Алюминий с водой реакция: Реакции алюминия

Реакции алюминия

Химические свойства алюминия

Химические свойства алюминия определяются его положением в периодической системе химических элементов.

Ниже представлены основные химические реакции алюминия с другими химическими элементами. Эти реакции определяют основные химические свойства алюминия.

С чем реагирует алюминий

Простые вещества:

• галогены (фтор, хлор, бром и иодин)
• сера
• фосфор
• азот
• углерод
• кислород (горение)

Сложные вещества:

• вода
• минеральные кислоты (соляная, фосфорная)
• серная кислота
• азотная кислота
• щелочи
• окислители
• оксиды менее активных металлов (алюмотермия)

С чем не реагирует алюминий

Алюминий не реагирует:

• с водородом
• в обычных условиях – с концентрированной серной кислотой (из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки)
• в обычных условиях – с концентрированной азотной кислотой (также из-за пассивации)

См. подробнее по химии алюминия

Алюминий и воздух

Обычно поверхность алюминия всегда покрыта тонким слоем оксида алюминия, который защищает ее от воздействия воздуха, точнее, кислорода. Поэтому считается, что алюминий не вступает в реакцию с воздухом. Если же этот оксидный слой повреждается или удаляется, то свежая поверхность алюминия реагирует с кислородом воздуха. Алюминий может гореть в кислороде ослепительно белым пламенем с образованием оксида алюминия Al2O3.

Реакция алюминия с кислородом:

• 4Al + 3O₂ —> 2Al₂O₃

Алюминий и вода

Алюминий реагирует с водой по следующим реакциям [2]:

• 2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂       (1)
• 2Al + 4H₂O = 2AlO(OH) + 3H₂     (2)
• 2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂            (3)

В результате этих реакций образуются, соответственно, следующие соединения алюминия:

• модификация гидроксида алюминия байерит и водород (1)
• модификация гидроксида алюминия богемит и водород (2)
• оксид алюминия и водород (3)

Эти реакции, кстати, представляют большой интерес при разработке компактных установок для получения водорода для транспортных средств, которые работают на водороде [2].

Все эти реакции являются термодинамически возможными при температуре от комнатной до температуры плавления алюминия 660 ºС. Все они являются также экзотермическими, то есть происходят с выделением тепла [2]:

• При температуре от комнатной до 280 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al(OH)₃.
• При температуре от 280 до 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является AlO(OH).
• При температуре выше 480 ºС наиболее устойчивым продуктом реакции является Al₂O₃.        

Таким образом, оксид алюминия Al₂O₃ становится термодинамически более устойчивым, чем  Al(OH)₃ при повышенной температуре. Продуктом реакции алюминия с водой при комнатной температуре будет гидроксид алюминия Al(OH)₃.

Реакция (1) показывает, что алюминий должен самопроизвольно реагировать с водой при комнатной температуре. Однако на практике кусок алюминия, опущенный в воду, не реагирует с водой в условиях комнатной температуры и даже в кипящей воде.

Дело в том, что алюминий имеет на поверхности тонкий когерентный слой оксида алюминия Al₂O₃. Эта оксидная пленка прочно удерживается на поверхности алюминия и предотвращает его реакцию с водой. Поэтому, чтобы начать и поддерживать реакцию алюминия с водой при комнатной температуре необходимо постоянно удалять или разрушать этот оксидный слой [2].

Алюминий и галогены

Алюминий бурно реагирует со всем галогенами – это:

• фтор F
• хлор Cl
• бром Br и
• иодин (йод) I,

с образованием соответственно:

• фторида AlF₃ 
• хлорида AlCl₃
• бромида Al₂Br₆ и
• иодида Al
  2Br_6.

Реакции водорода со фтором, хлором, бромом и иодином:

• 2Al + 3F₂ → 2AlF₃
• 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃
• 2Al + 3Br₂ → Al₂Br₆
• 2Al + 3l₂ → Al₂I₆ 

Алюминий и кислоты

Алюминий активно вступает в реакцию с разбавленными кислотами: серной, соляной и азотной, с образованием соответствующих солей: сернокислого алюминия Al₂SO₄, хлорида алюминия AlCl₃ и нитрата алюминия Al(NО₃)₃.

Реакции алюминия с разбавленными кислотами:

• 2Al + 3H₂SO₄ —> Al₂(SO₄)₃ + 3H₂
• 2Al + 6HCl —> 2AlCl₃ + 3H₂
• 2Al + 6HNO₃ —> 2Al(NO₃)₃  + 3H₂

С концентрированными серной и соляной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли, окислов и воды.

Алюминий и щелочи

Алюминий в водном растворе щелочи – гидроксида натрия – реагирует с образованием алюмината натрия.

Реакция алюминия с гидроксидом натрия имеет вид:

• 2Al + 2NaOH + 10H₂O  —> 2Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] + 3H₂

Все важнейшие реакции с алюминием

Для полноты информации приводим перечень основных реакций с участием алюминия из фундаментальной книги про алюминий [3]:

Важнейшие реакции с участием алюминия [3]

Источники:

1.  Chemical Elements. The first 118 elements, ordered alphabetically / ed. Wikipedians – 2018

2. Reaction of Aluminum with Water to Produce Hydrogen /John Petrovic and George Thomas, U.S. Department of Energy, 2008

3. Тринадцатый элемент: Энциклопедия / А. Дроздов – Библиотека РУСАЛа, 2007.

Реакция алюминия с водой

Мировая экономика

Нефть Brent и WTI

USD/JPY

USD/AUD

USD/CHF

USD/GBP

USD/CAD

Серебро

Палладий

Золото

Справочники

Востребованные технологии

• Концепция инновационного развития общественного производства – осуществления Второй индустриализации России на период 2017-2022 гг. (107 880)
• Экономика Второй индустриализации России (105 043)
• Этилен (этен), получение, свойства, химические реакции (40 863)
• Крахмал, свойства, получение и применение (35 817)
• Целлюлоза, свойства, получение и применение (33 894)
• Природный газ, свойства, химический состав, добыча и применение (32 847)
• Программа искусственного интеллекта ЭЛИС (32 360)
• Прямоугольный треугольник, свойства, признаки и формулы (31 744)
• Метан, получение, свойства, химические реакции (31 613)
• Пропилен (пропен), получение, свойства, химические реакции (30 118)

Еще технологии

Поиск технологий

Выберите отрасль экономики или все отраслиПоиск по всем отраслямБиотехнологииВодоснабжение и водоотведениеДобыча, обработка и переработка полезных ископаемыхЗдравоохранениеИнформация и связьЛегкая промышленностьЛесная и деревообрабатывающая промышленностьНаноиндустрияНефтехимическая промышленностьОбразование. Подготовка кадровПищевая промышленностьПолучение энергии. ЭлектроэнергетикаПроизводство компьютеров, электронных и оптических изделийПроизводство лекарственных средств и материаловПроизводство машин и оборудованияПроизводство металлических изделийПроизводство прочей неметаллической минеральной продукцииПроизводство резиновых и пластмассовых изделийПроизводство транспортных средств и оборудованияПроизводство электрического оборудованияПромышленность строительных материаловСбор и утилизация отходов, ликвидация загрязненийСельское хозяйство, лесное хозяйство, охота, рыболовство и рыбоводствоСистемы (технологии) управленияСтекольная и фарфоро-фаянсовая промышленностьСтроительствоСупер прорывные технологииТопливная промышленностьТранспортировкаХимическая промышленностьХранениеЦеллюлозно-бумажная промышленностьЧерная и цветная металлургия

Поиск технологий

Финансирование:Технологии ожидают финансирования

В процессе разработки:Технологии в процессе разработки

О чём данный сайт?

Настоящий сайт посвящен авторским научным разработкам в области экономики и научной идее осуществления Второй индустриализации России.

Он включает в себя:
– экономику Второй индустриализации России,
– теорию, методологию и инструментарий инновационного развития – осуществления Второй индустриализации России,
– организационный механизм осуществления Второй индустриализации России,
– справочник прорывных технологий.

Мы не продаем товары, технологии и пр. производителей и изобретателей! Необходимо обращаться к ним напрямую!

Мы проводим переговоры с производителями и изобретателями отечественных прорывных технологий и даем рекомендации по их использованию.

О Второй индустриализации

Осуществление Второй индустриализации России базируется на качественно новой научной основе (теории, методологии и инструментарии), разработанной авторами сайта.

Конечным результатом Второй индустриализации России является повышение благосостояния каждого члена общества: рядового человека, предприятия и государства.

Вторая индустриализация России есть совокупность научно-технических и иных инновационных идей, проектов и разработок, имеющих возможность быть широко реализованными в практике хозяйственной деятельности в короткие сроки (3-5 лет), которые обеспечат качественно новое прогрессивное развитие общества в предстоящие 50-75 лет.

Та из стран, которая первой осуществит этот комплексный прорыв – Россия, станет лидером в мировом сообществе и останется недосягаемой для других стран на века.

Может быть интересно:

Использование алюминия и воды для производства чистого водородного топлива — когда и где это необходимо

Лорин Меруэ, доктор философии 2020 года (на фото), и профессора Дуглас П. Харт и Томас В. Игар систематически изучали, как генерировать водород путем соединения алюминия с водой. Их результаты показывают, что, выбрав определенный алюминиевый сплав из кучи отходов и предприняв несколько шагов по его модификации, пользователь может создать поток водорода, необходимый для конкретного практического применения. Кредит: Реза Миршекари

Коротко

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали практические рекомендации по получению водорода из алюминиевого лома и воды. Во-первых, они получили специально изготовленные образцы чистого алюминия и алюминиевых сплавов, предназначенные для воспроизведения типов алюминиевого лома, которые обычно можно получить из источников вторичной переработки. Затем они продемонстрировали способы обработки образцов, чтобы на поверхности всех алюминиевых «зерен», из которых состоит твердое вещество, не оставалось отложений на протяжении всей реакции. Затем они показали, что могут «настроить» выход водорода, начав с чистого алюминия или определенных сплавов и манипулируя размером внутренних алюминиевых зерен. Такая настройка может быть использована для удовлетворения потребностей, например, в коротких вспышках водорода или в более низких и более продолжительных потоках. Работа подтверждает, что в сочетании с водой алюминий может обеспечить высокую плотность энергии, легко транспортируемый, гибкий источник водорода, который может служить безуглеродной заменой ископаемого топлива.

---

Поскольку мир работает над тем, чтобы отказаться от ископаемого топлива, многие исследователи изучают, может ли чистое водородное топливо играть расширенную роль в различных секторах, от транспорта и промышленности до строительства и производства электроэнергии. Его можно использовать в транспортных средствах на топливных элементах, тепловых котлах, газовых турбинах, вырабатывающих электроэнергию, системах хранения возобновляемой энергии и многом другом.

Но хотя использование водорода не приводит к выбросам углерода, как это обычно бывает. Сегодня почти весь водород производится с использованием процессов, основанных на ископаемом топливе, которые вместе производят более 2% всех глобальных выбросов парниковых газов. Кроме того, водород часто производится в одном месте, а потребляется в другом, что означает, что его использование также сопряжено с логистическими проблемами.

Многообещающая реакция

Другой вариант получения водорода происходит из, возможно, неожиданного источника: реакции алюминия с водой. Металлический алюминий легко реагирует с водой при комнатной температуре с образованием гидроксида алюминия и водорода. Эта реакция обычно не происходит, потому что слой оксида алюминия естественным образом покрывает необработанный металл, предотвращая его прямой контакт с водой.

Использование реакции алюминия и воды для получения водорода не приводит к выбросам парниковых газов и обещает решить проблему транспортировки в любом месте с доступной водой. Просто переместите алюминий, а затем проведите реакцию с водой на месте. «По сути, алюминий становится механизмом хранения водорода — и очень эффективным», — говорит Дуглас П. Харт, профессор машиностроения. «Используя алюминий в качестве источника, мы можем «хранить» водород с плотностью в 10 раз выше, чем если бы мы просто хранили его в виде сжатого газа».

Две проблемы не позволяют использовать алюминий в качестве безопасного и экономичного источника для производства водорода. Первая проблема заключается в обеспечении того, чтобы алюминиевая поверхность была чистой и доступной для реакции с водой. С этой целью практическая система должна включать средства, сначала модифицирующие оксидный слой, а затем предотвращающие его повторное формирование по мере протекания реакции.

Вторая проблема заключается в том, что добыча и производство чистого алюминия требует больших затрат энергии, поэтому любой практический подход требует использования лома алюминия из различных источников. Но алюминиевый лом – не самый простой исходный материал. Обычно он встречается в легированной форме, что означает, что он содержит другие элементы, которые добавляются для изменения свойств или характеристик алюминия для различных целей. Например, добавление магния увеличивает прочность и коррозионную стойкость, добавление кремния снижает температуру плавления, а добавление небольшого количества того и другого делает сплав умеренно прочным и устойчивым к коррозии.

Несмотря на обширные исследования алюминия как источника водорода, остаются два ключевых вопроса: как лучше всего предотвратить прилипание оксидного слоя к поверхности алюминия и как легирующие элементы в куске алюминиевого лома влияют на общее количество генерируемого водорода и скорость, с которой он генерируется?

«Если мы собираемся использовать алюминиевый лом для производства водорода в практических целях, мы должны быть в состоянии лучше предсказать, какие характеристики образования водорода мы будем наблюдать в результате реакции алюминия с водой», — говорит доктор философии Лорин Меруэ. ’20 машиностроения.

Поскольку основные этапы реакции изучены недостаточно, трудно предсказать скорость и объем образования водорода из алюминиевого лома, который может содержать различные типы и концентрации легирующих элементов. Итак, Харт, Меруэ и Томас У. Игар, SB ’72, ScD ’75, профессор кафедры материаловедения и инженерного менеджмента на факультете материаловедения и инженерии, решили систематически изучить влияние этих легирующих элементов. о реакции алюминия с водой и о перспективной методике предотвращения образования мешающего оксидного слоя.

Для подготовки специалисты Novelis Inc. (Спокан, Вашингтон) изготовили образцы чистого алюминия и специальных алюминиевых сплавов, изготовленных из технически чистого алюминия в сочетании либо с 0,6% кремния (по весу), либо с 1,0% магния, либо с тем и другим — составы, типичные для алюминиевого лома из различных источников. Используя эти образцы, исследователи Массачусетского технологического института провели серию тестов для изучения различных аспектов реакции алюминия с водой.

Предварительная обработка алюминия

Первым шагом была демонстрация эффективного средства проникновения через оксидный слой, который образуется на алюминии на воздухе. Твердый алюминий состоит из крошечных зерен, которые упакованы вместе со случайными границами, где они не совпадают идеально. Чтобы максимизировать производство водорода, исследователям необходимо предотвратить образование оксидного слоя на всех внутренних поверхностях зерен.

Исследовательские группы уже опробовали различные способы «активации» алюминиевых зерен для реакции с водой. Некоторые измельчают образцы металлолома на настолько мелкие частицы, что оксидный слой не прилипает. А вот алюминиевые порошки опасны, так как могут вступить в реакцию с влагой и взорваться. Другой подход требует измельчения образцов лома и добавления жидких металлов для предотвращения осаждения оксидов. Но шлифование – это дорогостоящий и энергоемкий процесс.

По мнению Харта, Меруэ и Игара, наиболее многообещающий подход, впервые предложенный Джонатаном Слокамом, доктором философии ’18, когда он работал в исследовательской группе Харта, включал предварительную обработку твердого алюминия путем нанесения на него жидких металлов и предоставления им возможности проникать через границы зерен, как показано на диаграмме ниже.

 

Предотвращение образования оксидного покрытия Чтобы запустить реакцию образования водорода, исследователи должны сначала разрушить естественное оксидное покрытие на поверхности алюминия, а затем убедиться, что оно не восстанавливается. образуются в результате реакции алюминия и воды. С этой целью они окрашивают поверхность твердого тела тщательно подобранной смесью жидкого металла комнатной температуры. Смесь изначально смачивает поверхность; но со временем он проникает через границы зерен и достигает внутренних поверхностей зерен, как показано выше.

---

Чтобы определить эффективность этого подхода, исследователям нужно было подтвердить, что жидкие металлы могут достигать внутренних поверхностей зерен, как с присутствием легирующих элементов, так и без них. И им нужно было установить, сколько времени потребуется, чтобы жидкий металл покрыл все зерна чистого алюминия и его сплавов.

Они начали с объединения двух металлов — галлия и индия — в определенных пропорциях, чтобы создать «эвтектическую» смесь, то есть смесь, которая оставалась бы в жидкой форме при комнатной температуре. Они покрыли свои образцы эвтектикой и позволили ей проникнуть в течение периода времени от 48 до 9 часов.6 часов. Затем они подвергали образцы воздействию воды и контролировали выход водорода (количество образовавшегося) и скорость потока в течение 250 минут. Через 48 часов они также сделали изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с большим увеличением, чтобы увидеть границы между соседними зернами алюминия.

Основываясь на измерениях выхода водорода и изображениях СЭМ, команда Массачусетского технологического института пришла к выводу, что эвтектика галлия-индия естественным образом проникает и достигает внутренних поверхностей зерен. Однако скорость и степень проникновения варьируются в зависимости от сплава. Скорость проникновения в образцах алюминия, легированного кремнием, была такой же, как и в образцах чистого алюминия, но ниже в образцах, легированных магнием.

Возможно, наиболее интересными были результаты для образцов, легированных как кремнием, так и магнием — алюминиевым сплавом, часто встречающимся в рециркуляционных потоках. Кремний и магний химически связываются с образованием силицида магния, который образуется в виде твердых отложений на внутренней поверхности зерна. Меруэх предположил, что, когда в алюминиевом ломе присутствуют и кремний, и магний, эти отложения могут действовать как барьеры, препятствующие протеканию эвтектики галлий-индий.

Эксперименты и изображения подтвердили ее гипотезу: твердые отложения действительно действовали как барьеры, а изображения образцов, предварительно обработанных в течение 48 часов, показали, что проникновение не было полным. Очевидно, что длительный период предварительной обработки будет иметь решающее значение для максимизации выхода водорода из алюминиевых отходов, содержащих как кремний, так и магний.

Меруэ указывает на несколько преимуществ используемого ими процесса. «Вам не нужно применять какую-либо энергию, чтобы эвтектика галлия-индия воздействовала на алюминий и избавлялась от этого оксидного слоя», — говорит она. «Как только вы активируете свой алюминий, вы можете бросить его в воду, и он будет генерировать водород — никаких затрат энергии не требуется». Более того, эвтектика не вступает в химическую реакцию с алюминием. «Он просто физически перемещается между зернами», — говорит она. «В конце процесса я мог восстановить весь вложенный галлий и индий и использовать их снова» — ценная особенность, поскольку галлий и (особенно) индий дороги и относительно дефицитны.

Влияние легирующих элементов на образование водорода

Далее исследователи исследовали, как присутствие легирующих элементов влияет на образование водорода. Они испытали образцы, обработанные эвтектикой в ​​течение 96 часов; к тому времени выход водорода и скорость потока выровнялись во всех образцах. На рисунках ниже показано влияние на общий выход водорода (слева) и скорость потока (справа) с течением времени.

Влияние легирующих элементов на образование водорода На приведенных выше рисунках показано влияние легирующих элементов, обычно встречающихся в алюминиевом ломе, на выход водорода (слева) и на скорость образования водорода (справа). Результаты показывают, что выход водорода можно настроить в соответствии с потребностями конкретного применения. Отметим, что перед экспериментами все образцы были предварительно обработаны эвтектикой в ​​течение 96 часов.

Как видно на рисунке слева, присутствие 0,6 % кремния (красная кривая) увеличивает выход водорода для данной массы алюминия на 20 % по сравнению с чистым алюминием (черная) — даже несмотря на то, что кремнийсодержащий образец алюминия меньше, чем в чистом алюминиевом образце. Напротив, присутствие 1,0% магния (темно-синий) дает гораздо меньше водорода, а добавление кремния и магния (светло-синий) повышает выход, но не до уровня чистого алюминия.

Рисунок справа показывает, что присутствие кремния также значительно ускоряет скорость реакции, вызывая гораздо более высокий пик скорости потока, но сокращая продолжительность выхода водорода. Присутствие магния приводило к более низкой скорости потока, но позволяло выходу водорода оставаться довольно стабильным с течением времени. И снова алюминий с обоими легирующими элементами давал скорость потока между легированным магнием и чистым алюминием.

Эти результаты дают практическое руководство о том, как отрегулировать выход водорода в соответствии с рабочими потребностями устройства, потребляющего водород. Если исходным материалом является коммерчески чистый алюминий, добавление небольшого количества тщательно подобранных легирующих элементов может регулировать выход водорода и скорость потока. Если исходным материалом является алюминиевый лом, ключевым фактором может быть тщательный выбор источника. Для мощных кратковременных всплесков водорода хорошо подойдут куски кремнийсодержащего алюминия со свалки автомобилей. Для более низких, но более длинных потоков лучше использовать содержащие магний отходы от каркаса снесенного здания. Для результатов где-то посередине хорошо подойдет алюминий, содержащий как кремний, так и магний; такой материал в изобилии доступен из списанных автомобилей и мотоциклов, яхт, велосипедных рам и даже чехлов для смартфонов.

Также должна быть возможность комбинировать обрезки различных алюминиевых сплавов для улучшения результата, отмечает Меруэ. «Если у меня есть образец активированного алюминия, который содержит только кремний, и другой образец, содержащий только магний, я могу поместить их оба в контейнер с водой и дать им прореагировать», — говорит она. «Таким образом, я получаю быстрый рост производства водорода из кремния, а затем магний вступает во владение и имеет такой стабильный выход».

Еще одна возможность для тюнинга: Уменьшение зернистости

Другим практическим способом повлиять на производство водорода может быть уменьшение размера алюминиевых зерен — изменение, которое должно увеличить общую площадь поверхности, доступную для протекания реакций.

Чтобы изучить этот подход, исследователи запросили у своего поставщика специально изготовленные образцы. Используя стандартные промышленные процедуры, специалисты Novelis сначала пропускали каждый образец через два ролика, сжимая его сверху и снизу, чтобы внутренние зерна были сплющены. Затем они нагревали каждый образец до тех пор, пока длинные плоские зерна не реорганизовались и не сжались до заданного размера.

На рисунках ниже представлены результаты уменьшения размера зерна. На левом рисунке показано изменение эффективности реакции, определяемой как количество водорода, образующегося на грамм алюминия, в процентах от теоретического максимума. Кривые отображают результаты, рассчитанные с использованием широко распространенного уравнения, связывающего предел текучести с размером зерна. На правом рисунке показано изменение продолжительности реакции. Как показывают рисунки, уменьшение размера зерна повышало эффективность и уменьшало продолжительность реакции в разной степени в разных образцах.

Влияние уменьшения размера зерна на два измерения На приведенном выше рисунке слева показано изменение эффективности реакции, рассчитанное как выход на грамм алюминия в процентах от теоретического максимума. На правом рисунке показана продолжительность реакции в минутах. Опять же, присутствие определенных легирующих элементов оказывает большое влияние на влияние уменьшения размера зерна.

Требуется: пересмотренная теория, объясняющая наблюдения

В ходе своих экспериментов исследователи столкнулись с некоторыми неожиданными результатами. Например, стандартная теория коррозии предсказывает, что чистый алюминий будет генерировать больше водорода, чем алюминий, легированный кремнием, — противоположное тому, что они наблюдали в своих экспериментах.

Чтобы пролить свет на лежащие в основе химические реакции, Харт, Меруэ и Игар исследовали «поток» водорода, то есть объем водорода, образующийся с течением времени на каждом квадратном сантиметре поверхности алюминия, включая внутренние зерна. Они изучили три размера зерна для каждого из четырех составов и собрали тысячи точек данных, измеряющих поток водорода.

Их результаты показывают, что уменьшение размера зерна оказывает значительное влияние. Он увеличивает пиковый поток водорода из алюминия, легированного кремнием, в 100 раз, а из трех других составов — в 10 раз. Как для чистого алюминия, так и для алюминия, содержащего кремний, уменьшение размера зерна также уменьшает задержку перед пиковым потоком и увеличивает скорость последующего снижения. В магнийсодержащем алюминии уменьшение размера зерна приводит к увеличению пикового потока водорода и приводит к несколько более быстрому снижению скорости выхода водорода. При наличии как кремния, так и магния поток водорода с течением времени напоминает поток алюминия, содержащего магний, когда размер зерна не изменяется. Когда размер зерна уменьшается, характеристики выхода водорода начинают напоминать поведение, наблюдаемое в кремнийсодержащем алюминии. Этот результат был неожиданным, потому что, когда одновременно присутствуют кремний и магний, они реагируют с образованием силицида магния, в результате чего получается новый тип алюминиевого сплава со своими свойствами.

Исследователи подчеркивают преимущества лучшего фундаментального понимания лежащих в основе химических реакций. В дополнение к руководству по проектированию практических систем, это могло бы помочь им найти замену дорогому индию в их смеси для предварительной обработки. Другая работа показала, что галлий естественным образом проникает через границы зерен алюминия. «На данный момент мы знаем, что индий в нашей эвтектике важен, но мы не очень понимаем, что он делает, поэтому мы не знаем, как его заменить», — говорит Харт.

Но Харт, Меруэ и Игар уже продемонстрировали два практических способа регулирования скорости водородной реакции: добавлением определенных элементов к алюминию и изменением размера внутренних алюминиевых зерен. В сочетании эти подходы могут дать значительные результаты. «Если перейти от магнийсодержащего алюминия с наибольшим размером зерна к кремнийсодержащему алюминию с наименьшим размером зерна, вы получите скорость водородной реакции, которая отличается на два порядка», — говорит Меруэ. «Это очень важно, если вы пытаетесь спроектировать реальную систему, которая будет использовать эту реакцию».

---

Это исследование проводилось при поддержке ExxonMobil-MIT Energy Fellowships в рамках инициативы MIT Energy Fellowships, присужденной Лорин Меруэ, доктору философии ’20, с 2018 по 2020 год. Меруэ сейчас является генеральным директором Alchemr, Inc., стартапа, который разрабатывает масштабируемое электролизеры воды для недорогого производства зеленого водорода. Дополнительную информацию об исследовании можно найти по телефону:

L. Meroueh, T.W. Игар и Д.П. Харт. «Влияние легирования Mg и Si на образование водорода путем восстановления алюминиевых сплавов в воде». ACS Applied Energy Materials , vol. 3, нет. 2, стр. 1860–1868, 2020. Онлайн: doi.org/10.1021/acsaem.9b02300.

Л. Меруэ, Л. Нил, Т.В. Игар и Д.П. Харт. «Использование влияния размера зерна на водород, образующийся в результате реакций легированного алюминия и воды, обеспечиваемых жидким металлом». ACS Applied Energy Materials , декабрь 2020 г. Онлайн: doi.org/10.1021/acsaem.0c02175.

---

Эта статья опубликована в весеннем выпуске журнала Energy Futures за 2021 год.

Возобновляемая энергия

Для запросов прессы: miteimedia@mit. edu

Алюминий и его реакция с водой

[Депозитные фотографии] Алюминий

был впервые получен в начале 19 века физиком Гансом Христианом Эрстедом. Он провел свой опыт с амальгамой калия, хлоридом алюминия и с последующей перегонкой ртути.

Кстати, название этого серебристого материала произошло от латинского слова, обозначающего квасцы (квасцы), потому что из них производят этот элемент.

Объемные квасцы [Викимедиа]

Квасцы – это природные минералы на основе металлов, которые сочетают в своем составе гидратированную двойную сульфатную соль.

Раньше алюминий считался драгоценным металлом и стоил значительно дороже золота. Это было связано с тем, что металл было довольно трудно отделить от примесей. Так что украшения из алюминия могли позволить себе только богатые и влиятельные люди.

Алюминиевые японские украшения [Викимедиа]

Но вскоре, в 1886 году, Шарлем Мартином Холлом и Полем Эру был разработан метод производства алюминия в промышленных масштабах, который резко удешевил этот металл и позволил использовать его в металлургической промышленности. Промышленный способ заключался в электролизе сплава криолита, в котором растворялась окись алюминия. Трудно оценить ценность этого металла в его нынешнем виде, так как многие изделия из алюминия используются людьми в быту.

Применение алюминия

Благодаря своей ковкости и легкости, а также коррозионной стойкости алюминий является ценным металлом, имеющим большое значение в современной промышленности, из которого изготавливаются такие предметы быта, как посуда, и в промышленности: например, широко используется в авиастроении и автомобилестроении.

Алюминий также является одним из самых недорогих и экономичных материалов, поскольку его можно использовать бесконечно, переплавляя использованные алюминиевые банки и другие предметы.

Алюминиевые банки [Депозитные фотографии]

Металлический алюминий безопасен, но его соединения могут оказывать токсическое воздействие на людей и животных, особенно хлорид, ацетат и сульфат алюминия.

Физические свойства алюминия

Алюминий — легкий серебристо-белый металл, который может образовывать сплавы с большинством металлов, особенно с медью и магнием, а также с кремнием. Он также очень пластичен и может быть легко превращен в тонкий лист или фольгу. Температура плавления алюминия 660°С, температура кипения 2470°С.

Химические свойства алюминия

Если алюминий оставить при комнатной температуре, на металле образуется прочный защитный слой из оксида алюминия Al₂O₃, предохраняющий его от коррозии.

Алюминий практически не реагирует с окислителями из-за оксидной пленки, которая его защищает. Но эта пленка легко разрушается, так что металл проявляет активные восстановительные свойства. Оксидную пленку алюминия можно разрушить раствором или сплавом щелочей, кислот, а также хлоридом или оксидом ртути. Благодаря своим восстановительным свойствам алюминий нашел применение в промышленности для получения других металлов или неметаллов, и этот процесс получил название алюминотермии. Эта особенность алюминия связана с взаимодействием с оксидами других металлов.

Алюминотермическая реакция с использованием оксида железа (III) [Викимедиа]

Например, рассмотрим реакцию с оксидом хрома:

2Al + Cr₂O₃ = Al₂O₃ + 2Cr

Алюминий легко реагирует с простыми веществами. Например, для галогенов исключением является фтор, алюминий может образовывать йодид, хлорид или бромид алюминия:

2Al+3Cl₂ = 2AlCl₃

С другими неметаллами, такими как фтор, сера, азот, углерод и т.  д., алюминий может реагировать только при нагреве.

Серебристый металл также вступает в реакцию со сложными химическими веществами. Например, со щелочами образует алюминаты. комплексные соединения, которые активно используются в бумажной и текстильной промышленности. Вступает в реакцию в виде гидроксида алюминия

Al(ОН)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄],

и в виде металлического алюминия или оксида алюминия:

2Al + 2NaOH + 6Н₂О = 2Na[Al(OH)₄] + ЗН₂↑

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

С сильными кислотами, например серной и соляная, алюминий реагирует совершенно спокойно, без возгорания.

Если кусок металла поместить в соляную кислоту, то реакция идет медленная, так как сначала с его поверхности будет растворяться оксидная пленка, но затем реакция ускоряется. Алюминий реагирует с соляной кислотой с выделением водорода, в результате реакции образуется хлорид алюминия:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl3 + 3H₂O

2Al+6HCl→2AlCl₃ +3H₂↑

[Хлорид алюминия]

Реакция алюминия с водой

Если взять алюминиевую опилку и опустить ее в воду, ничего не произойдет, так как алюминий защищен оксидной пленкой, которая не дает металлу вступить в реакцию.