Воздействие ртути на алюминий

Ртуть и алюминий

Существует много причин, по которым не нужно иметь дело с ртутью ни при каких обстоятельствах. Мало того, что она токсична и может привести к эмоциональным и умственным расстройствам человека, так она еще может привести к разрушению алюминиевой конструкции самолета и авиакатастрофе! Как такое может быть?

rtut

Оксид алюминия и железная ржавчина

Алюминий в наше время применяют везде: от пивных банок до самолетов. Дело в том, что алюминий является хорошим выбором между другими материалами для многих ситуаций. Он легкий, прочный и имеет покрытие, сравниться с которым по твердости может только алмаз. Железо – точнее сталь – обладает большой прочностью и пока не заменимо, например, в строительстве. Однако, если заставить это железо-сталь летать на морем каждый день, то оно быстро заржавеет. Когда железо ржавеет, это оно соединяется с кислородом. При этом железо превращается в легкие, красные хлопья, которые легко счищаются с поверхности железа. В отличие от железа алюминий при взаимодействии с кислородом образует оксид алюминия – невероятно твердое вещество, которое очень трудно поцарапать.

То резкое различие поведения железа и алюминия при взаимодействии с кислородом только подтверждает эту мысль, что «химия – это колдовство». Оксид алюминия не отслаивается от алюминия, как ржавчина от железа. Наоборот, пленка из оксида алюминия герметизирует оставшийся алюминий и предотвращает дальнейшее его «ржавление». Это – то, что надо для алюминиевой конструкции, которая летает в воздухе и, часто, над морями-океанами.

Ртуть и свежий алюминий

Ртуть разбивает всю это прекрасное совершенство алюминия. Или, по крайней мере, может разбить, если попадет на алюминиевую деталь со свежей царапиной. Если это случается, то ртуть активно соединяется с алюминием, вырывая для этого его из алюминиевой конструкции. Конечно, когда алюминий и ртутная амальгама попадают на воздух, то алюминий тут же соединяется с кислородом с образованием того же сверхпрочного оксида алюминия. Просто это все происходит не в том месте в виде растущих перьев и столбов, которые поднимаются их жидкой ртути.

Этот выход оксида алюминия из первичной царапины дает ртути возможность прорываться сквозь алюминий до тех пор пока вся ртуть не испарится  в воздух. Поэтому даже небольшое количество ртути может причинить большие разрушения.

Как ртуть съедает алюминий

Ну, не на самом деле! Что ртуть действительно делает, так это проникает через защитный оксидный слой алюминия, дает возможность алюминию окисляться с очень большой скоростью. Ртуть дает возможность поверхности алюминия быть в постоянном контакте с воздухом и обеспечивает непрерывный процесс образования оксида алюминия. Это выглядит так, как будто, действительно, ртуть ест алюминий.

Конечно, в нормальных условиях этого не случается, так на открытой поверхности алюминия мгновенно образуется пленка оксида алюминия, которая защищает алюминий от дальнейшего окисления. Ртуть ингибирует процесс образования оксидной пленки и дает эту жутковатую картину поедания алюминия ртутью, которая показана здесь.

Механизм реакции

Механизм реакции алюминия с ртутью весьма сложен. Происходит спонтанная реакция между пленкой ртути, алюминием, влагой и кислородом из воздуха (рисунок). В то время как ртуть не растворяется в алюминии, алюминий незначительно растворяется в ртути (0,002 % при комнатной температуре). Когда ртуть смачивает поверхность алюминия, она поддерживает эту поверхность в активированном состоянии, так на ней не может образовываться оксидный слой. Алюминий будет растворяться в ртути и окисляться в контакте с воздухом [2].

В ходе этой реакции не происходит расхода ртути, поэтому один раз начавшись, она, в принципе, никогда не остановится [2].

Рисунок — Воздействие ртути на алюминий [2]

Химия взаимодействия алюминия и ртути

Если на алюминии отсутствует оксидный слой, то ртуть образует с ним амальгаму – сплав алюминия со ртутью. Свежий алюминий с амальгамой на его поверхности бурно реагирует с влагой в воздухе – реагирует очень активно, особенно в дни с высокой влажностью [3]:

Al(т) + 3H2O(ж) =>  Al(OH3)(т) + 3/2H2(г)
H = -418 кДж/моль.

В результате этой реакции алюминия с водой образуется гидроксид алюминия, который растет в виде перьев. До тех пор, пока не закончится весь алюминий или вся ртуть в амальгаме не уйдет с продуктами реакции.

Как и большинство спонтанных процессов, образование гидроксида алюминия является экзотермической реакцией и идет с повышением температуры.  Температура быстро достигает максимума, а затем реакция может еще продолжаться несколько часов.

Ртуть на алюминии – оружие диверсантов

Говорят, что во Вторую Мировую войну диверсанты пытались повреждать вражеские самолеты, размазывая по ним ртуть. Более достоверными выглядят истории о том, как кто-то разламывал ртутный термометр на чем-то алюминиевом, например, на алюминиевой скамейке в парке. На следующий день, говорят,  можно было видеть огромные дыры, которые ртуть проедала в этой скамейке.

Так или иначе, например, на американских авиалиниях запрещено провозить больше одного бытового ртутного градусника, а другие приборы с ртутью перевозятся с большой осторожностью.

Источники:

  1. http://io9.com
  2. Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004.
  3. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/the-real-reactivity-of-aluminium/2020076.article