Чаму алюміній іржавее лягчэй, чым жалеза?

Гаворачы аб карозіі металу, многія людзі мяркуюць, што жалеза іржавее хутчэй, чым алюміній - у рэшце рэшт, жалезныя прадметы, такія як старыя цвікі або садовыя прылады, хутка ўтвараюць чырванавата-карычневую іржу, у той час як алюмініевыя вырабы (напрыклад, банкі з газіроўкай або аконныя рамы) застаюцца бліскучымі гадамі. Аднак з хімічнага пункту гледжання алюміній на самай справе іржавее (раз'ядаецца) лягчэй, чым жалеза. Блытаніна ўзнікае з-за ўнікальнай прыроды прадукту карозіі алюмінія, які забяспечвае яму цудоўную доўгатэрміновую абарону ў параўнанні з жалезам. Каб зразумець гэты парадокс, нам трэба разбурыць навуку аб акісленні металаў, параўнаць рэакцыі алюмінія і жалеза з кіслародам і высветліць, чаму вынікі іх іржаўлення так моцна адрозніваюцца.

1. Навука аб 'іржавенні': акісленне як натуральны працэс

Хуткасць акіслення залежыць ад «рэакцыйнай здольнасці» металу — паказчыка таго, наколькі лёгка ён аддае электроны іншым рэчывам (напрыклад, кіслароду). У перыядычнай сістэме металы ранжыруюцца па рэакцыйнай здольнасці: калій і натрый вельмі рэакцыйныя (яны імгненна акісляюцца ў вадзе), а золата і плаціна не рэакцыйныя (яны рэдка падвяргаюцца карозіі). Алюміній і жалеза знаходзяцца ў сярэдзіне, але алюміній значна больш рэактыўны, чым жалеза. Гэтая больш высокая рэакцыйная здольнасць азначае, што атамы алюмінія маюць больш моцную тэндэнцыю звязвацца з кіслародам, што прыводзіць да больш хуткага пачатковага акіслення.

2. Алюміній акісляецца хутчэй: рэакцыйная здольнасць перавышае жалеза

Больш высокая рэакцыйная здольнасць алюмінія з'яўляецца асноўнай прычынай таго, што ён іржавее лягчэй, чым жалеза. Вось чаму:

Жалеза, наадварот, больш павольна рэагуе з кіслародам. Новы жалезны цвік можа заставацца яркім гадзінамі ў сухім паветры, і нават у вільготных умовах бачная іржа (аксід жалеза, Fe₂O₃·nH₂O) утвараецца гадзінамі ці днямі. Гэтая больш павольная пачатковая рэакцыя з'яўляецца прычынай таго, што жалеза спачатку здаецца менш схільным да іржы, але яго аксідны пласт не забяспечвае доўгатэрміновай абароны, што з часам прыводзіць да пашкоджання.

3. Ахоўны 'Нябачны шчыт': чаму іржа не разбурае алюміній

Калі алюміній акісляецца хутчэй, чаму ён не развальваецца, як іржавае жалеза? Адказ крыецца ў структуры і ўласцівасцях аксіду алюмінію (Al₂O₃), «іржы», якая ўтвараецца на алюмініі. У адрозненне ад аксіду жалеза, які з'яўляецца кіпрым, лускаватым і разбуральным, аксід алюмінія стварае тонкі, шчыльны і непранікальны пласт, які дзейнічае як бар'ер супраць далейшай карозіі.

Як працуе аксідны пласт алюмінія:

Тонкасць і Шчыльнасць

 Калі алюміній акісляецца, ён утварае пласт аксіду алюмінія таўшчынёй усяго 2-3 нанаметры (прыкладна 1/100 000 таўшчыні чалавечага воласа). Гэты пласт настолькі тонкі, што ён непрыкметны няўзброеным вокам, дзякуючы чаму алюміній выглядае бліскучым. Што яшчэ больш важна, ён шчыльна ўпакаваны (аморфны або крышталічны, у залежнасці ад умоў) і не мае шчылін - кісларод і вада не могуць пракрасціся праз яго, каб дабрацца да свежага алюмінію ўнізе.

Здольнасць да самааднаўлення

Калі аксідны пласт падрапаны або пашкоджаны (напрыклад, у выніку ўдару або драпіны), свежы алюміній, адкрыты ў месцы драпіны, неадкладна ўступае ў рэакцыю з кіслародам, утвараючы новы аксід алюмінію. На працягу некалькіх секунд драпіна зачыняецца новым ахоўным пластом, прадухіляючы далейшую карозію.

Аксід жалеза, наадварот, катастрофа для металу

Сітаватасць і лускаватасць

 Іржа (аксід жалеза) - гэта друзлы, кіпры матэрыял, які не счапляецца шчыльна з паверхняй жалеза. Вада і кісларод прасочваюцца праз шчыліны ў пласце іржы, працягваючы рэагаваць з жалезам унізе. Калі ўтвараецца больш іржы, яна пашыраецца (займаючы ў 6-7 разоў большы аб'ём, чым зыходнае жалеза), у выніку чаго іржа адслойваецца і агаляе свежы метал. Гэта стварае цыкл бесперапыннай карозіі - іржа спараджае больш іржы, пакуль жалезны прадмет не рассыпаецца.

Няма самаабароны

У адрозненне ад аксіду алюмінія, аксід жалеза не можа самастойна аднаўляцца. Пасля з'яўлення драпіны або скола жалеза, якое ляжыць у аснове, іржавее яшчэ хутчэй, бо вільгаць і кісларод маюць прамы доступ да неабароненага металу.

4. Праверка ў рэальным свеце: трываласць алюмінія пры штодзённым выкарыстанні

Кантраст паміж карозійнымі паводзінамі алюмінія і жалеза бачны ў паўсядзённым жыцці:

Выснова: алюміній іржавее хутчэй, але служыць даўжэй

Ідэя пра тое, што «алюміній іржавее лягчэй, чым жалеза», не з'яўляецца міфам — гэта хімічны факт, заснаваны на больш высокай рэакцыйнай здольнасці і больш хуткім акісленні алюмінія. Тым не менш, унікальны аксідны пласт алюмінія ператварае гэтую «слабасць» у моц: у той час як ён хутка іржавее на паверхні, шчыльны аксідны экран, які самааднаўляецца, прадухіляе далейшую карозію, робячы алюміній значна больш трывалым, чым жалеза ў доўгатэрміновай перспектыве.

Гэта ўласцівасць, чаму алюміній з'яўляецца матэрыялам выбару для прымянення, дзе мае значэнне ўстойлівасць да карозіі - ад шпону дзвярэй шафы і кухоннага посуду да частак самалётаў і вонкавых канструкцый. Гэта выдатны прыклад таго, як разуменне навукі аб матэрыялах можа дапамагчы нам зразумець, чаму пэўныя металы працуюць лепш за іншыя, нават калі іх першапачатковае паводзіны здаецца неразумным.