13.2.2. Металлический алюминий

Алюминий - серебристо-белый металл, очень легкий, легкоплавкий, но с трудом испаряющийся (см. табл. 13.4). Алюминий в чистом виде - мягкий металл, выдерживающий нагрузку не выше 6 кг/см². Электропроводность Аl сопоставима с проводимостью меди, что делает металлический алюминий важнейшим материалом для изготовления электрических проводов.

В ряду напряжений Аl располагается намного левее водорода, поэтому он должен был бы взаимодействовать с Н₂О, выделяя водород:

2Аl + 6Н₂О = 2Аl(ОН)₃ + 3Н₂↑.

Однако в обычных условиях эта реакция не идет. Действительно, в технике и в быту алюминиевые изделия и конструкции используются очень широко, так как они не подвергаются в заметной степени коррозии.

При обычных условиях инертность металлического алюминия по отношению к воде, влажному воздуху и многим другим реагентам объясняется наличием на поверхности алюминия очень тонкой, но плотной оксидной пленки, надежно предохраняющей алюминий от дальнейшего окисления кислородом и от взаимодействия с водой.

Реакция окисления алюминия кислородом (4Аl + 3О₂ = 2Аl₂О₃) сопровождается выделением большого количества энергии - «сродство» алюминия к кислороду очень велико.

Это легко показать экспериментально, если использовать в качестве реагентов алюминиевую «пудру» и чистый кислород, а реакцию вести при нагревании. В этих условиях Аl нацело сгорает в кислороде, образуя белый дым Аl₂О₃. Так как химическая активность мелкодисперсных металлов, в том числе Аl, очень велика, производство алюминиевой пудры является взрывоопасным.

Благодаря большому сродству к кислороду металлический алюминий обладает свойствами сильного восстановителя. Русский ученый Н.Н. Бекетов еще в 60-х годах XIX в. предложил использовать порошок алюминия для восстановления металлов из оксидов (алюминотермия). Изучив реакцию алюминотермии, знаменитый физикохимик В.М. Гольдшмидт рекомендовал применять этот способ для сварки деталей из железа.

Сварку железных деталей проводят, «поджигая» смесь оксида железа Fe₂O₃ и порошка металлического Аl, помещенную в пространстве между деталями, с помощью какого-либо запала (например, смеси Mg и ВаО₂). Так как Fe₂O₃ - термодинамически значительно менее устойчивое соединение (∆_G⁰₂₉₈ = -740,3 кДж/моль), чем Аl₂О₃ (∆_G⁰₂₉₈ = -1582 кДж/моль), происходит восстановление железа:

2Аl + Fe₂O₃ Аl₂О₃ + 2Fe.

При алюминотермии развивается высокая температура (> 1300⁰С), железо плавится, а по окончании реакции застывает в виде слитка, сваривающего железные детали, например два рельса, подлежащих соединению. Методом алюминотермии можно получить из оксидов и другие металлы, например, ванадий, хром, марганец.

Очевидно, что при алюминотермии оксидная пленка на поверхности Аl не предохраняет металлический алюминий от дальнейшего окисления. Впрочем, существуют методы, позволяющие преодолеть химическую инертность окисленного с поверхности Аl и при обычной температуре.

Одним из самых эффективных способов снятия оксидной пленки с алюминия является амальгамирование. Алюминиевая пластинка, хранившаяся в атмосфере влажного воздуха, имеет серебристо-белую блестящую поверхность, хотя ее покрывает слой Аl₂О₃ (его толщина обычно 60 – 100 Å). Если нанести на поверхность алюминиевой пластины небольшое количество раствора Hg(NO₃)₂, то в соответствии со значениями ОВП [E⁰(Hg²⁺/Hg⁰) = +0,85 В, E⁰(Аl³⁺/Аl⁰) = -1,66В] произойдет «вытеснение» металлической ртути из раствора Hg^II:

2Аl⁰ + 3Hg²⁺ = 2Аl³⁺ + 3Hg⁰.

Поскольку ртуть растворяет алюминий, на поверхности последнего образуется амальгама - сплав Al/Hg темно-серого цвета. Это приводит к нарушению целостности плотной оксидной пленки, покрывавшей алюминиевую пластину до амальгамирования. Алюминий, лишенный защитной пленки, быстро взаимодействует с водой, выделяя водород и превращаясь в гидроксид, а также - с кислородом воздуха, превращаясь в оксид Аl₂О₃. В результате пластинка покрывается рыхлым слоем белого вещества, по внешнему виду напоминающего шерсть животного.

Очень важным свойством металлического алюминия является инертность к действию концентрированной азотной кислоты - удивительное для активного металла свойство, особенно если учесть, что в ряду напряжений Аl стоит рядом с натрием. Пассивация металлического Аl концентрированной HNO₃ объясняется повышением под действием азотной кислоты плотности и химической инертности оксидного слоя, покрывающего металл. Инертность по отношению к HNO₃,_KOHЦ используется на практике - техническими нормативами разрешено хранить и перевозить HNO₃,_KOHЦ в алюминиевых емкостях.

Щелочи разрушают оксидный поверхностный слой, что приводит к энергичному взаимодействию Аl с водой в их присутствии:

2Аl + 6Н₂О 2Аl(ОН)₃ + 3Н₂↑.

При избытке щелочи гидроксид алюминия превращается в гидроксокомплекс, что смещает равновесие реакции вправо и ускоряет ее протекание:

Аl(ОН)₃ + КОН  К[Аl(ОН)₄].

Таким образом, алюминий растворяется в щелочи в соответствии с уравнением

2Аl + 2КОН + 6Н₂О = 2К[Аl(ОН)₄] + 3Н₂↑.

Принципы технологии получения металлического алюминия изложены в разд. 13.5.

Металлический алюминий и его сплавы занимают третье место (после железосодержащих сплавов) по использованию в практике. Это конструкционные материалы, сплавы для изготовления летательных аппаратов и электрических проводов. Ежегодное мировое потребление металлического алюминия составляет более 20 млн. тонн.

Из сплавов алюминия наиболее широко используется дюралюминий, сокращенно дюраль («дюр» означает «твердый»). Большую твердость дюралю по сравнению с чистым Аl придают добавки меди (4%), марганца (0,5%), магния (1,5%), кремния и железа (доли %). Применение нашли также сплав Аl с Si силумин (16% Si), алюминиевая бронза (89% Сu), а также сплавы с титаном.