Почему алюминий не реагирует с водородом

Реакции алюминия с водородом и другими веществами

Химические свойства самого распространенного металла

Алюминий — активный металл. Он устойчив на воздухе, при нормальной температуре быстро окисляется, покрываясь плотной пленкой оксида, которая защищает металл от дальнейшего разрушения.

Взаимодействие алюминия с другими веществами

При обычных условиях не взаимодействует с водой даже в состоянии кипения. При удалении защитной оксидной пленки алюминий вступает в энергичное взаимодействие с водяным паром воздуха, превращаясь в рыхлую массу гидроксида алюминия с выделением водорода и тепла. Уравнение реакции:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

Если снять защитную оксидную пленку с алюминия, то металл вступает в активное взаимодействие с кислородом. При этом порошок алюминия сгорает, образуя оксид. Уравнение реакции:

Этот металл также активно взаимодействует со многими кислотами. При реакции с соляной кислотой наблюдается выделение водорода:

2Al + 6HCl = 2Al­Cl₃ + 3H₂

При обычных условиях концентрированная азотная кислота не взаимодействует с алюминием, так как будучи сильным окислителем, она делает оксидную пленку еще крепче. По этой причине азотная кислота хранится и перевозится в алюминиевой посуде.

Алюминий при обычной температуре пассивируется разбавленной азотной и концентрированной серной кислотами. В горячей серной кислоте металл растворяется:

2Al + 4H₂­SO4 = Al₂(SO4)₃ + S + 4H₂O

Взаимодействие с неметаллами

Алюминий реагирует с галогенами, серой, азотом, углеродом и всеми неметаллами. Для протекания реакции необходимо нагревание, после чего взаимодействие происходит с выделением большого количества тепла.

Взаимодействие алюминия с водородом

Алюминий непосредственно с водородом не реагирует, хотя известно твердое полимерное соединение алан, в котором существуют так называемые трехцентровые связи. При температуре выше 100 градусов Цельсия алан необратимо разлагается на простые вещества. Гидрид алюминия бурно реагирует с водой.

Алюминий напрямую не реагирует с водородом: металл образует соединения путем потери электронов, которые принимаются другими элементами. Атомы водорода не принимают электроны, которые отдают металлы для образования соединений. «Принуждать» атомы водорода принять электроны с образованием твердых ионных соединений (гидридов) могут только очень реактивные металлы (калий, натрий, магний, кальций). Для прямого синтеза гидрида алюминия из водорода и алюминия требуется огромное давление (около 2 миллиардов атмосфер) и температура выше 800 К. Здесь вы сможете узнать о химических свойствах других металлов.

Следует отметить, что водород — это единственный газ, заметно растворяющийся в алюминии и его сплавах. Растворимость водорода изменяется пропорционально температуре и квадратному корню из давления. Растворимость водорода в жидком алюминии значительно выше, чем в твердом. Это свойство незначительно изменяется в зависимости от химического состава сплавов.

Алюминий и его водородная пористость

Образование в алюминии пузырей водорода непосредственно зависит от скорости охлаждения и затвердевания, а также от наличия центров зарождения для выделения водорода — захваченных внутрь расплава оксидов. Для образования пористости алюминия необходимо значительное превышение содержания растворенного водорода по сравнению с растворимостью водорода в твердом алюминии. При отсутствии центров зарождения для выделения водорода требуется относительно высокая концентрация вещества.

Расположение водорода в затвердевшем алюминии зависит от уровня его содержания в жидком алюминии и условий, при которых происходило затвердевание. Так как водородная пористость — это результат механизмов зарождения и роста, контролируемых диффузией, то такие процессы, как снижение концентрации водорода и увеличение скорости затвердевания, подавляют зарождение и рост пор. Из-за этого выполненные методом литья в разъемный кокиль отливки металла более подвержены дефектам, связанным с водородом, чем отливки, изготовленные методом литья под давлением.

Есть разные источники попадания водорода в алюминий.

Шихтовые материалы (лом, слитки, литейный возврат, оксиды, песок и смазки, применяющиеся при механической обработке). Эти загрязнители — потенциальные источники водорода, образовавшегося при химическом разложении паров воды или восстановлении органических веществ.

Плавильные инструменты. Скребки, пики, лопаты являются источником водорода. Оксиды и остатки флюсов на инструментах впитывают влагу из окружающего воздуха. Печные огнеупоры, распределительные каналы, ковши для отбора проб, известковые желоба и цементные растворы — потенциальные источники водорода.

Атмосфера печи. Если плавильная печь работает на мазуте или на природном газе, возможно неполное сгорание топлива с образованием свободного водорода.

Флюсы (гигроскопичные соли, готовые мгновенно впитывать воду). По этой причине влажный флюс неизбежно вносит в расплав водород, образовавшийся при химическом разложении воды.

Литейные формы. В процессе заполнения литейной формы жидкий алюминий течет турбулентно и захватывает воздух во внутренний объем. Если воздух не успеет выйти из формы до начала затвердевания алюминия, то водовод проникнет в металл.

Источник

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):

Реакция с водой

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.

Проявляет амфотерные свойства. Реагирует и с кислотами, и с основаниями. Вследствие нерастворимости гидроксид алюминия не реагирует с солями.

Al(OH)₃ + LiOH → Li[Al(OH)₄] (при избытке щелочи будет верным написание — Li₃[Al(OH)₆] — гексагидроксоалюминат лития)

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2022

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Взаимодействие алюминия с водородом

Водород в отличие от других газов обладает способностью растворяться в алюминии и при некоторых условиях образовывать поры в металле швов. Данные об изменении растворимости водорода в алюминии при различной температуре и давлении находящегося с ним в равновесии молекулярного водорода (p H2 = 100 кПа) приведены на рис. 9.1 .

Рис. 9.1. Изменение растворимости водорода в алюминии в зависимости от температуры при рн2 = = 100 кПа

В реальных условиях сварки парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе дуги ничтожно мало. Поэтому основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, служит реакция непосредственного взаимодействия влаги с металлом

2А1 + 3Н 2 О = А1 2 О 3 + 6Н.

В результате протекания этой реакции концентрация атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, достигает больших величин и может соответствовать огромным значениям давления молекулярного водорода, находящегося в равновесии с металлом. В связи с этим при непосредственном взаимодействии влаги и паров воды с металлом концентрация растворенного в нем водорода может достигать больших значений.

Растворенный в жидком металле водород в связи с понижением растворимости стремится выделиться из него при охлаждении.
Пузырьки выделяющегося водорода, .не успевая всплыть из ванны, остаются в металле шва, образуя поры. Для возникновения и существования пузырька в жидком металле необходимо, чтобы давление заключенного в нем водорода было больше внешнего давления, оказываемого на пузырек, или равно ему. Если пренебречь влиянием металлостатического давления в связи с малой глубиной сварочной ванны и рассматривать процесс сварки при нормальном внешнем давлении, равном 100 кПа, то для существования пузырька в жидком металле сварочной ванны должно выполняться следующее условие:

p H2 ≥100 + 2σ/r, (9.1)

где р H2 , — давление молекулярного водорода в пузырьке; σ — поверхностное натяжение на границе газ—металл, r — радиус пузырька.

Между концентрацией растворенного в металле водорода и давлением молекулярного водорода, находящегося с ним в равновесии при температуре t, имеется определенная зависимость

[Н] р = kехр [-ΔH/R (t + 273)] √p H2

где [Н] р — концентрация растворенного в металле водорода; р H2 — давление молекулярного водорода; k — коэффициент растворимости; ∆Н — теплота растворения.

Для одинаковой температуры, но различных давлений водорода справедливо равенство

где [Н ] 0 — концентрация растворенного в металле водорода при температуре t °С и р 0 н2 .

После сокращения получаем

[Н] p /[Н] 0 = √p H2 /√р 0 н2

Если принять р 0 н2 равным атмосферному давлению, т. е. р 0 н2 — 100 кПа, то получим после преобразования

([Н] р /1[Н] 0 ) 2 =р н2 /100.

Заменив в выражении (9.1) р Н2 величиной 100 ([Н] р /[Н] 0 ) 2 , характеризующей пересыщение раствора в отношении растворимости при температуре t °С и рНа = 100 кПа, получим

([Н] р /[Н] 0 ) 2 ≥1 + 2σ/100r (9.2)

Из выражения (9.2) следует, что возникновение пузырьков выделяющегося газа в идеально чистом металле (гомогенное зарождение пузырьков) затруднено и возможно лишь при очень большом пересыщении жидкого металла, поскольку при r→0 ([Н] р /[Н] 0 )→ ∞
При наличии в жидком металле границ раздела, образованных нерастворимыми взвесями, уравнение (9.2) принимает вид

([Н] р /[Н] 0 ) 2 ≥1+2σƒ (θ)/100r, (9.3)

где θ — краевой угол смачивания жидким металлом поверхности твердых частиц;

ƒ(θ) = [(2+2 cos θ + sin 2 θ cos θ)/4] ⅓ (9.4)

Из выражения (9.4) следует, что при θ→ 180° ƒθ→0. Иначе говоря, при наличии в жидком металле взвесей, не смачиваемых расплавом, зарождение пузырьков становится возможным при небольшой величине пересыщения, т.е. при [Н] р /[Н] р ) 2 ≥1.

В промышленных алюминиевых сплавах всегда присутствуют частицы оксидов, образующих нерастворимые несмачиваемые взвеси. Поэтому возникновение пузырьков выделяющегося водорода в условиях сварки алюминия при нормальном внешнем давлении (р вн = 100 кПа) становится возможным при [Н] р →[Н] р .

В процессе кристаллизации металла вероятно перераспределение водорода между закристаллизовавшимся металлом и жидким. Такое перераспределение должно способствовать постепенному увеличению концентрации водорода [Н] р в незакристалли-зовавшейся части ванны и возникновению пузырьков в момент, когда [Н] р станет больше [Н] 0 . Поэтму исходная концентрация водорода, растворенного в металле, при которой возникают пузырьки, может существенно изменяться в зависимости от условий кристаллизации и массы кристаллизующегося металла.

Накопленный в настоящее время опыт показывает, что в условиях сварки алюминия в связи с большими скоростями перемещения фронта дендритов перераспределением водорода между твердым и жидким металлом в процессе кристаллизации можно пренебречь и считать, что концентрация водорода в ванне в процессе ее кристаллизации не изменяется. Величина [Н] 0 уменьшается при охлаждении и достигает в жидком металле при температуре 660 °С своего минимального значения (0,69 см3/100 г металла).

В связи со сказанным при внешнем давлении рви = 100 кПа возникновение пузырьков водорода в жидком алюминии можно ожидать при концентрации растворенного в ванне водорода более 0,69 см3/100 г металла, что подтверждено экспериментально. Зарождение пузырьков при сварке алюминия происходит в период охлаждения металла в наиболее холодных участках ванны, в которых величина [Н] р оказывается больше [Н] 0 . В связи с большой скоростью роста дендритов всплывание пузырьков из ванны затруднено, и влияние условий кристаллизации, ограниченно меняющихся при изменении режимов сварки, на степень пористости швов при сварке алюминия сказывается относительно мало.

Источник