Какой продукт образуется при окислении алюминия

Коррозия алюминия – разрушение металла под влиянием окружающей среды.

Для реакции Al3+ +3e → Al стандартный электродный потенциал алюминия составляет   -1,66 В.

Температура плавления алюминия — 660 °C.

Плотность алюминия — 2,6989 г/см3 (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:

4Al + 3O2 → 2Al2O3.

 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:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑.

 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:

 2Al + 3H2SO4(разб) → Al2(SO4)3 + 3H2↑.

Концентрированная холодная серная кислота не оказывает никакого влияния. А при нагревании алюминий  корродирует:

2Al + 6H2SO4(конц) → Al2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O.

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:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑.

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:

Al + 6HNO3(конц) → Al(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O.

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).

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

2(NaOH•H2O) + 2Al → 2NaAlO2 + 3H2↑.

Образуются алюминаты.

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

Алюминий —  элемент III группы, главной «А» подгруппы, 3 периода периодической системы, порядковый номер №13, относительная атомная масса Ar(Al) = 27.  Его соседом слева в таблице является магний – типичный металл, а справа – кремний – уже неметалл. Следовательно, алюминий должен проявлять свойства некоторого промежуточного характера и его соединения являются амфотерными. 

В возбужденном состоянии на внешнем уровне алюминия находится три неспаренных электрона. Поэтому в соединениях с ковалентной связью алюминий проявляет валентность III. Во всех соединениях алюминий проявляет постоянную степень окисления: +3.

Физические свойства

Алюминий в свободном виде — се­ребристо-белый металл, обладающий высокой тепло- и электро­проводностью. Температура плавления  650 $^circ C$. Алюминий имеет невысокую плотность (2,7 г/см$^3$) — при­мерно втрое меньше, чем у железа или меди, и одновременно — это прочный металл

Нахождение в природе 

По распространённости в природе занимает 1-е среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию.  В природе алюминий встречается только в соединениях (минералах):

• Бокситы — $Al_2O_3 cdot H_2O$ (с примесями $SiO_2, Fe_2O_3, CaCO_3$)

• Нефелины —$ KNa_3[AlSiO_4]_4$

• Алуниты — $KAl(SO_4)_2 cdot 2Al(OH)_3$

• Глинозёмы (смеси каолинов с песком $SiO_2$, известняком $CaCO_3$, магнезитом $MgCO_3$)

• Корунд — $Al_2O_3$

• Полевой шпат (ортоклаз) — $K_2Ocdot Al_2O_3 cdot6SiO_2$

• Каолинит — $Al_2O_3 cdot2SiO_2 cdot 2H_2O$

• Алунит —$ (Na,K)_2SO_4cdot Al_2(SO_4)_3 cdot4Al(OH)_3$

• Берилл — $3BeO cdot Al_2O_3 cdot6SiO_2$

               Берилл                                                Корунд                                                Нефелин

Химические свойства

Алюминий – химически  активный металл, но прочная оксидная пленка состава $Al_2O_3$ определяет его стойкость при обычных условиях. Практически во всех химических реакциях алюминий проявляет восстановительные свойства.

1. Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

$4Al + 3O_2 = 2Al_2O_3$

реакция сопровождается большим выделением тепла (1676 кДж).

С галогенами (кроме фтора) алюминий реагирует при комнатной температуре, с образованием галогенидов:

$2Al + 3Cl_2 = 2AlCl_3$

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С другими неметаллами алюминий реагирует при нагревании, образуя бинарные соединения:

$2Al +3F_2= 2AlF_3$  фторид алюминия ($t=600^circ C$)

$2Al + 3S = Al2S3$  сульфида алюминия ($t=200^circ C$)

$Al + P = AlP$ фосфид алюминия ($t=500^circ C$)

$2Al + N2 = 2AlN$ нитрид алюминия ($t=800^circ C$)

$4Al + 3C = Al4C3$  карбид алюминия ($t=2000^circ C$)

Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием гидроксида алюминия и летучих водородных соединений (сероводорода, фосфина, аммиака, метана и т.д.):

$Al2S3 + 6H_2O = 2Al(OH)_3downarrow + 3H_2S­uparrow$

$Al_4C_3 + 12H2O = 4Al(OH)_3downarrow+ 3CH_4­uparrow$

2. С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl2, CrAl7, FeAl3 и др.

3.Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

$2Al + 6H_2O = 2Al(OH)_3downarrow + 3H_2uparrow$

В результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

4. С оксидами менее активных металлов:

$Cr_2O_3 + 2Al = Al_2O_3 + 2Cr$

Такая реакция – алюмотермия – используется для получения чистых редких металлов, например таких, как вольфрам, ваннадий и др.                                                                           

5. Алюминий легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

$2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2uparrow$

$2Al + 3H_2SO_{4textrm{разб.}} = Al_2(SO_4)_3 + 3H_2uparrow$

$Al + 4HNO_3 = Al(NO_3)_3 + NOuparrow + 2H_2O$

в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония.

6. Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

• в растворе с образованием тетрагидроксоаалюмината натрия:

  $2Al + 2NaOH + 6H_2O = 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2$

• при сплавлении с образованием алюминатов:

  $2Al + 6KOH = 2KAlO_2 + 2K2O + 3H_2uparrow$

7. С солями менее активных металлов (стоящих в ряду напряжения правее алюминия):

$2Al + 3NiSO_4 = 3Ni + Al_2(SO_4)_3$

Соединения алюминия

Оксид алюминия $Al_2O_3$

твердое вещество белого цвета, тугоплавкое. Не реагирует с водой и не растворяется в ней. Типичный амфотерный оксид, поэтому реагирует и с кислотами и со щелочами.

При взаимодействии с кислотами образуется соль и вода:

$Al_2O_3 + 6 HCl = 2 AlCl_3 + 3 H_2O $

 Со щелочами алюминий реагирует в расплаве и в растворе:

Гидроксид алюминия $Al(OH)_3$

белое вещество, нерастворимое в воде,  амфотерный гидроксид. 

Проявляя типичные амфотерные свойства, гидроксид алюминия взаимодействует с кислотами:

$Al(OH)_3 + 3 HCl = AlCl_3 + 3 H_2O$

и щелочами.

• в растворе: $Al(OH)_3 + NaOHtextrm{(избыток)}= Na[Al(OH)_4]$ или $Al(OH)_3 + 3 NaOH = Na_3[Al(OH)_6]$

• в расплаве: $Al(OH)_3 + NaOH = NaAlO_2 + 2H_2O$

Получают $Al(OH)_3$ косвенно реакцией обмена между солью алюминия и щелочью:

$AlCl_3 + NaOHtextrm{ (по каплям)}= Al(OH)_3 downarrow+ 3 NaCl $

При дальнейшем добавлении раствора щелочи к соли алюминия осадок будет растворяться вследствие взаимодействия образующегося гидроксида алюминия с избытком щелочи; при это образуется комплексная соль:

$AlCl_3 +4 NaOH_{textrm{ (изб.)}}= Na[Al(OH)_4]+ 3 NaCl $

СОЛИ АЛЮМИНИЯ

Соли алюминия и некоторых слабых кислот, например, сернистой и угольной не могут быть выделены из водных растворов по причине полного необратимого гидролиза

$2AlCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O = 2Al(OH)_3downarrow +3CO_2uparrow + 6NaCl$

О протекании реакции судят по выделению газа и образованию желеообразного белого осадка (гидроксида алюминия).

Соли алюминия и сильных кислот — растворимы; растворы таких солей имеют кислый характер среду вследствие гидролиза по катиону. Первая ступень гидролиза подобных солей отражается уравнением:

$Al^{3+} + H_2O leftrightarrow AlOH^{2+} + H^+$

Алюминаты неустойчивы и даже при слабом подкислении разрушаются:

$NaAlO_2 + 4HNO_3 = NaNO_3 + Al(NO_3)_3 + 2H_2O$

Тетрагидроксокопмлексы алюминия также разрушаются под действием кислоты с образованием осадка гидроксида алюминия и соли:

$Na[Al(OH)4] + HCl = Al(OH)_3downarrow + NaCl +H_2O$

При добавлении к комплексной избытка кислоты образуется смесь солей (образующийся гидроксид алюминия взаимодействует с избыточном количеством кислоты, что приводит к образованию соотвествующей соли алюминия):

$Na[Al(OH)4] + 4HCl_{textrm{изб.}} = AlCl_3 + NaCl +4H_2O$

При действии слабых кислот (растворенного в воде углекислого газа или сероводорода) образуются кислые соли:

$Na[Al(OH)_4] + CO_2 = Al(OH)_3downarrow + NaHCO_3$

Окисление алюминия влияет на его использование в производстве

Производят алюминий химическим способом