Хімічна активність і корозійна стійкість алюмінію

Алюміній характеризується високою хімічної активністю: енергія освіти його сполук з киснем, галоидами, сірої і вуглецем дуже велика. В ряді напруг він займає місце серед найбільш електронегативний елементів (нормальний потенціал його близько 1,3 В).

Володіючи великим спорідненістю до кисню, алюміній на повітрі втрачає блиск, покриваючись тонкою, але дуже міцною окисною плівкою. Електронно-мікроскопічні дослідження показують, що плівка окису алюмінію на поверхні твердого алюмінію суцільна і безпориста. Вона захищає алюміній від подальшого окислення і обумовлює його високі антикорозійні властивості. Товщина плівки окису алюмінію на поверхні металевого алюмінію ~2 · 10-4мм.

Інтенсивність окислення алюмінію залежить від температури, ступеня його роздробленості і домішок інших металів, присутніх в ньому.

Алюміній, нагрітий на повітрі до температури, близької до точки його плавлення (660 ° С), продовжує окислюватися, причому ступінь окислення його при цій температурі пропорційна квадратному кореню з тривалості окислення. Окислення алюмінію істотно прискорюється при температурах вище його точки плавлення, дрібно же роздроблений метал при нагріванні на повітрі енергійно згорає.

Присутність в алюмінії домішок магнію, кальцію натрію, кремнію і міді підсилює його окислення. Особливо легко окислюються при нагріванні алюмінієво-магнієві сплави, на поверхні яких утворюються пухкі окисні плівки. У присутності слідів ртуті плівка окису алюмінію на поверхні твердого алюмінію порушується, і весь метал повністю окислюється.

корозійна стійкість

Одним з найбільш важливих якостей алюмінію є його виключно висока стійкість до корозії, значно зростає з підвищенням ступеня його чистоти.
Алюміній має високу корозійну стійкість до морської води, оцтової, лимонної, винної та інших органічних кислот. Він практично не взаємодіє з концентрованою азотною і 100% -ної сірчаної кислотами, але швидко руйнується в розведеної азотної кислоти, а також в розведеної сірчаної кислоти при концентраціях понад 10% (максимальна розчинність спостерігається в 80% -ної сірчаної кислоти). Швидко розчиняється алюміній також в розчинах лугів, соляної, плавикової і бромистоводневої кислотах; слабо взаємодіє з борною кислотою. Алюміній стійкий в нейтральних розчинах солей магнію і натрію, слабо впливають на алюміній сірчистий газ, аміак і сірководень.
Хімічна стійкість алюмінію обумовлюється, як зазначалося вище, освітою на його поверхні найтоншої, але щільною безпористу плівки окису алюмінію. Зчеплення окисної плівки з алюмінієм в місцях знаходження домішок в металі значно зменшується, і ці місця вразливі для корозії. У алюмінію з незначним вмістом домішок окісна плівка має дуже міцне зчеплення з поверхнею. Тому алюміній високої і особливої ​​чистоти надзвичайно стійкий проти дії багатьох хімічно активних реагентів.
Корозійна стійкість алюмінію різного ступеня чистоти може бути охарактеризована втратами маси випробуваного зразка металу або обсягу водню, що виділяється з одиниці поверхні металу при обробці його протягом 1 год соляною кислотою певної концентрації.

Швидкість корозії алюмінію різної чистоти в 5% -ому розчині НСl

99,99 99,7 99,6 99.5 99.0

Втрати маси, г / (м2 × год)

0,15 0,48 0,72 1.24 2.02

Кількість водню, л / (м2 × год)

0,12 0,48 0,75 1,52 2,16

З наведених даних випливає, що корозійна стійкість електролітично рафінованого алюмінію (99,99%) в 3-15 разів вище, ніж алюмінію технічної чистоти.
Подальше підвищення чистоти алюмінію ще більшою мірою збільшує його корозійну стійкість. Наприклад, поверхня електролітично рафінованого алюмінію (99,998%) через 20 діб витримування в 22% -ної соляної кислоти покрилася глибокими тріщинами. Поверхня ж більш чистого алюмінію (очищеного зонної плавкою і підданого Електрополіровка) після витримування в соляній кислоті протягом 100 діб зберегла свій первісний блиск. Встановлено, що для алюмінію чистотою 99,99% і вище швидкість корозії залежить головним чином від вмісту в ньому міді. Наприклад, при вмісті вище 2 · 10-3% Cu алюмінієвий лист товщиною 1,5 мм при витримці в 20% -ної соляної кислоти протягом тижня прокорродіровавшіх наскрізь; в тих же умовах алюміній, який містить від 0,9 до 3 · 10-4 Сu, повністю зруйнувався лише через два тижні.

Вплив домішок на корозійну стійкість

• Fe + Si. Зі збільшенням вмісту суми домішок Fe + Si корозійна стійкість алюмінію (в 5% -ому розчині НС1) з дуже малим вмістом міді ( <0,005%) поступово падає. Для алюмінію з високим вмістом Fe + Si (0,9%), яке відповідає стандартній марці А0 , Швидкість корозії дорівнює 27- 31,5 г / (м2 · год), для металу технічної чистоти марки А7 – всього лише 0,24- 1,07 г / (м2 · год), а для алюмінію марки А6- 1,19 – 1,64 г / (м2 · год).
  Дослідження дозволили встановити негативний вплив домішки заліза на корозійну стійкість алюмінію, яка зменшується зі збільшенням вмісту заліза. Збільшення вмісту кремнію від 0,0003 до 1-2% практично не позначається на корозійної стійкості металу. Алюміній з дуже низьким вмістом заліза (0,003%) в 5% -ому розчині НС1 кородує дуже повільно [0,10 0,157 г / (м2 · год)], незалежно від збільшення вмісту в ньому кремнію від 0,003 до 0,5-1 %. Навіть при більшому вмісті кремнію (до 2%) швидкість корозії алюмінію невелика.
• Ti. 0,01-0,19% Ti помітно не впливають на корозійну стійкість алюмінію цих марок в 5% -ому розчині НС1.
• Be. Берилій в малих кількостях (0,05-0,5%) незначно знижує корозійну стійкість алюмінію високої і технічної чистоти в 5% -ому розчині НС1.
• Nb. Ніобій ж, введений в такий алюміній, більш відчутно знижує його корозійну стійкість. Якщо в присутності 0,03-0,09% Nb це зниження невелике, то при більш високому вмісті ніобію (0,14-0,19%) воно вже значно.
• Ga, Re. Вельми негативно впливають на стійкість алюмінію проти корозії невеликі добавки галію і ренію. Для алюмінію стандартної марки А7, що містить 0,5% Ga, швидкість корозії досягає 120 г / (м2 · год), а що містить 0,3% Re – 250 г / (м2 · год).

Для порівняння зазначимо, що швидкість корозії бессортного алюмінію, багатого залізом (1% Fe + 0,03% Si), становить близько 100 г / (м2 · год).

Загальна корозія

Коли поверхнева оксидна плівка розчиняється в корозійної середовищі, як це відбувається в розчинах фосфорної кислоти або лугу, то йде рівномірний розчинення алюмінію з постійною швидкістю. Якщо воно супроводжується виділенням тепла, як при розчиненні в лугу, то температура розчину і швидкість корозії зростають. Загальна корозія залежить від конкретних іонів, які знаходяться в розчині, їх концентрації та від температури. Загальна корозія може носити характер легкого травлення з утворенням матової поверхні або швидкого розчинення металу. Загальну корозію можна оцінити по втраті маси або товщини зразка.

Місцева (локальна) корозія

Якщо окржающая середовище не розчиняє оксидну плівку на поверхні алюмінію або алюмінієвого сплаву, то корозія проявляється у вигляді дрібних локалізованих точеч- точкових поразок. Місцева корозія має електрохімічний механізм і обумовлена ​​різницею корозійних потенціалів в локальному елементі, що утворюється на поверхні або в глибині металу через його неоднорідності. Зазвичай ця різниця в поверхневому шарі пов’язана з присутністю катодних мікросоставляющіх, якими можуть бути нерозчинні частинки інтерметалідів або окремі елементи; найчастіше такими є CuAl2, FeAl3 і кремній. Корозія може бути викликана і неоднорідністю корозійного середовища, різним вмістом кисню за об’ємом. Набагато рідше корозія виникає в зв’язку з присутністю на поверхні іонів важких металів, наприклад міді або заліза. Небезпека освіти локального елемента зростає зі збільшенням електричної провідності робочого середовища. Інший електрохімічної причиною місцевої корозії є наявність блукаючих струмів на поверхні алюмінію. Єдиний тип місцевої корозії, який не має електрохімічної природи, це фреттинг-корозія, різновид сухого окислення. Майже у всіх випадках місцевої корозії відбувається взаємодія з водою по реакції

2Аl + 6Н2О⇒Аl2O3 • 3Н2О + 3Н2

Продуктом корозії, як правило, є гібсит або тригідрат оксиду алюмінію (Бейра). Місцева корозія зазвичай не відбувається в дуже чистій воді при температурі навколишнього середовища або за відсутності кисню, проте в більш струмопровідних розчинах вона може відбуватися через наявність таких іонів, як хлориди або сульфати.

Виразкова (точкова) корозія

Питтингов є роз’їдання металу на окремих ділянках поверхневого шару, в результаті чого в цих місцях утворюються поглиблення. Для виникнення питтинга необхідна наявність електроліту. Їм можуть бути і великий об’єм рідини, і вологе тверда речовина, і плівка конденсату, і крапельки води, що залишилися на поверхні. Для виникнення питтинга необхідно також присутність кисню. Форма питтингов може бути будь-якою -від дрібних впадинок в формі блюдця до циліндричних ямок, проте порожнину питтинга зазвичай має більш-менш округлу форму, найчастіше форму півсфери. Цим піттінг відрізняється від міжкристалітної корозії, яка відбувається як би у вузькому тунелі вздовж кордонів зерен і виявляється тільки при металографічному дослідженні поперечного перерізу. Межкристаллитная корозія може відбуватися поряд з виразкової, при цьому тріщина розвивається в глиб металу і в сторону від питтинга.

Першопричиною виразкового ураження служить різниця потенціалів на поверхні. Зростання питтинга на ранніх стадіях є автокаталитический процес. Виникнення питтинга пов’язано з порушенням суцільності поверхневої оксидної плівки на ділянці, сусідньому з кагодной часткою. Якщо в коррозионном розчині присутній іон міді, то він осідає на катодного частці і таким чином сприяє збільшенню різниці потенціалів. У міру зростання порожнини питтинга (анода) корозійне середовище в ній стає кислотної (рН = 3 -4), а ділянки, середовища, що оточують катодний частку, – злегка лужними. Така локальна неоднорідність середовища збільшує рушійну силу процесу – різниця потенціалів в локальній осередку, а також ток в питтингов. Як тільки досягається стійкий стан, струм в питтингов стає постійним і контролюється поверхневим катодом, тобто ділянками поверхні, що знаходяться під впливом електричної провідності електроліту. Сусідні питтингов стають конкуруючими по відношенню до катодних ділянках. Як правило, чим більше число питтингов, тим менше глибина найглибшого питтинга. У глибоких питтингов, які прикриті, як шапкою, продуктами корозії, роль поверхневих катодних ділянок менше, але більш важлива, по-видимому, величина рН в розчині в порожнині питтинга.

Алюміній дуже високого ступеня чистоти, отриманий методом подвійного переплаву (А99), відрізняється високим опором виразкової корозії. Воно набагато вище, ніж у будь-якого з промислових алюмінієвих сплавів. У сплаву АМц, виготовленого на основі високочистого алюмінію для експериментальної кухонного посуду, також виявлено дуже високий опір виразкової корозії. З промислових сплавів найменші ймовірність виникнення питтингов і глибина ураження ними у сплавів Амг. З ними можуть зрівнятися сплави системи Al- Мn з низьким вмістом міді (менше 0,04%), однак при 0,15% Cu виразкова корозія стає більш інтенсивною, особливо в морській воді. У алюмінію промислової чистоти (ПЕКЛО0, АД1, А5, А0 і т. Д.) Схильність до виразкової корозії зменшується з підвищенням чистоти матеріалу і зниженням вмісту заліза та міді в сплаві. У сплавах системи Аl – Mg – Si (типу АД31, АД33) виразкова корозія поєднується з межкристаллитной. Листи сплавів систем Аl – Сі (дюралюмінію) і Al-Zn-Mg-Cu (типу В95, В93) зазвичай плакируют для захисту від виразкової корозії.

Наскільки безпечно використовувати алюмінієвий посуд

Алюміній – це метал, який широко використовується у виготовленні пристосувань для приготування та зберігання їжі завдяки своїй легкості та відмінній теплопровідності. Попри його популярність, існує певне занепокоєння серед людей щодо його впливу на здоров’я.

Використання алюмінію

Алюміній широко використовується завдяки своїм унікальним властивостям, таким як низька щільність, нетоксичність, висока теплопровідність та корозійна стійкість. Його використовують у виробництві харчової фольги, кухонного приладдя, віконних рам, пивних банок і навіть у деяких вакцинах як ад’ювант.

Алюміній не вважається необхідним елементом для організму людини. Він міститься у різних продуктах, таких як чай, плавлений сир, сочевиця та деякі види випічки, але його споживання обмежується у більшості країн.

Наскільки небезпечний алюміній

Існують побоювання щодо потенційного впливу алюмінію на здоров’я людини. Один із найвідоміших міфів – це його можливий зв’язок із розвитком хвороби Альцгеймера. Однак дослідження це не підтвердили, і вчені вважають, що отриманий з їжі алюміній не може проникнути в мозок у достатній кількості.

Вчені припускають, що, якщо алюміній взагалі – хоча б теоретично – небезпечний, у групі ризику можуть перебувати люди із захворюваннями нирок, оскільки з організму він виводиться саме за допомогою сечовидільної системи. Хоча випадків, коли алюміній із їжі чи посуду серйозно нашкодив пацієнтам на діалізі, зареєстровано не було.

Алюміній та приготування їжі

Наукова думка нині сходиться в тому, що алюміній, який потрапляє в організм через їжу або з використанням посуду та фольги, не несе небезпеки для здоров’я. Багато досліджень підтверджують, що кількість алюмінію з цих джерел настільки низька, що не викликає жодних наслідків.

Особливо якщо враховувати, що посуд часто роблять з анодованого алюмінію – тоді метал покривається нерозчинним оксидом алюмінію, що блокує вихід елемента навіть при нагріванні.

Також існує рекомендація: не зберігати в алюмінієвому посуді кислі продукти, оскільки кислота може зруйнувати захисне покриття. Хоча дослідження показують, що з кислою їжею алюміній в реакцію не вступає (або алюмінію виділяється дуже мало) і руйнується тільки при температурі +660 градусах – її не може досягти жодна кухонна піч. А це означає, що можна заспокоїтись і не викидати ні фольгу, ні улюблену алюмінієву каструлю.

Важливо! Цей матеріал має винятково загальноінформаційний характер і не може бути основою для встановлення діагнозу або медичних висновків. Публікації на сайті засновані на останніх актуальних і науково обґрунтованих дослідженнях у сфері медицини. Але якщо Вам потрібні встановлення діагнозу або медична консультація, обов’язково зверніться до лікаря.