不同形状铝的氧化状态.doc

不同形状铝的氧化状态 铝是一种相当活泼的金属,它的标准电极电位为-1.662V。它与氧反应生成氧化铝的标准摩尔生成自由焓的负值很大(-1582kJ?mol-1),因此铝与氧反应的自发性程度很大1。但铝与氧反应的现象依铝所呈现的状态或所处反应条件不同而有所不同,归纳起来有5种情况。 1铝片在空气中迅速氧化铝片一接触空气,表面立即氧化(4Al+3O2Al2O3),生成一层致密且透明的氧化膜 (Al2O3),铝片的银白色外观无明显变化,此氧化膜可阻止内层铝进一步被氧化。这就是人们看到的铝在空气中相当稳定,且不溶于水和酸(除盐酸)也不与盐溶液反应的原因。但该氧化膜可与强碱反应,将铝箔置于NaOH溶液中,先是表面氧化膜溶解,随后表面产生大量气泡,该过程中的反应有:Al2O3+2OH-2AlO2-+H2O2Al+2OH-+2H2O2AlO-2+3H2。铝片(铝箔在空气中用酒精灯加热也不能燃烧。 2铝箔在氧气中燃烧 将表面氧化膜擦掉的铝箔在氧气中点燃时可燃烧,放出大量的热和产生耀眼的白光,生成白色固体氧化铝,其反应为:4Al(铝箔)+3O2(纯点燃2Al2O3。此反应说明氧气浓度不同,铝箔反应时所呈现的现象不同,其原因是:在相同条件下纯氧中氧气浓度约为空气中氧气浓度的5倍,故其由此说明铝的组成成分不同在空气中氧化时的现象不同。其原因是:铝汞齐中汞向铝片里渗透过反应速率加快,反应过程剧烈,放出大量的热和产生耀眼的白光。 3铝粉在空气中燃烧 将铝粉托在纸片上,用一根较长的玻璃管吹气,使铝粉漂落在酒精灯火焰上点燃(图1),铝粉迅速燃烧,放出大量的热和产生耀眼的白色火星。其反应为:4Al(粉)+3O2(空气)点燃2Al2O3。此反应说明了铝的状态(片状与粉末)不同,在空气中反应时表现出的现象不同。其原因是:在相同条件下,同质量铝粉的反应表面积是铝片的数十万倍,由于铝粉表面积大,其性质变活泼,反应速率加快,反应过程剧烈。 4铝汞齐在空气中可持续氧化 用砂纸擦去铝片表面氧化膜(或将铝片置于强碱溶液中至表面产生大量气泡后取出,立即用大量蒸馏水冲洗后)置于汞盐Hg(NO3)2溶液中,反应一会儿后取出,用滤纸吸去其表面水沫,置换出来的汞在铝片表面形成铝汞齐(合金),铝汞齐与空气接触,铝片表面长出大量蓬松的氧化铝1(图2)。程中形成了微小的孔道,氧气分子随之进入并与孔道创面上的铝迅速反应,生成的氧化铝体积膨胀,向孔道外延伸,长出“白毛”。 5铝在加热条件下可夺取某些氧化物中的氧铝的亲氧性很强,这是因其Al2O3的生成焓很高fH298(Al2O3)=-1676kJ/mol,比一般金属氧化物(Fe2O3、Cr2O3等)及SiO2、B2O3等物质的生成焓大得多fH298(Cr2O3)=-1140kJ/mol、fH298(Fe2O3)=-824kJ?mol、fH298(SiO2)=-911kJ/mol,铝不仅可以夺取这些化合物中的氧,且反应时还放出大量的热,故反应只需引燃不必给反应体系供热。如铝粉与Fe2O3粉末混合,用镁带引燃,即可发生剧烈反应2Al(s)+3/2O2(g)点燃2Al2O3(s);fH298=-1676kJ/mol,放出的热使体系温度高达3273K以上,可使生成的铁熔化1,是此该反应可用于钢材类金属的焊接(曾用于铁轨的焊接)。利用铝的亲氧性,工业上用铝来冶炼高熔点金属,如:Cr2O3+2Al点燃2Cr+Al2O3;或用铝作为炼钢时的脱氧剂,如:2Al+3FeO高温Al2O3+3Fe;4Al+3SiO2高温2Al2O3+3Si。 6铝粉的爆炸反应涉及铝粉的爆炸事故时有发生,引起爆炸的直接原因多为明火,也有自燃的,从具体爆炸事故的化学原理上看可分为3类: 6.1空气中铝粉达到爆炸极限时遇明火点燃爆炸铝粉在空气中的爆炸极限为25g/m3(爆炸最强点为396g/m3),空气中铝粉浓度达到爆炸极限时,遇到明火立即爆炸。这种爆炸的破坏性极大,因人们没有防护,且建筑物同时倒塌,造成巨大的人员伤亡及财产损失。2009年3月11日,承建沪宁城际铁路的某公司,在江苏丹阳市吕城镇惠济村为劳务人员租用一栋民房,房内还剩有部分袋装铝粉和铁红,地面和墙壁上撒落有大量铝粉和铁红(铝粉和铁红是用来焊接金属的)。午后准备入住的劳务人员清扫房屋,清扫过程中由于搬动粉袋以及打扫地面和墙壁上残留的铝粉和铁红,致使大量粉尘漂浮于空气中,其间有人点火抽烟,引爆了空气中铝粉,由于有铁红氧化剂的存在,爆炸更加剧烈,顷刻房屋坍塌,造成了11人死亡,20人受伤的特大爆炸事故2。 6.2铝粉引燃后用水灭火引起爆炸2010年12月17日,扬州江都发生一起由铝粉燃烧引起的爆炸事故。起因是:电焊工在给仓库窗户加固钢筋时,电焊火花溅落在仓库里堆放的铝粉袋上引起了铝粉的燃烧,火势逐渐蔓延,越来越大,现场人员不假思索地打来水灭火,当水泼在燃烧的铝粉上时,瞬间火花四溅,引起爆炸,随着水的泼入,连环爆炸一浪高过一浪,爆炸产生的气浪把灭火人员推倒,并没入火海之中,企业老板、亿万富翁也葬身于火海。本来是一场小火,由于无知(用水灭火)酿成重大火灾2。铝粉燃烧时为什么不能泼水灭火呢?原因有2个:当水泼在铝粉上时,水变成一个个小水珠,铝粉聚集其表面,或者溅起,或者四溢,加快了铝粉的散落,增大了铝粉燃烧的表面积,使火势迅速蔓延加大。可燃性粉状物质失火不同于木材等块状被燃物,向块状被燃物表面泼水,水落在被燃物上,其表面高温使水气化形成高密度水蒸气可阻止空气(氧气)与之接触,使被燃物窒熄;同时水在气化过程中吸热可降低被燃物的温度,直至着火点以下使之熄灭。在高温下铝粉与水蒸汽反应产生氢气:2Al+3H2O(g)高温Al2O3+3H2,氢气生成后被引燃爆炸,加剧了铝粉的扩散,致使火势迅速蔓延和引发连环爆炸。因此,铝粉着火切忌用常规方法灭火,既不能用水灭火,也不能用干冰灭火器、泡沫灭火器、有压力的干粉等灭火器来灭火。否则产生的气流吹动铝粉加剧其扩散,引起更剧烈的爆炸反应,造成更大的危害。铝粉(或其它可燃性粉状物)着火后只可用干石灰石粉或无压力的干粉灭火器来灭火2。 6.3铝粉存放在潮湿环境可能爆炸擦去表面氧化膜的铝片置于水中看不到有明显的置换反应现象,用铝锭加工成形的铝制品在空气中表面虽然迅速被氧化,但不会出现安全性问题,由此说明块状(或片状)铝的存放对环境没有特殊要求。然而,铝粉的性质则不同,因其表面积大,性质变得活泼,着火点降低,通常情况下铝粉在潮湿的空气里可与水蒸气发生置换反应。因此,铝粉不能存放在潮湿不通风的环境中,否则大量水蒸气与铝粉反应产生氢气并放热,当铝粉与水蒸气反应积热不散时,温度升高到铝粉着火点,铝粉自燃并引爆氢气(爆炸极限4%74