Коррозия алюминия. Растворение оболочек из алюминия Алюминий в питьевой воде

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 + N 2 → 2AlN – взаимодействие алюминия и азота с образованием нитрида алюминия;

4Al + 3С → Al 4 С 3 – реакция взаимодействия алюминия с углеродом с образованием карбида алюминия;

2Al + 3S → Al 2 S 3 – 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 – Al 2 O 3 либо Al 2 O 3 H 2 O.

Реакция взаимодействия алюминия с кислородом:

4Al + 3O 2 → 2Al 2 O 3 .

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 + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2 .

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 + 3H 2 SO 4 (разб) → Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 .

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

2Al + 6H 2 SO 4 (конц) → Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

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 (HSO 3 Cl) и олеума.

Коррозия алюминия в соляной кислоте

В соляной кислоте алюминий или его сплавы быстро растворяются (особенно при повышении температуры). Уравнение коррозии:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 .

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 + 6HNO 3 (конц) → Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O.

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 + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 ;

2(NaOH H 2 O) + 2Al → 2NaAlO 2 + 3H 2 .

Образуются алюминаты.

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

Алюминиевые оболочки растворяют в щелочи или азотной кислоте, причем в последнем случае возможно частичное или полное растворение сердечник из металлического урана.

Растворение алюминия в растворе едкого натра проходит по реакции:

Al + NaOH + Н 2 0  NaAl О 2 + 1,5Н 2 , (3.1)

протекающий с выделением тепла 7000 ккал/кг растворенного алюминия. При увеличении концентрации NaOH от 2 до 5 М скорость растворения алюминия возрастает примерно в семь раз. Потери урана при использовании растворов NaOH с концентрацией до 30% очень малы, но в 50%-ном растворе скорость растворения урана становится заметной. Недостатком этого процесса является выделение взрывоопасного газа – водорода. Для подавления реакции выделения водорода в реакционную смесь вводят окислители: нитрит или нитрат натрия. В этом случае реакции растворения алюминия протекают по уравнениям:

Al + 0,5NaOH + 0,5NaNO 3 + 0,5H 2 O = NaAlO 2 + 0,5NH 2 (3.2)

Al + 0,625NaOH + 0,375NaNO 3 + 0,25H 2 O = NaAlO 2 + 0,375NH 3 ; (3.3)

Al + 0,85NaOH + 1,05NaNO 3 = NaAlO 2 + 0,9NaNO 2 + 0,15NH 3 + 0,2H 2 O (3.4)

Минимальное выделение водорода происходит при стехиометрических соотношениях последней реакции. Скорость растворения алюминия возрастает с увеличением температуры и концентрации гидроксида натрия. Например, для раствора, содержащего 10%-ный NaOH и 20%-ный NaNO 3 , при увеличении температуры от 60 до 100°С линейная скорость растворения алюминия возрастает примерно в 3 раза. Кристаллизация алюмината натрия зависит от концентрации этой соли в щелочи и может быть предотвращена, если молярное отношение едкого натра и алюминия в растворе равно 1,65:1.

HNO 3 пассивирует поверхность алюминия, и поэтому, растворение ведут в присутствии катализатора – нитрата ртути. Возможными реакциями являются:

Al + 6HNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O; (3.5)

Al + 4HNO 3 = Al(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O; (3.6)

8Al + 30HNO 3 = 8Al(NO 3) 3 +3N 2 O + 15H 2 O 4 (3.7)

2Al + 6HNO 3 = 2Al(NO 3) 3 + 3H 2 (3.8)

По мере того, как образуется при гидролизе нитрата алюминия HNO3 взаимодействует с Al, получаются растворы с недостатком кислоты:

Al(NO 3) 3 +3H 2 O=Al(OH)(NO 3) 2 +HNO 3 ; (3.9)

HNO 3 +Al+H 2 O=Al(OH) 2 (NO 3) 3 + соединения азота. (3.10)

Для описания процесса растворения Al в 4 М HNO3 приложена реакция:

Al+3,75HNO3=Al(NO3)3+0,225NO+0,15N2O+0,1125N2+1,875H2O. (3.11)

Однако некоторые данные не подтверждают присутствия азота в продуктах реакции. Содержание водорода в отходящих газах после конденсатора составляет 2 – 8% при концентрации кислоты 1 – 2 М и быстро возрастает для растворов с недостатком кислоты, достигая максимума 23% при недостатке 2 М. Это свидетельствует о том, что по мере протекания процесса стехиометрия раствора такова, что реакция с образованием двуокиси азота постепенно затухает в пользу других реакций. Расход кислоты для растворения литых и штампованных стержней одинаков. В среднем он составляет 4 – 4,1М HNO3 на 1 М растворенного Аl. Наименьший расход кислоты 3,8М был получен при растворении штампованного стержня при 2М недостатке кислоты.

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

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

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

Раньше 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.

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.

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, 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.

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),

так и металлический алюминий или же оксид алюминия:

2Al + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na + ЗН₂.

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na

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 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:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂.

При определении концентрации примесей в питьевой и природной воде уделяют внимание объему нитратов, сульфатов, нитритов, хлоридов, забывая об алюминии - наиболее распространенном в природе металле. При обычных условиях алюминий в воде растворяется с образованием различных соединений, которые активно реагирует с другими примесями. В результате чего субстанция насыщается гидрохлоридом алюминия, солями и другими соединениями. А это приводит к изменению качества воды - ухудшению химического состава, органолептических свойств, микробиологических, бактериальных показателей.
Официальная ПДК алюминия в воде для питья и природных водоемов рассчитана ВОЗ и природоохранными организациями. Но этот параметр не учитывает многочисленные пути поступления в естественные источники и организм человека металла. Поэтому точное определение алюминия в воде имеет важное значение.

Алюминий в природных водоемах

Естественное насыщение воды металлом происходит за счет попадания в нее алюмосиликатов и некоторых сортов глины. После их растворения начинается взаимодействие алюминия с водой, напрямую зависящее от ее pH. Растворение при естественных условиях происходит медленно, но всегда с выделением гидроксида, боксита, гидрохлорида и других соединений. Содержатся вещества и сам алюминий и в морской воде, и в речной. Но это при нормальных условиях.

В природные воды металл попадает со:

• стоками технических и бытовых вод;
• стоками химических производств (любое производство увеличивают концентрацию алюминия в сточной воде в 2-5 раз);
• строительными сливами и выбросами.

С каждым годом таких выбросов в окружающую среду становится все больше, а контроль за степенью их загрязнения все ниже. В грязных стоках с большим содержанием примесей и взвесей растворимость в воде алюминий проходит быстрее. В водоемы он попадает в виде взвешенных форм, ионов и коллоидов. Именно ионы и оксиды обладают повышенной токсичностью. Они оказывают губительное влияние на большинство живых организмов, обитающих в природных источниках. Согласно нормам, концентрация алюминия в природных водах не должна превышать 0.5 мг/дм3.

Алюминий в питьевой воде

Самый распространенный на планете металл обязательно будет содержаться и в питьевой воде. Согласно нормативам и требованиям ГОСТ алюминий в воде должен содержать в объеме:

• не более 0.5 мг/л в водопроводной субстанции;
• в пределах 0.2-0.3 мг/л в бутилированной воде;
• в пределах 0.1-0.2 мг/л в фильтрованной воде.

Ежедневно в организм человека должно поступать металла не более 90 мг. Но после того, как завершилась реакция алюминия с водой, в ней появляются и токсичные примеси. Поэтому водопроводную, как и колодезную, скважинную субстанцию, следует проверять на концентрацию небезопасных примесей и компонентов. Ниже приведена таблица ПДК алюминия в питьевой воде и других важных для здоровья человека вещества.

Почему стоит пить воду с минимальной концентрацией алюминия?

Выяснив откуда в воде появляется алюминий, стоит остановиться на остальных путях его попадания в организм. Это поможет контролировать суточную норму металла. Основной объем химического элемента поступает с пищей.
Содержится металл и в:

• косметических препаратах;
• посуда из одноименного металла;
• лекарственных средствах;
• дезодорантах и пр.

При нормативном содержании алюминия в воде влияние на организм не будет. При избыточной концентрации страдает нервная система, снижается память, появляются депрессия и раздражительность. Последствия наступают не сразу. Это связано с тем, что не весь объем металла усваивается организмом. Ученые также доказали, что большое содержание алюминия в воде приводит к неврологическим болезням и нарушению кальциево-фосфорного обмена, что тормозит выработку гемоглобина. Поэтому рекомендуют употреблять питьевую субстанцию с объемом металла не более 0.3 мг/л. При таком содержании растворенного алюминия в воде суточное потребление не превысит 50 мг/л. Для очистки используют бытовые фильтрующие системы.

Очистка вод методом коагуляции

Чтобы из кранов текла пригодная для питья или технических нужд жидкость, ее нужно предварительно очищать. Эту процедуру должны проходить и подземные, и поверхностные воды перед каким-либо употреблением. Выше описано, что происходит при взаимодействии алюминия с водой - образуется неприятный запах, нежелательные примеси, субстанция мутнеет, появляется осадок. Ухудшая органолептические качества жидкости, некоторые соединения металла могут выступать отличными коагулянтами - элементы, связывающие опасные и ненужные в субстанции частицы. Их эффективно используют при повышении качества жидкости в системах водоподготовки.

Чаще применяют сульфат алюминия для очистки воды для любых нужд. Наиболее активен коагулят в среде с кислотностью 4.4-6.1 pH. Но применяют и к субстанциям с pH от 7 до 8. Процедура водоподготовки следующая:

• добавление сульфат алюминия в жидкость;
• смешивание сред - полное перемешивание происходит в течение 1-3 минут;
• коагуляция, при которой среда переходит из одного резервуара в другой (процесс длиться от 30 минут до 1 часа);
• оседание связанного осадка;
• фильтрация очищенной среды.

На данный момент очистка воды алюминием - доступный и эффективный способ удаление из жидкостей взвешенных частиц. В ходе коагуляции наблюдается и вывод гидрокарбонатов и карбонатов натрия и кальция. По завершению процедуры водоподготовки потребитель получает чистую и приятно пахнущую воду.