Окисление алюминия на воздухе

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 в воде

Коррозия алюминия почти не наблюдается при взаимодействии с чистой пресной, дистиллированной водой. Повышение температуры до 180 °С особого воздействия не оказывает. Горячий водяной пар на коррозию алюминия влияния также не оказывает. Если в воду, даже при комнатной температуре, добавить немного щелочи – скорость коррозии алюминия в такой среде немного увеличится.

Взаимодействие чистого алюминия (не покрытого оксидной пленкой) с водой можно описать при помощи уравнения реакции:

При взаимодействии с морской водой чистый алюминий начинает корродировать, т.к. чувствителен к растворенным солям. Для эксплуатации алюминия в морской воде в его состав вводят небольшое количество магния и кремния. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов, при воздействии морской воды, значительно снижается, если в состав метала будет входить медь.

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.

Коррозия алюминия в щелочах

Щелочи легко растворяют защитную оксидную пленку на поверхности алюминия, он начинает реагировать с водой, в результате чего металл растворяется с выделением водорода (коррозия алюминия с водородной деполяризацией).

Также оксидную пленку разрушают соли ртути, меди и ионы хлора.

Практические примеры защиты алюминия от коррозии материалами, предлагаемыми НПП НОТЕХ, смотрите по ссылке ЗАЩИТА АЛЮМИНИЯ

Алюминий и его сплавы отличаются хорошей устойчивостью к коррозии в различной окружающей среде. Такое свойство обусловлено высокой химической активностью алюминия – при взаимодействии с агрессивной средой на его поверхности мгновенно образуется инертная оксидная пленка (происходит пассивация металла), которая защищает от коррозии алюминий и его сплавы.

На коррозионную устойчивость алюминия влияет множество факторов:

• чистота металла (марка АВ1 и АВ2 – высокий показатель чистоты);
• коррозионная среда;
• концентрация агрессивных примесей в среде;
• температура;
• рН растворов – инертная оксидная пленка образуется только в интервале рН от 3 до 9, она устойчива в водных растворах, в которых уровень рН составляет 4,5 – 8,5.

Атмосферная коррозия алюминия

Алюминий и алюминиевые сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях благодаря образованию пассивной пленки оксида алюминия (Al₂O₃), которая защищает поверхность металла от коррозии. Толщина пленки в среднем составляет 0,01-0,04 мкм. При термической обработке алюминия – до 0,1 мкм.

Реакция окисления алюминия:

Водная коррозия алюминия

Пассивированный алюминий не корродирует в дистиллированной воде даже при высоких температурах. Чистый алюминий вступает в реакцию с образованием гидроксида алюминия, которую можно выразить уравнением реакции:

Также корродирует чистый алюминий и в морской воде. Сплавы алюминия с кремнием и магнием устойчивы к коррозии в морской воде. Наличие меди в сплаве значительно снижает коррозийную устойчивость.

Коррозия алюминия в кислотах

Алюминий не устойчив к действию кислот. Исключение – концентрированные азотная и серная кислоты – их окислительные свойства настолько сильны, что при контакте с алюминием он мгновенно пассивируется с образованием инертной оксидной пленки.

Серная кислота средних концентраций вызывает коррозию алюминия:

С концентрированной серной кислотой алюминий вступает в реакцию при нагревании:

При взаимодействии с такими кислотами, как соляная (HCl), бромистоводородная (HBr) и плавиковая (HF), алюминий и его сплавы корродируют:

Концентрированный раствор азотной кислоты при нормальной температуре пассивирует алюминий. Реакция коррозии алюминия под воздействием азотной кислоты при нагревании:

Алюминий достаточно устойчив к уксусной кислоте любых концентраций (до 65 °С). Хромовая и фосфорная кислоты (сильно разведенные), а также лимонная, яблочная, винная, пропионовая кислота не разрушают алюминий при комнатной температуре. В щавелевой, муравьиной и хлорорганических кислотах алюминий поддается коррозии.

Коррозия алюминия в щелочах

Оксидная пленка на поверхности алюминия и его сплавов разрушается под воздействием щелочей, и он вступает в реакцию с водой с выделением водорода и образованием алюминатов:

Силикат натрия или гидроксид аммония не разрушают оксидную пленку.

Окисление — алюминий

Окисление алюминия при атмосферных условиях происходит быстро, но не на большую глубину. Наличие окисной пленки на поверхности алюминия, как правило, тормозит дальнейшее протекание реакции окисления с кислородом воздуха. [1]

Окисления алюминия на воздухе без предварительной обработки не происходит, так как на его поверхности имеется невидимый простым глазом слой защитной пленки окиси алюминия. [2]

Окисление алюминия ускоряется выше температуры его плавления; мелко раздробленный алюминий при нагревании на воздухе сгорает. Присутствие примесей магния, натрия, меди, кремния усиливает окисление алюминия. [3]

Окисление алюминия на воздухе, а) Алюминий энергично окисляется на воздухе, если удалить с его поверхности пленку окиси алюминия и создать условия, при которых она не будет возникать. Через 2 — 3 мин алюминий вынимают из раствора нитрата ртути, промывают водой и протирают досуха бумагой. Алюминий вытесняет ртуть из ее соли, на поверхности образуется амальгама алюминия, препятствующая образованию плотной окисной пленки алюминия. Поэтому алюминий окисляется на воздухе, постепенно разрушается. [4]

Выразим окисление алюминия и восстановление кислорода электронными уравнениям. [5]

Возможность окисления алюминия в насыпных ВВ до плоскости Ч — Ж подтверждается экспериментальными данными, приведенными в [9.117, 9.126] и других работах, для смесей А1 с аммиачной селитрой и перхлоратами. [6]

Реакция окисления алюминия с помощью оксида железа ( III) протекает так. [7]

Процесс окисления алюминия или другого металла начинается уже непосредственно в прогретом слое конденсированной фазы. Основной же процесс окисления металла — процесс горения — идет в высокотемпературном пламени. Факел пламени пороха по существу состоит из газообразных продуктов горения, разлагающихся горючего и окислителя и горящих в этой среде частиц металла. Макрокинетика процесса горения такого факела должна учитывать закономерности горения и воспламенения индивидуальных частиц с определенным распределением их по размерам и изменение во времени концентрации активных реагептов в среде. [8]

Скорость окисления алюминия в различных условиях изучена совершенно недостаточно. Известно, что при высоких температурах алюминий покрывается очень тонкой, обладающей хорошими защитными свойствами пленкой, устойчивой даже при температуре плавления алюминия. [9]

Так, окисление алюминия во влажном кислороде при 25 С описывается во времени логарифмическим законом, переходящим по мере увеличения толщины окисной пленки в обратный логарифмический закон ( рис. 32); переход от логарифмического закона к обратно логарифмическому закону окисления наблюдали у тантала в интервале от 100 до 300 С. [11]

У реакции окисления алюминия имеется свой порог. [12]

Анодный процесс окисления алюминия сопровождается побочным процессом выделения кислорода. В начале процесса ( 20 — 30 мин) на выделение кислорода расходуется незначительная часть тока. Но по мере протекания процесса доля тока, приводящаяся к выделению кислорода, все возрастает. [13]

В этих условиях окисление алюминия идет с такой малой скоростью, что почти не удается зафиксировать разницы в величинах резонансной частоты при 2 — 3-кратном впуске и откачке влажной среды из камеры. Можно видеть, что количество адсорбирующейся влаги на алюминии при циклическом впуске среды в камеру отстается одинаковым. [15]