии алюминия и его сплавов:
- Поверхностная. Данный тип разрушения встречается чаще всего и является наименее вредоносным. Его легче всего заметить на поверхности. Это дает возможность своевременно использовать предохранительные средства. Поверхностные разрушения очень часто встречаются на анодированных профилях для строительства.
- Локальная. Такие разрушения проявляются в виде форм, углублений и пятен. Такой тип коррозии бывает поверхностного и междукристаллического типа. Разрушения такого характера являются особенно опасными, по причине того, что их достаточно сложно обнаружить. Такая коррозия очень часто разрушает именно труднодоступные части конструкций и узлов.
- Нитеподобная или филигранная. Этот вид разрушения алюминия часто появляется под покрытиями органического типа, а также на граничных поверхностях обработки. Нитеподобная коррозия появляется в ослабленных местах повреждения органического покрытия или краях отверстий;
Довольно часто, естественных антикоррозийных способностей алюминия и его сплавов для защиты от разрушений бывает недостаточно. А длительный период эксплуатации изделий из этих металлов, в обязательном порядке потребует использования дополнительных методов защиты. К самым частым методам протекции металлов от коррозии можно отнести:
- анодирование окисление (исследования немецких специалистов показывают, что данный вид защиты используется на 15% от общего количества производства строительных профилей в мире);
- покрытие поверхности металлов порошковыми составами;
- защита от контакта с другими металлами
Анодирование
Анодированное покрытие представляет собой покрытие, которое создает на поверхности алюминия прочную пленку из оксида алюминия, которая не поддается воздействию агрессивных сред. Такая обработка позволяет создать на поверхности металла такой слой пленки, который просто не оставляет алюминию возможности контактировать с внешней средой и ограждает его от процессов окисления.
Коррозия алюминия в кислотах
С повышением чистоты алюминия его стойкость в кислотах увеличивается.
Коррозия алюминия в серной кислоте
Для алюминия и его сплавов очень опасна серная кислота (обладает окислительными свойствами) средних концентраций. Реакция с разбавленной серной кислотой описывается уравнением:
Концентрированная холодная серная кислота не оказывает никакого влияния. А при нагревании алюминий корродирует:
При этом образуется растворимая соль – сульфат алюминия.
Al стоек в олеуме (дымящая серная кислота) при температурах до 200 °С. Благодаря этому его используют для производства хлорсульфоновой кислоты (HSO3Cl) и олеума.
Коррозия алюминия в соляной кислоте
В соляной кислоте алюминий или его сплавы быстро растворяются (особенно при повышении температуры). Уравнение коррозии:
Аналогично действуют растворы бромистоводородной (HBr), плавиковой (HF) кислот.
Коррозия алюминия в азотной кислоте
Концентрированный раствор азотной кислоты отличается высокими окислительными свойствами. Алюминий в азотной кислоте при нормальной температуре исключительно стоек (стойкость выше, чем у нержавеющей стали 12Х18Н9). Его даже используют для производства концентрированной азотной кислоты методом прямого синтеза
При нагревании коррозия алюминия в азотной кислоте проходит по реакции:
Коррозия алюминия в уксусной кислоте
Алюминий обладает достаточно высокой стойкостью к воздействию уксусной кислоты любых концентраций, но только если температура не превышает 65 °С. Его используют для производства формальдегида и уксусной к-ты. При более высоких температурах алюминий растворяется (исключение составляют концентрации кислоты 98 – 99,8%).
В бромовой, слабых растворах хромовой (до10%), фосфорной (до 1%) кислотах при комнатной температуре алюминий устойчив.
Слабое влияние на алюминий и его сплавы оказывают лимонная, масляная, яблочная, винная, пропионовая кислоты, вино, фруктовые соки.
Щавелевая, муравьиная, хлорорганические кислоты разрушают металл.
На коррозионную стойкость алюминия очень сильно влияет парообразная и капельножидкая ртуть. После недолгого контакта металл и его сплавы интенсивно корродируют, образуя амальгамы.
Оксидирование алюминия
Оксидирование алюминия протекает при постоянном токе под напряжением 250 В. Наращивание защитной пленки происходит при комнатной температуре с водяным охлаждением. Не требуется импульсного источника. Пленки получаются плотными и прочными в течение 45-60 минут.
На плотность и цвет оксидного покрытия влияет температура электролита:
- пониженная температура образует плотную пленку яркого цвета;
- повышенная – формирует рыхлую пленку, требующую дальнейшей окраски.
Образовать защиту алюминия от коррозии можно электрохимической реакцией. Процесс разделен на несколько этапов:
1. На стадии подготовки алюминиевое изделие обезжиривают, погружая его в раствор щавелевой кислоты.
2. После промывания водой опускают в щелочной раствор, чтобы удалить неравномерно образовавшийся оксидный слой.
3. Для дополнительной окраски алюминиевые изделия погружают в соответствующие растворы солей. Чтобы заполнить образовавшиеся поры, металлический материал обрабатывают паром.
4. Затем изделие подвергают сушке. Анодное оксидирование может проводиться с применением переменного тока.
Для защиты от коррозии применяют химическое оксидирование – менее затратное, не требующее специального электрического оборудования и квалификации исполнителей. Используется несложный химический состав.
В процессе алюминирования полученная оксидная пленка толщиной в 3 мкм имеет салатный цвет, обладает высокими электроизоляционными свойствами, не пориста, не окрашивается.
Коррозия алюминия возникает вследствие находящихся рядом металлов, которые окислились. Предотвращению этот процесса способствует изоляция. Это могут быть прокладки из резины, битума, паронита. При покрытии ржавчиной применяются лак и другие изолирующие материалы. Других способов избавиться от этой проблемы пока нет.
Естественное оксидное покрытие
Естественная поверхность алюминия, которая возникает в ходе изготовления алюминиевого изделия, например, прессованием, прокаткой или литьем, имеет высокое сопротивление коррозии в большинстве типов окружающей среды. Это происходит потому, что свежая поверхность алюминия спонтанно и мгновенно образует тонкий, но очень эффективный оксидный слой, который предотвращает дальнейшее окисление металла.
Эта оксидная пленка является непроницаемой и, в отличие от оксидных пленок других металлов, например, железа, очень прочно «прикрепляется» к основному металлу. При каком-либо механическом повреждении эта пленка мгновенно восстанавливается, залечивается.
Естественный оксидный слой и является главной причиной хорошего сопротивления алюминия к коррозии. Это покрытие является стойким в средах с кислотностью – водородным показателем рН – от 4 до 9.
Взаимодействие алюминия со сложными веществами
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↑
с кислотами-окислителями
-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
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.
Конструкционный материал для низких температур – алюминий
Алюминиевые сплавы являются очень важным классом конструкционных металлов для применения при отрицательных и даже криогенных температурах. Их применяют в деталях для работы при таких низких температурах как -270 °С. При отрицательных температурах большинство алюминиевых сплавов проявляют лишь незначительные изменения своих прочностных свойств.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) и предел текучести алюминиевых сплавов со снижением температуры могут лишь незначительно уменьшаться, а ударная прочность остается приблизительно постоянной. Поэтому алюминий является полезным материалом для многих низкотемпературных применений.
Основным сдерживающим фактором широкого применения алюминиевых сплавов в криогенной технике является их довольно низкое относительное удлинение по сравнению с некоторыми аустенитно-ферритными сталями. Поэтому в критических применениях с повышенными требованиями к безопасности, применяют все-таки эти стали.
§ 2. Алюминий
По распространенности в природе алюминий стоит на четвертом месте (после О, Н и Si), причем на его долю приходится около 5,5% от общего числа атомов земной коры. Главная масса алюминия сосредоточена в алюмосиликатах (X § 3). Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой (соответствующий каолину) отвечает формуле Аl2 О3 * 2SiO2 * 2H2 O. Из других минералов алюминия наибольшее значение имеют боксит (Аl2 О3 ·хН2 О) и криолит (AlF3 –3NaF).
1) Глина является основным сырьем керамической промышленности. Так называемая грубая керамика охватывает производства кирпича, различных огнеупорных (шамот и т. д.) и кислотоупорных (клинкер и т. д.) материалов, глиняной посуды (гончарное производство), изразцов, черепицы и т. д., а тонкая керамика – производство фарфора и фаянса.
Элементарный алюминий получают электролизом раствора Аl2 О3 в расплавленном криолите. Процесс ведут при температурах около 1000°С в электрических печах, причем на аноде выделяется кислород, а на катоде – алюминий. Последний собиоается на дне печи, откуда периодически и выпускается.
Схематически показанная на рис. 150 печь для выплавки алюминия состоит из железного ящика, внутренние стенки и дно которого выложены толстой угольной обкладкой К, служащей при электролизе катодом. В качестве анода применяется массивный угольный электрод А. Во время работы печи в нее периодически добавляют Аl2 О3 , а расплавленный металл удаляют. Выплавка алюминия весьма энергоемка: каждая тонна металла требует затраты около 20 тыс. квт • ч электроэнергии.
2) Так как очистка алюминия от примесей очень трудна, необходимо, чтобы чисты были сами исходные материалы для его получения. Криолит обычно готовят искусственно, путем совместного растворения Аl(ОН)3 и соды в плавиковой кислоте по реакции
ЗNa2 СО3 + 2Аl(ОН)3 +12НF = 2Na3 AlF6 + ЗСО2 + 9Н2 О
Природные бокситы, в состав которых входит 40–60% Al2 O3 и ряд примесей (SiO2 , Fe2 O3 и т. д.), подвергают предварительной химической переработке с целью выделения из них достаточно чистой окиси алюминия (содержащей не более 0,2% SiO2 и 0,04% Fe2 O3 ). Методы такой переработки сильно зависят от состава исходного боксита и довольно сложны.
Алюминий представляет собой серебристо–белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7, плавящийся при 660° и кипящий при 2350°С. Он характеризуется большой тягучестью и высокой электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов.
Значительно более обширно применение алюминия в виде различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Особенно важен так называемый дуралюминий (приблизительный состав: 94% Аl, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si). Он ценен тем, что при равной прочности изделия из него почти в три раза легче стальных. Не говоря уже об авиационной промышленности, для которой легкость материала особенно важна, облегчение металлических конструкций имеет громадное значение для ряда областей техники.
Это становится особенно наглядным, если принять во внимание, что, например, в груженом товарном вагоне около трети всего веса приходится на материалы, из которых изготовлен сам вагон, а в пассажирских вагонах на их собственный вес падает до 95% всей нагрузки. Очевидно, что даже частичная замена стали дуралюминием дает громадный техно–экономический эффект. В связи с этим, а также ввиду наличия в природе практически
неисчерпаемых запасов алюминия, его иногда называют «металлом будущего». Возможность широкой частичной замены им основного металла современной техники – железа – ограничивается главным образом сравнительно высокой стоимостью алюминия.
3) Кроме отмеченных областей применения алюминия, он находит широкое использование для выделки домашней посуды и т. д. При 100–150 °С алюминий настолько пластичен, что из него может быть получена фольга менее 0,01 мм толщины. Подобная фольга широко применяется для изготовления электрических конденсаторов и для завертывания некоторых продуктов. Чистая алюминиевая поверхность отражает около 90% падающего на нее излучения (не только видимого, но также инфракрасного и ультрафиолетового). Нанесением на стекло алюминия (путем напыления в вакууме) могут быть поэтому получены высококачественные зеркала, очень равномерно отражающие лучи различных длин волн. Тонкий порошок алюминия служит для изготовления устойчивой к атмосферным воздействиям серебристой краски. Ежегодная мировая добыча алюминия составляет в настоящее время около 3 млн. т (против 8 тыс. т в 1900 г.).
На воздухе алюминий тотчас покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой окисла, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. В связи с этим поверхность
его обычно имеет не блестящий, а матовый вид. При накаливании мелко раздробленного алюминия он энергично сгорает на воздухе. Аналогично протекает и взаимодействие его с серой. С хлором и бромом соединение происходит уже при обычной температуре, с иодом – при нагревании. При очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом. Напротив, с водородом он не взаимодействует.
По отношению к воде алюминий вполне устойчив. Сильно разбавленные, а также очень концентрированные HNO3 и H2 SO4 на алюминий почти не действуют, тогда как при средних концентрациях этих кислот он постепенно растворяется. Чистый алюминий довольно устойчив ипо отношению к соляной кислоте, но обычный технический металл в ней растворяется (рис. 151).
Алюминий легкорастворим в сильных щелочах по реакции, например:
2Аl + 2NaOH + 2Н2 О = 2NaAlO2 + ЗН2
В ряду напряжений он располагается между Mg и Zn. Во всех своих устойчивых соединениях алюминий трехвалентен.
4) Легкость растворения алюминия в сильных шелочах обусловлена снятием с него защитной окисной пленки по схеме: Аl2 О3 + 2ОН– = 2АlO2– +Н2 О. Так как в ряду напряжений Аl стоит значительно левее водорода, обнажение чистой поверхности металла тотчас сопровождается реакциями по схемам:
2Аl+ 6H+(из воды) = 2Аl3+ + ЗН2
и
2Аl3+ + 8ОН– = 2АlO2 + 4Н2 О
равновесие первой из них все время смещается вправо за счет второй. Аналогично протекает растворение в щелочах и других активных металлов с амфотерными гидроокисями – Sn, Zn и т. д.
Соединение алюминия с кислородом сопровождается громадным выделением тепла (399 ккал/моль Аl2 О3 ), значительно большим, чем в случае многих других металлов. Ввиду этого при накаливании смеси окисла соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого окисла свободного металла. Метод восстановления при помощи Аl (алюминотерми я) часто применяется для получения ряда элементов (Сг, Мn, V и др.) в свободном состоянии.
Алюминотермией иногда пользуются также для сварки друг с другом отдельных Стальных частей, в частности стыков трамвайных рельсов. Применяемая смесь («термит») состоит обычно из тонких порошков алюминия и закись–окиси железа (Fe3 O4 ). Поджигается она при помощи запала из смеси Аl и ВаO2 . Основная реакция идет по уравнению.
8Аl+ 3Fe3 O4 = 4А12 О3 + 9Fe + 795 ккал
причем развивается температура.около 3500°С.
Окись алюминия представляет собой белую, очень тугоплавкую и нерастворимую в воде массу. Природная Аl2 О3 (минерал корунд), а также полученная искусственно и затем сильно прокаленная отличается большой твердостью и нерастворимостью в кислотах. В растворимое состояние окись алюминия (т. н. глинозем) можно перевести сплавлением со щелочами.
5) Обычно загрязненный окисью железа природный корунд вследствие своей чрезвычайной твердости применяется для изготовления шлифовальных кругов, брусков и т. п. В– мелко раздробленном виде он под названием наждака служит для очистки металлических поверхностей и изготовления наждачной бумаги. Для тех же целей часто пользуются окисью алюминия, получаемой сплавлением боксита (техническое название – алунд).
Прозрачные кристаллы корунда, красиво окрашенные незначительными примесями других веществ, применяются в качестве драгоценных камней: красного рубина, синего сапфира и т. д, В настоящее время их делают искусственно путем плавления и последующей кристаллизации AI2 O3 в присутствии соответствующих примесей.
Ввиду нерастворимости Аl2 О3 в воде отвечающий этому окислу гидрат [Аl(ОН)3 ] может быть получен лишь косвенным путем (исходя из солей). Он представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах.
Гидроокись алюминия имеет, следовательно, амфотерный характер. Однако и основные и особенно кислотные ее свойства выражены довольно слабо. В избытке NH4 OH гидроокись алюминия нерастворима.
При взаимодействии Аl(ОН)3 с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты, например, по схеме:
Аl(ОН)3 +КОН = КАlО2 + 2Н2 О
Алюминаты наиболее активных одновалентных металлов в воде хорошо растворимы, но ввиду сильного гидролиза растворы их устойчивы лишь при наличии достаточного избытка щелочи. Алюминаты, производящиеся от более слабых оснований, гидролизо–ваны в растворе практически нацело и поэтому могут быть получены только сухим путем (сплавлением Аl2 О3 с окислами соответствующих металлов). Большинство из них в воде нерастворимо.
6) Водные растворы алюминатов содержат ионы [Аl(ОН)4 ]–, [Al(OH)5 ]2–и [Аl(ОН)6 ]3–. По этому же типу построены, по–видимому, и алюминаты, получаемые из растворов, тогда как при сплавлении окислов образуются безводные соли, по своему составу производящиеся от HAlO3 .
С кислотами Аl(ОН)3 образует соли, содержащие в растворе бесцветные ионы Аl3+. Производные большинства сильных кислот хорошо растворимы в воде, но довольно значительно гидролизованы и поэтому растворы их показывают кислую реакцию. Еще сильнее гидролизованы растворимые соли Аl3+ и слабых кислот.
В ряду галогенидов алюминия AlF3 сильно отличается по свойствам от своих аналогов. Полученный сухим путем (например, накаливанием Аl2 О3 в парах HF) фтористый алюминий представляет собой бесцветный кристаллический порошок, плавящийся лишь при 1040 °С. В воде он практически нерастворим.
Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом бесцветны и легкоплавки. Они весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. В водном растворе все они сильно гидролизованы. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl3 , АlВr3 и AlJ3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза).
С галоидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M3 [AlF6 ] и М[АlГ4 ] (где Г = Сl, Вr или J). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов, особенно у АlСl3 . Именно с этим связано его важнейшее техническое применение в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).
7) Некоторые константы галогенидов алюминия сопоставлены ниже:
Плотности паров АlCl3 , АLВr3 и АJз при сравнительно невысоких температурах более или менее точно соответствуют удвоенным формулам – Аl2 Г6 . Пространственная структура этих молекул отвечает двум тетраэдрам с общим ребром (рис. 152). Каждый атом алюминия связан с четырьмя атомами галоида, а каждый из центральных атомов галоида – с обоими атомами алюминия. Из двух связей центрального галоида одна является донорно–акцепторной (IX § 2 доп. 1), причем алюминий функционирует в качестве акцептора.
Сернокислый алюминий бесцветен и легкорастворим в воде. Выделяется он обычно в виде кристаллогидрата Al2 (SО4 )з ·18Н2 О. С сульфатами ряда одновалентных металлов сернокислый алюминий образует бесцветные комплексные соли типа M[Al(SO4 )2 ] ·12Н2 О. Будучи вполне устойчивы в твердом состоянии, эти соли (т. н. квасцы) в растворе почти нацело диссоциированы на отдельные составляющие их ионы. Помимо алюминия, комплексные сульфаты типа квасцов известны и для ряда другихтрехвалентных металлов (Э = Сr, Fe, V и др.). В качестве одновалентных катионов (М) в их состав могут входить К+, Na+, NH4+и некоторые другие.
Из остальных производных алюминия следует упомянуть его уксуснокислую соль [Al(СН3 СОО)3 ], используемую при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Соль эта известна только в растворе (где сильно гидролизована). Азотнокислый алюминий легкорастворим в воде. Фосфорнокислый алюминий нерастворим в воде (и уксусной кислоте), но растворим в сильных кислотах и щелочах.
Сульфид алюминия (AI2S3) может быть получен взаимодействием элементов и представляет собой белые иглы (т. пл. 1100 °С). С азотом порошкообразный алюминий соединяется выше 800 °С. Нитрид алюминия (AlN) представляет собой белый порошок, не изменяющийся при нагревании приблизительно до 2000 °С, а выше этой температуры начинающий распадаться на элементы. Водой он медленно разлагается по уравнению:
AlN + 3H2 O = Al(OH)3 + NH3
Желтый карбид алюминия (Аl4 С3 ) образуется при нагревании смеси окиси алюминия и угля приблизительно до 2000 °С. Вода разлагает его по уравнению: Аl4 С3 +12Н2 О = 4Аl(ОН)3 + ЗСН4 .
9) Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, однако косвенным путем в виде белой аморфной массы можно получить гидрид алюминия. Он представляет собой сильно полимеризованный продукт состава (АlН3 )x . При нагревании выше 100 °С гидрид алюминия разлагается на элементы.
Еще по теме:
- АЛЮМИНИЙ — химическая энциклопедия
- Алюминий — справочник по веществам
Производство алюминия
Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы – руда, представляющая собой в основном гидратированный оксид алюминия Al2O3Ч2H2O. Мировым лидером по производству алюминия являются США, затем Россия, Канада и Австралия. Алюминий наиболее известен как сырье для производства сплавов, используемых для изготовления пищевых емкостей (бидонов, баллонов, банок и т.п.), легкой кухонной посуды и другой домашней утвари. Неочищенный алюминий был впервые выделен Х.Эрстедом в 1825, хотя еще в 1807 Х.Дэви обнаружил неизвестный металл при обработке глины серной кислотой. Дэви не смог выделить металл из соединений, но назвал его алюминум (от лат. alumen – квасцы), а его оксид – глиноземом (alimina); вскоре это название металла по аналогии с названиями других металлов изменили на «алюминий», что стало общепринятым.
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. Содержание 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.
Применение алюминия
С давних времен квасцы применяли в медицине как вяжущее средство, в крашении для протравы, и для дубления кожи. Квасцами часто называют смешанные сульфаты одно- и трехвалентного металлов, например алюминия и калия (минерал сольфатерит). Римский ученый Плиний Старший (1 в. н.э.) в своей Естественной истории упоминает о квасцах как о солях, свойства которых изучали алхимики. Впервые для дубления кожи и в медицинских целях квасцы применили египтяне; они, а также лидийцы, финикийцы и иудеи, знали, что некоторые краски, например индиго и кошениль, лучше сохраняются, если их смешивать или пропитывать квасцами. Кристаллический оксид алюминия, встречающийся в природе под названием корунд, используется как абразив, благодаря высокой твердости. Рубин и сапфир – разновидности корунда, окрашенные примесями, являются драгоценными камнями.
Применение металлического алюминия
Алюминий – один из наиболее легких конструкционных металлов. Сплавы, получаемые из алюминия после термообработки, наряду с низкой плотностью отличаются высокой прочностью и другими важными механическими свойствами, что делает алюминий незаменимым для изготовления деталей транспортных средств (поршни и картеры, блоки и головки цилиндров авиационных и автомобильных двигателей, подшипники, силовой набор и обшивка фюзеляжей и пр.).
Алюминий легко подвергается волочению и вытяжке, что используется в производстве пищевых емкостей. Удельная электропроводность алюминия составляет ок. 61% электрической проводимости меди, но плотность алюминия в три раза меньше.
Сочетание хорошей проводимости с высокой коррозионной стойкостью на воздухе расширяет возможности использования алюминиевых кабелей, часто упрочняемых сталью, для высоковольтных электропередач. Алюминий отличается также и высокой теплопроводностью, что используется в двигателях, системах охлаждения и других устройствах.
Металл легко полируется механически и электролитически, поэтому его применяют также для отражателей телескопов и аналогичных целей. Алюминий широко используется как упаковочный материал и имеет максимальный среди других упаковочных материалов коэффициент извлечения при вторичной переработке. Рекуперация алюминиевого вторсырья позволяет экономить энергию, так как ее расход в этом случае меньше, чем при производстве алюминия из руды.
В 1981 доля рекуперированного алюминия в производстве пищевых емкостей составляла 53,2%, а к 1991 достигла 62,4% и продолжает расти. Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки и поэтому используется как кровельный материал, обшивка, а также в рефлекторах дневного и ИК-света.
Коррозионную стойкость его можно еще повысить методом электролитического анодного окисления, известного как анодирование, в результате чего увеличиваются толщина и сцепление оксидной пленки. Анодированная поверхность легко окрашивается, такой способ часто применяют для архитектурных панелей
Коррозионная стойкость алюминия в сочетании с красивым внешним видом обеспечивает его широкое применение в холодильной технике. Алюминий – сильный восстановитель, и его используют для выделения менее активных металлов, а также в качестве антиоксиданта в производстве стали и взрывчатых веществ. Алюминиевый порошок применяют в отделочных работах.
