Химические свойства алюминия

Степень окисления алюминия физические свойства и сферы использования

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.

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. 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.

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.

Читайте также:  Способы и инструкция чистки кондиционера в машине

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.

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.

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.

Способы борьбы с коррозией алюминия

Алюминий – широко распространенный в промышленности и быту металл. Окисление алюминия на воздухе не происходит. Его инертность обусловлена тонкой оксидной пленкой, защищающей его. Однако под влиянием определенных факторов из окружающей среды этот метал все же подвергается разрушительным процессам, и коррозия алюминия — не такое уж и редкое явление.

Виды коррозии

Окисляется алюминий в атмосфере быстро, но на небольшую глубину. Этому препятствует защитная окисная пленка. Окисление ускоряется выше температуры плавления алюминия. Если нарушается целостность оксидной пленки, алюминий начинает корродировать. Причинами истончения его защитного слоя могут стать различные факторы, начиная с воздействия кислот, щелочей и заканчивая механическим повреждением.

Коррозия алюминия – саморазрушение металла под воздействием окружающей среды. По механизму протекания выделяют:

  • Химическую коррозию – происходит в газовой среде без участия воды.

  • Электрохимическую коррозию – протекает во влажных средах.

  • Газовое разрушение – но сопровождает нагрев и горячую обработку алюминия. В результате взаимодействия кислорода с металлами возникает плотная окисная пленка. Вот почему алюминий не ржавеет, как и все цветные металлы.

На видео: электрохимическая коррозия металлов и способы защиты.

Причины коррозии алюминия

Коррозионная стойкость алюминия зависит от нескольких факторов:

  • чистоты – наличия примесей в металле;
  • воздействующей среды – алюминий может одинаково подвергаться разрушению и на чистом сельском воздухе и в промышленно загрязненных районах;
  • температуры.

Во многих случаях малоконцентрированные кислоты могут растворить алюминий. От возникновения коррозии не защищает естественная окисная пленка.

Мощные разрушители – фтор, калий, натрий. Алюминий и его сплавы корродируют при воздействии химических соединений брома и хлора, растворов извести и цемента.

Коррозия алюминия и его сплавов происходит в воде, воздухе, оксидах углерода и серы, растворах солей. Морская вода приводит к ускоренному разрушению. Алюминий считается активным металлом, но при этом отличается хорошими коррозионными свойствами.

Выделяют два основных фактора, которые влияют на интенсивность коррозийного процесса:

  • степень агрессивности воздействующей окружающей среды – влажность, загрязненность, задымленность;
  • химическая структура.

Алюминий не подвергается коррозии в чистой воде. Не влияют на защитную оксидную пленку нагревание и пар.

Проявление коррозии алюминия

Выделяют следующие виды коррозии алюминия и его сплавов:

  • Поверхностная – наиболее распространенная, приносит наименьший вред, легко заметна и быстро поддается устранению.
  • Локальная – разрушения наблюдаются в виде углублений и пятен. Опасный вид коррозии в силу своей незаметности. Встречается в труднодоступных частях и узлах металлических конструкций.
  • Нитеподобная, филигрань – наблюдается под покрытиями из органики, на ослабленных местах поверхности.

Любой из видов коррозии конструкций из алюминия является причиной разрушения.

Это сокращает срок эксплуатации изделий. В гальванической паре алюминий может корродировать, при этом он защищает другой металл.

Естественных антикоррозийных свойств алюминия и его сплавов недостаточно. Поэтому механизмы, агрегаты, конструкции и изделия из металла нуждаются в дополнительной защите.

Способы борьбы с коррозией

Защита от коррозии производится несколькими способами:

  • Механическое лакокрасочное защитное покрытие.
  • Электрохимическая защита – покрытие более активными металлами;
  • Покрытие алюминия порошковыми составами, так называемый процесс аллюминирования;
  • Высоковольтное анодирование;
  • Химическое оксидирование;
  • Применение ингибиторов коррозии.

Механическое покрытие

Как защитить алюминий от коррозии? Чаще всего применяют механический способ – нанесение слоя краски.

Покройте краской изделие и вы убедитесь в действенности этого способа. Окрашивание бывает мокрым и сухим, или порошковым. Эти технологии усовершенствуются. При мокром окрашивании лакокрасочные слои наносят после защиты алюминия составом, содержащим соединения цинка и стронция. Металлическую основу тщательно подготавливают: защищают, шлифуют, сушат. Грунт наносят поэтапно.

Когда растворитель из грунтовочной смеси полностью исчезнет, поверхность можно покрывать изолирующим составом: масляным или глифталиевым лаком.

Специальные составы помогают остановить коррозию и защищают алюминиевые конструкции от химикатов, бензина, различного вида масел. Выбор покрытия зависит от условий последующей эксплуатации металлического изделия:

  • молотковые – применяют для получения конструкций различных цветовых оттенков, используемых в декоре;
  • бакелитовые – наносят под высоким давлением, заполняя микротрещины и поры.

Порошковое окрашивание требует тщательной очистки поверхности от жира и различных отложений. Это достигается погружением в щелочные или кислотные растворы с добавлением смачивателей. Далее на алюминиевые конструкции наносится слой хроматных, фосфатных, циркониевых или титановых соединений. После этого он не будет окисляться.

После просушки материала на окислившийся участок наносят защитный полимер. Чаще всего используются полиэфиры, стойкие к механическому, химическому и термическому воздействию. Применяют полимеризованный уретан, эпоксидные и акриловые порошки.

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.

Три способа удалить окисную плёнку с поверхности алюминия (1 видео)

Окисление алюминия при переплаве алюминиевого лома

Алюминий и его оксид

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

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.

Рисунок 1

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.

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

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.

Источник: Ch. Schmitz, Handbook of Aluminium Recycling, 2006.

Ссылка на основную публикацию
Хендай Туссан или Мицубиси Аутлендер — что лучше, сравнение, что выбрать, отзывы 2020
Honda CR-V, Hyundai Tucson, Mitsubishi Outlander,Toyota RAV4 Тест на выживание Tucson – один из самых молодых автомобилей в классе «паркетников»:...
Характеристики мотора 21214
Двигатель ВАЗ 21214, его технические характеристики, периодичность обслуживания, выбор моторного мас Этот силовой агрегат устанавливают на автомобили ВАЗ 21214, это...
Характеристики Тойота Приус отзывы владельцев, недостатки и плюсы
Toyota Prius V гибрид характеристики, расход топлива, обзор Популярность знаменитой Toyota Prius не могла остаться незамеченной. Для расширения возможностей автомобиля,...
Химические свойства алюминия
Степень окисления алюминия физические свойства и сферы использования Степень окисления алюминия характеризует валентность химического элемента, отражает его способность образовывать соединения....
Adblock detector