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.
Азотная кислота
Азотная кислота является одной из самых сильных минеральных кислот, в концентрированном виде выделяет пары желтого цвета с резким запахом. За исключением золота и платины растворяет все металлы.
Применяют азотную кислоту для получения красителей, удобрений, органических нитропродуктов, серной и фосфорной кислот. В результате ожога азотной кислотой образуется сухой струп желто-зеленого цвета.
В промышленности азотную кислоту получают в результате окисления аммиака на платино-родиевых катализаторах.
Чистая азотная кислота впервые была получена действием на селитру концентрированной серной кислоты:
Является одноосновной сильной кислотой, вступает в реакции с основными оксидами, основаниями. С солями реагирует при условии выпадения осадка, выделения газа или образования слабого электролита.
При нагревании азотная кислота распадается. На свету (hv) также происходит подобная реакция, поэтому азотную кислоту следует хранить в темном месте.
Азотная кислота способна окислить все неметаллы, при этом, если кислота концентрированная, азот обычно восстанавливается до NO2, если разбавленная — до NO.
В любой концентрации азотная кислота проявляет свойства окислителя, при этом азот восстанавливается до степени окисления от +5 до -3. На какой именно степени окисления остановится азот, зависит от активности металла и концентрации азотной кислоты.
Для малоактивных металлов (стоящих в ряду напряжений после водорода) реакция с концентрированной азотной кислотой происходит с образованием нитрата и преимущественно NO2.
С разбавленной азотной кислотой газообразным продуктом преимущественно является NO.
В реакциях с металлами, стоящими левее водорода в ряду напряжений, возможны самые разные газообразные (и не газообразные) продукты: бурый газ NO2, NO, N2O, атмосферный газ N2, NH4NO3.
Помните о закономерности: чем более разбавлена кислота и активен металл, тем сильнее восстанавливается азот. Ниже представлены реакции цинка с азотной кислотой в различных концентрациях.
Посмотрите на таблицу ниже, в которой также отражены изученные нами закономерности.
Концентрированная холодная азотная кислота пассивирует хром, железо, алюминий, никель, свинец и бериллий. Это происходит за счет оксидной пленки, которой покрыты данные металлы.
Al + HNO3(конц.) ⇸ (реакция не идет)
При нагревании или амальгамировании (покрытие ртутью) перечисленных металлов реакция с азотной кислотой идет, так как оксидная пленка на поверхности металлов разрушается.
Соли азотной кислоты — нитраты NO3 —
Получают нитраты в ходе реакции азотной кислоты с металлами, их оксидами и основаниями.
В реакциях с оксидами и основаниями газообразный продукт обычно не выделяется.
Нитрат аммония получают реакция аммиака с азотной кислотой.
Пассивация металла
Одним из эффективных методов защиты поверхности металла от воздействия коррозии является обработка поверхности с помощью специальных химических растворов.
При их взаимодействии с металлом протекает химическая реакция, в результате которой на поверхности образуется нейтральное (пассивное) соединение способное противостоять протеканию коррозийных процессов. Такая обработка называется пассивация металла.
После завершения этого процесса на поверхности образуется оксидная плёнка. Она обладает химическими свойствами не вступать в реакцию окисления и тем самым предотвращает разрушение не только поверхностного слоя, но и всей детали.
Наиболее распространён этот вид обработки для стали, алюминия, никеля, меди и их сплавов. Кроме задач защиты от коррозии с помощью пассивации осуществляют декоративную обработку поверхности готового изделия и снижают удельное сопротивление контактов в электрических соединениях.
Описание технологии
В основу пассивации положены принципы химического взаимодействия поверхностного слоя металла с различными растворами других металлов, в результате, которого, на поверхности образуется поверхностный слой с новыми физическими и химическими свойствами. Процесс пассивации предполагает создание абсорбционных (фазовых) слоёв, которые изменяют структуру первоначального металла. Слой пассивации создаёт надёжный барьер, который препятствует процессу окисления и служит надёжной защитой от коррозии.
Для проведения подобных химических реакций используется различный металл. Это зависит от состава исходного металла, из которого изготовлена деталь. Для придания ей специфических свойств могут применяться: хром, никель, кобальт, марганец, молибден и другие редкоземельные металлы. В зависимости от их процентного содержания готовят раствор для пассивации и выбирают необходимое оборудование.
При пассивации нержавеющей стали в процессе её производства в её состав добавляют различные легирующие металлы. Они обеспечивают лучшее взаимодействие с химическими элементами, входящих в состав пассивирующего раствора.
Например, для создания на поверхности стали надёжной антикоррозийной плёнки применяют оксид хрома. Производится операция хромирования.Она полностью меняет физико-химические свойства поверхностного слоя.
При правильном проведении обработки получают ровный и одинаковый по плотности слой. Для проведения пассивации применяют различные кислоты. Чаще всего создаётся раствор на основе азотной кислоты.
Именно созданные соли на основе этой кислоты создают на поверхности стали защитную плёнку с высокими защитными характеристиками.
После завершения технологического процесса проводят проверку качества полученного слоя. Это необходимо для оценки поверхности обработанной детали. На практике используют различные методы проверки. Например, используют химический метод: обрабатывают поверхность раствором ферроцианида калия в азотной кислоте.
Такое воздействие позволяет визуально определить места некачественной обработки. В местах, где слой достаточно тонкий или отсутствует, то есть присутствует большое количество свободного железа, появиться характерный синий цвет. Этот способ применяется в заводских лабораториях.
Им проверяют выборочные детали из готовой партии.
Более простым, но длительным считается способ помещения готового изделия в обычную воду. После длительного пребывания в воде, места с плохой обработкой покрываются ржавчиной.
Технология проведения пассивации цветных металлов практически не отличается от технологии обработки стали. Основным отличием является состав применяемых растворов. Например, для обработки алюминия, меди, никеля применяют хроматы калия и натрия или хромовый ангидрид.
Ускорения процесса обработки осуществляется при добавлении в состав раствора различных солей и кислот.
Пассивация меди производится в растворах серной кислоты, обработка поверхности меди производится в растворе фосфорной кислоты, цинка и кадмия в растворах соляной и азотной кислоты.
В некоторых случаях процесс взаимодействия раствора с металлом применяют для решения других важных технических задач.Процесс разложения металла под воздействием окислов применяется для изготовления печатных плат в радиотехнике. Эта процедура называется травление.
В этом случае на поверхность металлизированной текстолитовой пластины наносится с помощью краски рисунок будущих токопроводящих полос и мест размещения радиодеталей.
Затем пластину с нанесённым рисунком опускают в ванну с раствором, под воздействием которого происходит химическое удаление слоя металла с поверхности текстолита. В результате пассивации на поверхности остаётся только метал, защищённый краской.
После этого пластину промывают в проточной воде и с помощью растворителей удаляют слой нанесённой краски. Результатом такой пассивации (травления) становиться готовая печатная плата для конкретного радиоэлектронного устройства.
Технология нанесения на основной слой изделия декоративного слоя не отличается от общего процесса пассивации. При создании ювелирных украшений на поверхность серебряной заготовки наносят тонкий слой золотой плёнки. Она формируется аналогичным образом. Таким образом, получают изделие с характерным золотым цветом.
Важным моментом для получения качественной плёнки при пассивации является финишная обработка. Во всех случаях необходимо после извлечении детали из ванны с раствором качественно её промыть. Это необходимо для того, чтобы прекратить процесс пассивации.
Если оставить часть активного раствора или даже его разбавленные компоненты, будет нарушена технология и качество полученной плёнки значительно снижается. После тщательной промывки рекомендуется просушить готовую деталь.
Это можно осуществить при естественной сушке или с применением специальных фенов. На производстве применяют сушильные камеры, которые обеспечивают равномерный поток тёплого воздуха.
Качественная подготовка поверхности, соблюдение всех режимов обработки, соблюдение времени пассивации, качественная промывка исушка позволяют получить качественный равномерный защитный слой, способный прослужить достаточно длительный срок.
Применение пассивации
К основным задачам пассивации относятся:
- предотвращение коррозийных процессов, протекающих в верхних слоях металла;
- защита от разрушения вновь созданных соединений, например, в месте сварочного шва (пассивациясварных швов);
- повышение электропроводности в месте электрического контакта;
- создание печатных плат по подготовленным шаблонам (травление);
- обработка готового изделия с целью придания новых декоративных и потребительских свойств.
Первая задача решается для большого количества металлов и их сплавов.Одним вариантов такой защиты является воронение. Во втором случае для создания прочного сварного соединения применяется пассивация анодов и конечная обработка полученного соединения после сварки. Проведение пассивации позволяет значительно повысить герметичность, полученных соединений.
Это особенно важно припрокладке трубопроводов. Такая обработка очень полезна при проведении сварки трудно свариваемых металлов, например алюминия. Пассивация меди или латуни производится для создания временной защиты от потускнения поверхности изделия на определённый срок (обычно около месяца).
Иногда это используется как временная консервация подготовленных деталей для хранения между операциями дальнейшей обработки или сборки.
Данный вид обработки необходим при эксплуатации изделий из металлов в следующих случаях:
- применение крепёжных элементов, особенно в условиях агрессивных сред и больших механических нагрузок;
- при сборке трубопроводов, особенно в местах сварных швов;
- для защиты котельного оборудования;
- деталей машин и механизмов, контактирующих с морской водой;
- элементы конструкций, работающих при изменении температурных режимов;
- отдельные элементы ручного и механического инструмента;
- готовые изделия, применяемые в быту (дверные ручки, мебельная фурнитураи тому подобное);
- декоративные поделки для интерьера;
- в радиоэлектронике для улучшения качества контактов;
- ювелирные украшения.
Решение задач повышения электропроводности решается с помощью нанесения наповерхность изготовленных контактов тонкого слоя металл, обладающего повышенной электропроводностью, например золота или серебра.
Виды пассивации
Основными и наиболее хорошо отработанными видами пассивации являются:
- химическая;
- электрохимическая.
Химическая
Химическая пассивацияпредполагает применение растворов солей различных металлов.Наиболее эффективно пассивация производится азотной кислотой. Кроме неё для формирования раствора пользуются серной кислотой или лимонной.
Для повышения качества процесса в раствор добавляют небольшое количество бихромата натрия. Его количество не превышает 6% от общей массы. Состав раствора подбирается индивидуально и во многом зависит от марки обрабатываемого металла.
Например, для пассивации железа применяют соли металлов, растворённые в серной кислоте высокой концентрации.
Сущность химической пассивации заключается в активном притяжении отрицательных ионов, которые присутствуют в растворе, к атомам металла.Это происходит благодаря наличию у них положительного заряда. В результате такой диффузии образуется поверхностный слой.
Для пассивации обязательно проводят предварительную подготовку поверхности изделия. Её тщательно зачищают механическими и химическими методами.От качества этой процедуры зависит конечный результат и надёжность образованной плёнки.Большое значение это имеет при пассивации цветных металлов: латуни, меди, бронзы.
Электрохимическая
Этот вид пассивации основан на принципах, заложенных в технике гальванической обработки изделий. Ускорение обработки осуществляется благодаря воздействию постоянного тока, который протекает через раствор, ускоряя химическую реакцию. Такая пассивация называется электрохимическая.
В состав такой установки кроме ванны, в котором размещают электролит, используется источник постоянного тока, соединительные провода и один электрод. Вторым электродом является сама деталь.
Другим вариантом контактов являются один электрод и корпус ванной (она должна быть изготовлена из металла, стойкого к воздействию электролита и электрического тока).
На практике применяют электрические установки с относительно невысоким уровнем напряжения. Его величина не превышает 12В.
В обоих случаях при включении установки через раствор пропускают электрический ток. Он является стимулятором протекания процесса пассивации на поверхности заготовки. На практике различаю анодную и катодную пассивацию.
При такой пассивации положительный потенциал подается на заготовку, а отрицательный — на корпус ванны. При использовании электрохимического способа защитная пленка образуется быстрее и получается более ровной. Но такая технология дороже химической пассивации, т. к.
в ней применяется более сложное оборудование и происходит расход электроэнергии.Под его действием защитная пленка получается равномерной. Именно так формируется плёнка на поверхности медных заготовок. Ток пропускают через растворы с растворёнными в них солями хрома.
Именно в них медь приобретает наибольшую стойкость к коррозии.
Важными параметрами в этом процессе является время протекания пассивации, плотность и состав электролита, критическая величина тока пассивации. Эти параметры рассчитаны для различных металлов и приведены в специальных таблицах. На основании этих данных рассчитывают допустимое время обработки.
Свойства металла после обработки
Основной задачей пассивации является улучшение физико-химических и механических характеристик поверхностного слоя материала, из которого изготовлена деталь. Остальные характеристики более глубоких слоёв сохраняются неизменными. Поэтому после завершения пассивации в поверхностном слое изменяются следующие свойства и характеристики:
- возникает слой с новым химическим составом;
- изменяется антикоррозийная активность (она значительно замедляется);
- улучшаются физические характеристики материала (только поверхностного слоя);
- в отдельных случаях повышается механическая прочность изделия;
- изменяется цвет детали (она приобретает более эстетичную форму);
- повышаются потребительские свойства, и улучшается товарный вид.
Пассивация нержавеющей стали позволяет значительно повысить антикоррозийные свойства и придать готовой детали совершенно другой цвет. Применение хрома или никеля в составе пассивирующего раствора позволяет получить блестящий металлический цвет.
Пассивация железа близкими к нему химическими элементами позволяет создать достаточно стойкий к коррозии внешний слой. Таки образом расширяется область применения таких изделий. Их можно использовать даже в активных и агрессивных средах. Кроме различных марок стали пассивации подвергают чугун.
Основной задачей является создание защитной плёнки от коррозии. В отдельных случаях при применении загущенного нитрата натрия поверхностный слой приобретает некоторую эластичность. В этом случае добиваются снижения хрупкости всей детали. Одним из видов стали является так называемое воронение.
В результате обработки получается надёжный внешний слой чёрного цвета
Аналогичным образом изменяются свойства поверхностного слоя цветных металлов. В результате пассивации образуются определённой толщины адсорбционные или фазовые слои. Помещение заготовки из алюминия стимулирует процесс естественной пассивации поверхностного слоя этого металла. При воздействии кислотных растворов защитные свойства поверхностного слоя алюминия увеличиваются.
, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Пассивация нержавеющей стали с целью ее защиты
Во время изготовления продукции из нержавеющей стали, как правило, ее погружают в ванну с азотной кислотой в конце производственного процесса для удаления загрязняющих веществ.
Кислота также активирует процесс окисления хрома в воздухе, который называется пассивации, где во время взаимодействия кислорода с хромом образуется защитный слой оксида хрома.
Пассивация происходит очень быстро — как правило, в течение 20 минут.
Сейчас некоторое нержавеющее пивоваренное оборудование, в частности, из нержавеющих материалов с более низкой стоимостью, скорее всего, было обработано, проштамповано, протравлено, отполировано и заварено лишь после того, как нержавеющая сталь была изготовлена и промыта кислотой.
В результате оно может иметь масла, полировальные составы, сварочные соединения и другие загрязняющие вещества, которые защищают сталь, но должны быть смыты с первого раза, когда вы очищаете ваши детали. К тому же, вы, вероятно, не захотите обнаружить эти масла и соединения в своем пиве.
Взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой при нагревании
Алюминий – химически активный металл, но прочная оксидная пленка определяет его стойкость при обычных условиях. Практически во всех химических реакциях алюминий проявляет восстановительные свойства.
- Взаимодействие с неметаллами
С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:
реакция сопровождается большим выделением тепла.
Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:
При 500°С – с фосфором, образуя фосфид алюминия:
При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С – с углеродом, образуя нитрид и карбид:
С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:
С водородом непосредственно не взаимодействует.
С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl2, CrAl7, FeAl3 и др.
Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:
в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.
Взаимодействие с кислотами
Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:
8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O (в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).
С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:
Взаимодействие со щелочами
Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:
в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:
при сплавлении с образованием алюминатов:
Восстановление металлов из оксидов и солей
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.
Алюминий
Алюминий является самым распространенным металлом в земной коре. Свойства алюминия позволяют активно применять в составе металлоконструкций: он легкий, мягкий, поддается штамповке, обладает высокой антикоррозийной устойчивостью.
Для алюминия характерна высокая химическая активность, отличается также высокой электро- и теплопроводностью.
Основное и возбужденное состояние
При переходе атома алюминия в возбужденное состояние 2 электрона s-подуровня распариваются, и один электрон переходит на p-подуровень.
Природные соединения
Получение
Алюминий получают путем электролиза расплава Al2O3 в криолите (Na3[AlF6]). Галлий, индий и таллий получают схожим образом — методом электролиза их оксидов и солей.
Химические свойства
При комнатной температуре реагирует с галогенами (кроме фтора) и кислородом, покрываясь при этом оксидной пленкой.
Al + Br2 → AlBr3 (бромид алюминия)
При нагревании алюминий вступает в реакции с фтором, серой, азотом и углеродом.
Al + F2 → (t) AlF3 (фторид алюминия)
Al + S → (t) Al2S3 (сульфид алюминия)
Al + N2 → (t) AlN (нитрид алюминия)
Al + C → (t) Al4C3 (карбид алюминия)
Алюминий проявляет амфотерные свойства (греч. ἀμφότεροι — двойственный), вступает в реакции как с кислотами, так и с основаниями.
Al + NaOH + H2O → Na[Al(OH)4] + H2↑ (тетрагидроксоалюминат натрия; поскольку алюминий дан в чистом виде — выделяется водород)
При прокаливании комплексные соли не образуются, так вода испаряется — вместо них образуются (в рамках ЕГЭ) средние соли — алюминаты (академически — сложные окиселы):
При комнатной температуре не идет из-за образования оксидной пленки — Al2O3 — на воздухе. Если разрушить оксидную пленку нагреванием раствора щелочи или амальгамированием (покрытием металла слоем ртути) — реакция идет.
Алюминотермия (лат. Aluminium + греч. therme — тепло) — способ получения металлов и неметаллов, заключающийся в восстановлении их оксидов алюминием. Температуры при этом процессе могут достигать 2400°C.
С помощью алюминотермии получают Fe, Cr, Mn, Ca, Ti, V, W.
Оксид алюминия
Оксид алюминия получают в ходе взаимодействия с кислородом — на воздухе алюминий покрывается оксидной пленкой. При нагревании гидроксид алюминия, как нерастворимое основание, легко разлагается на оксид и воду.
Проявляет амфотерные свойства: реагирует и с кислотами, и с основаниями.
Al2O3 + NaOH + H2O → Na[Al(OH)4] (тетрагидроксоалюминат натрия)
Гидроксид алюминия
Гидроксид алюминия получают в ходе реакций обмена между растворимыми солями алюминия и щелочами. В результате гидролиза солей алюминия часто выпадает белый осадок — гидроксид 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.
