Зошто алуминиумот рѓосува полесно од железото?

Кога разговараат за корозија на метал, многу луѓе претпоставуваат дека железото 'рѓа побрзо од алуминиумот - на крајот на краиштата, железните предмети како стари клинци или градинарски алат брзо развиваат ронлива, црвеникаво-кафена 'рѓа, додека алуминиумските производи (како што се лименките со сода или прозорските рамки) се чини дека остануваат сјајни со години. Меѓутоа, од хемиска перспектива, алуминиумот всушност полесно рѓосува (кородира) од железото. Конфузијата произлегува од уникатната природа на алуминиумскиот производ за корозија, што му дава супериорна долгорочна заштита во споредба со железото. За да го разбереме овој парадокс, треба да ја разложиме науката за оксидација на метал, да ги споредиме реакциите на алуминиумот и железото со кислородот и да истражиме зошто резултатите од нивното 'рѓосување се разликуваат толку драматично.

1. Наука за 'Рѓосување': Оксидација како природен процес

Брзината на оксидација зависи од „реактивноста“ на металот - мерка за тоа колку лесно донира електрони на други супстанции (како кислород). На периодниот систем, металите се рангирани според реактивноста: калиумот и натриумот се многу реактивни (тие оксидираат моментално во вода), додека златото и платината се нереактивни (ретко кородираат). Алуминиумот и железото паѓаат на средина, но алуминиумот е значително пореактивен од железото. Оваа поголема реактивност значи дека атомите на алуминиум имаат посилна тенденција да се врзуваат со кислород, што доведува до побрза почетна оксидација.

2. Алуминиумот се оксидира побрзо: Реактивноста го победи железото

Поголемата реактивност на алуминиумот е основната причина зошто полесно рѓосува од железото. Еве зошто:

Железото, напротив, реагира побавно со кислородот. Новата железна шајка може да остане светла со часови на сув воздух, па дури и во влажни услови, видливата 'рѓа (железен оксид, Fe2O3·nH2O) трае со часови или денови за да се формира. Оваа побавна почетна реакција е причината зошто железото на почетокот изгледа помалку склоно кон 'рѓосување - но неговиот оксиден слој не нуди долготрајна заштита, што доведува до полошо оштетување со текот на времето.

3. Заштитниот 'Невидлив штит': зошто алуминиумската 'рѓа не го уништува

Ако алуминиумот оксидира побрзо, зошто не се распаѓа како рѓосано железо? Одговорот лежи во структурата и својствата на алуминиум оксидот (Al2O3), „рѓата“ што се формира на алуминиумот. За разлика од железниот оксид, кој е порозен, ронлив и деструктивен, алуминиум оксидот создава тенок, густ и непропустлив слој кој делува како бариера против понатамошна корозија.

Како функционира алуминиумскиот оксиден слој:

Тенкиост и густина

 Кога алуминиумот оксидира, формира слој од алуминиум оксид кој е дебел само 2-3 нанометри (околу 1/100.000 од дебелината на човечко влакно). Овој слој е толку тенок што е невидлив со голо око, со што алуминиумот останува сјаен. Што е уште поважно, тој е цврсто спакуван (аморфен или кристален, во зависност од условите) и нема празнини - кислородот и водата не можат да навлезат во него за да стигнат до свежиот алуминиум одоздола.

Способност за самолекување

Ако оксидниот слој е изгребан или оштетен (на пр. од удар или гребење), свежиот алуминиум изложен на местото на гребење веднаш реагира со кислород за да формира нов алуминиум оксид. За неколку секунди, гребаницата се запечатува со нов заштитен слој, спречувајќи понатамошна корозија.

Железниот оксид, напротив, е катастрофа за металот

Порозност и ронливост

 Рѓата (железен оксид) е лабав, порозен материјал кој не се врзува цврсто за железната површина. Водата и кислородот навлегуваат низ празнините во слојот на 'рѓа, продолжувајќи да реагираат со железото долу. Како што се формира повеќе 'рѓа, таа се шири (зафаќа 6-7 пати повеќе волумен од оригиналното железо), предизвикувајќи рѓата да се лупи и да го изложи свеж метал. Ова создава циклус на континуирана корозија - 'рѓата раѓа повеќе 'рѓа, додека железниот предмет не се распадне.

Нема самозаштита

За разлика од алуминиум оксидот, железниот оксид не може сам да се поправи. Штом ќе се појави гребнатинка или чип, подлогата на железото уште побрзо рѓосува, бидејќи влагата и кислородот имаат директен пристап до незаштитен метал.

4. Доказ во реалниот свет: издржливост на алуминиум во секојдневна употреба

Контрастот помеѓу корозивното однесување на алуминиумот и железото е видлив во секојдневниот живот:

Заклучок: Алуминиумот рѓосува побрзо, но трае подолго

Идејата дека „алуминиумот полесно рѓосува од железото“ не е мит - тоа е хемиски факт, вкоренет во поголемата реактивност на алуминиумот и побрзата оксидација. Сепак, уникатниот оксиден слој на алуминиум ја претвора оваа „слабост“ во сила: додека брзо рѓосува на површината, густиот оксиден штит што само заздравува спречува понатамошна корозија, што го прави алуминиумот многу поиздржлив од железото на долг рок.

Ова својство е причината зошто алуминиумот е материјал на избор за апликации каде што е важна отпорноста на корозија - од фурнири на вратите на кабинетот и кујнски прибор до делови за авиони и конструкции на отворено. Тоа е совршен пример за тоа како разбирањето на науката за материјалите може да ни помогне да сфатиме зошто одредени метали работат подобро од другите, дури и кога нивното првично однесување изгледа контраинтуитивно.