подводные камни. Взгляд глазами химика / Хабр
Написать эту статью меня сподвиг пост NotSlow Не так страшен жидкий металл. Там все просто: подстраховался от замыкания, нанес тонким слоем, прикрутил и радуйся низким температурам. Но так ли все хорошо на самом деле?
Для начала нужно выяснить, что это за жидкий металл такой. Среди чистых металлов единственный, который может быть жидким при комнатной температуре — это ртуть. В здравом уме никто сейчас не станет применять ртуть в качестве термоинтерфейса из-за ее крайней токсичности и испаряемости. Два других становятся жидкими уже при температуре человеческого тела — это цезий и галлий. Цезий — это «фтор наоборот» по своей химической активности, он возгорается и взрывается от малейших следов воздуха и влаги и даже разрушает стекло. Остается галлий (на КПДВ именно он). При комнатной температуре галлий все же твердый, однако с некоторыми другими легкоплавкими металлами он образует эвтектики, плавящиеся при 20,5°С (галлий-олово) и даже 15,3 °С (галлий-индий).
Исходя из этого, ясны и подводные камни. Первый из них — это абсолютная несовместимость галлийсодержащих сплавов с алюминием!
Во времена, когда уроки химии в школе непременно сопровождались демонстрацией опытов, был среди них и опыт по амальгамированию алюминия. Алюминий покрывали слоем ртути и он тотчас начинал бурно окисляться, рассыпаясь прямо на глазах. Ртуть защищала алюминий от образования оксидного слоя и он образовывался уже на поверхности амальгамы, но не был способен остановить окисление, так как на поверхности жидкости он не удерживался сплошным слоем, растрескивался, и в трещинах открывалась свежая, неокисленная поверхность амальгамы.
Ровно так же действует и галлиевый сплав с той только разницей, что он способен буквально пропитывать алюминий насквозь, проникая в межкристаллитные промежутки.
Так что ЖМ следует держать от алюминия подальше. И это касается не только алюминиевых радиаторов: случайная капелька «жидкого металла» может уничтожить и корпус ноутбука, если тот из алюминиевого сплава, и любую другую алюминиевую деталь. Хотя бы корпус какого-нибудь конденсатора. Причем капелька эта является классическим катализатором — делает свое черное дело, не расходуясь сама.
Но и медь к галлию небезразлична. На рисунке выше я привел T-x диаграмму системы медь-галлий (из справочника «Диаграммы состояния двойных металлических систем» под ред. Лякишева), на которой видно бесчисленное множество интерметаллических соединений. Как только галлий вступит в контакт с медью, они тут же начинают образовываться. Жидкий галлий (к его сплавам это тоже относится) вообще очень охотно смачивает и металлы, и неметаллы, а явное химическое сродство этому крайне способствует. Так что «жидкий металл» будет просто впитываться в медь, образуя на границе между металлами корку интерметаллидов.
Кстати, впитываемость галлия и его сплавов в металлы еще касается паяных соединений — помните про ту маленькую капельку, которая может разрушить алюминиевый корпус? Так вот, такая же капелька, попавшая на припой, сделает и его хрупкой, а пайку ненадежной. В какой-то момент это «сработает». Поэтому лично я бы держал «жидкий металл» как можно дальше от любой электроники.
И последнее, о чем следовало бы написать: «жидкий металл», увы, небезвреден. Галлий по некоторым данным сравним по токсичности с мышьяком, второй его компонент, индий — также является токсичным тяжелым металлом. В отличие от ртути сплавы на основе галлия все же абсолютно нелетучи при обычной температуре, так что отравиться их парами не получится, однако из-за своей способности легко прилипать ко всему на свете эти сплавы невероятно мазучие. Испачкать ими, к примеру, руки — легче легкого, а отмыть их до конца очень сложно. Потом это все попадет в рот. Поэтому — работаем с «жидким металлом» и всем, что с ним контактировало
Ртуть и алюминий — aluminium-guide.com
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?
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:
- http://io9.com
- Corrosion of Aluminium / Christian Vargel – ELSEVIER, 2004.
- https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/the-real-reactivity-of-aluminium/2020076.article
Ртуть и Алюминий – YouTube
органическая химия — В чем разница между алюминиево-ртутным сплавом и алюминиево-галлиевым сплавом?
спросил
Изменено 4 года, 10 месяцев назад
Просмотрено 4к раз
$\begingroup$
Алюминиево-ртутный сплав используется в качестве химического реагента для восстановления соединений, например, для восстановления иминов до аминов, в этом случае ртуть разрушает слой оксида алюминия, который защищает алюминий от реакции с водой.
Сплав алюминия и галлия, который, как и указанный выше сплав, делает алюминий более реакционноспособным, предотвращая образование оксидного слоя.
В обоих случаях ртуть и галлий играют одну и ту же роль разрушения оксидного слоя на алюминии, реагируя с водой, но почему алюминиевый сплав галлия не может восстанавливать имины до аминов, как ртутный алюминиевый сплав?
- органическая химия
- редокс
- сплав
$\endgroup$
3
$\begingroup$
Различия в реактивности можно объяснить следующим образом. Галлий имеет более высокую энергию ионизации по сравнению с ртутью. Во время окислительно-восстановительной реакции металл окисляется и теряет электрон, поэтому важно, насколько «легко» металлу потерять свой электрон. Поскольку галлий труднее инонировать, чем ртуть, это означает, что ртути «легче» потерять свой электрон по сравнению с галлием, что делает ртуть более сильным восстановителем.
Возможно, я вернусь позже и добавлю некоторую количественную информацию, но сейчас я пойду поем. Я думаю, было бы разумно посмотреть в таблицу стандартных восстановительных потенциалов.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Я не могу придумать ни одной причины, почему это невозможно. Ртуть и галлий оба должны быть приемлемыми посредниками для переноса электрона. Фактически, элементарный галлий даже может быть предпочтительнее, чем соли галлия, в отличие от ртути, где можно использовать только соли ртути (может быть, из-за того, что ртуть имеет такую низкую температуру плавления?). Элементарный галлий на самом деле может иметь дополнительное преимущество, заключающееся в идеальной температуре плавления для переноса электронов.
На самом деле было бы довольно иронично, если бы все эти химики брали элементарную ртуть и делали из нее соли только для того, чтобы придать ей свойства элементарного галлия!
И я даже не говорю о токсикологическом превосходстве галлия!
$\endgroup$
1
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почтаТребуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.Ртуть и алюминий — aluminium-guide.com
Есть много причин, по которым не нужно иметь дело с ртутью ни при каких обстоятельствах. Мало того, что он токсичен и может привести к эмоциональным и психическим расстройствам человека, так он еще может привести к разрушению алюминиевой конструкции самолета и к авиакатастрофе! Как это может быть?
глинозем и железная ржавчина
Алюминий сегодня используется везде: от пивных банок до самолетов. Дело в том, что алюминий является хорошим выбором среди других материалов для многих ситуаций. Он легкий, твердый и имеет покрытие, по сравнению с которым только алмаз может быть таким твердым. Железо — точнее сталь — обладает большой прочностью и при этом не взаимозаменяемо, например, конструкционно. Однако если каждый день делать из него железно-стальную муху в море, она быстро заржавеет. Когда железо ржавеет, оно соединяется с кислородом. Таким образом железо превращается в легкие, красные хлопья, которые легко счищаются с поверхности железа. В отличие от алюминия железо при реакции с кислородом образует глинозем — невероятно твердый, который очень трудно поцарапать.
Такая разительная разница в поведении железа и алюминия при взаимодействии с кислородом только подтверждает эту мысль, что «химия — это магия». Оксид алюминия не отслаивается от алюминия, как ржавчина от железа. и наоборот, пленка оксида алюминия инкапсулирует оставшийся алюминий и дополнительно предотвращает его «ржавление». Это то, что нужно алюминиевой конструкции, которая летает в воздухе и, часто, над морями-океанами.
Mercury и свежий алюминий
Mercury ломает все это великое алюминиевое совершенство. Или, по крайней мере, может сломаться, если упасть на алюминиевую часть со свежей царапиной. Если это происходит, ртуть активно соединяется с алюминием, вытягивая его из алюминиевой конструкции. Конечно, когда амальгама алюминия и ртути падает на воздух, алюминий затем соединяется с кислородом, образуя такой же суперсплав глинозема. Просто все это находится не на своем месте в виде растущих перьев и столбов, этого подъема жидкой ртути.
Этот выход глинозема из первичных ртутных царапин дает возможность пробивать алюминий до тех пор, пока вся ртуть не испарится в воздух. Поэтому даже небольшое количество ртути может вызвать большие разрушения.
Как ртуть ест алюминий
Ну не совсем! Что ртуть действительно делает, так это проникает сквозь защитный оксидный слой алюминия, что позволяет окислять алюминий с очень высокой скоростью. Ртуть позволяет алюминиевым поверхностям находиться в постоянном контакте с воздухом и обеспечивает непрерывный процесс формирования глинозема. Выглядит это так, как будто действительно ест ртутный алюминий.
Конечно, в обычных условиях этого не происходит, т.к. на открытой поверхности алюминия моментально образуется пленка оксида алюминия, предохраняющая алюминий от дальнейшего окисления. Ртуть препятствует образованию оксидной пленки и дает эту жуткую картину поедания ртутью алюминия, которая показана здесь.
Механизм реакции
Механизм реакции алюминия с ртутью очень сложен. Происходит самопроизвольная реакция между ртутной пленкой, алюминием, влагой и кислородом воздуха (рисунок). Хотя ртуть не растворяется в алюминии, алюминий слабо растворяется в ртути (0,002 % при комнатной температуре). Когда ртуть смачивает алюминиевую поверхность, она поддерживает поверхность в активированном состоянии, поэтому на ней не может образовываться оксидный слой. Алюминий растворяется в ртути и окисляется при контакте с воздухом [2].
При этой реакции не происходит потребления ртути, поэтому однажды начавшись, она, в принципе, уже никогда не остановится [2].
Рисунок – Влияние ртути на алюминий [2]
Химическое взаимодействие алюминия и ртути
Если нет слоя оксида алюминия, то ртуть образует с ним амальгаму – сплав алюминия с ртутью. Свежая амальгама алюминия на поверхности бурно реагирует с влагой воздуха — реагирует очень активно, особенно в дни с повышенной влажностью [3]:
Al (т) + 3H 2 O (г) => Al(OH 3 ) (т) + 3 / 2 H 2 (d)
H 90182 kJ = -90182 kJ / моль.
В результате этой реакции алюминия с водой образуется гидроксид алюминия, который растет в виде перьев. До тех пор, пока весь алюминий или вся ртуть в амальгаме не выйдут из продуктов реакции.
Как и большинство самопроизвольных процессов, образование гидроксида алюминия является экзотермической реакцией, и температура повышается до . Температура быстро достигает максимума, и тогда реакция также может занять несколько часов.
Ртуть на алюминии — оружие диверсии
Говорят, что во время Великой Отечественной войны диверсанты пытались повредить вражеские самолеты, обмазывая их ртутью. Более достоверными выглядят рассказы о том, как кто-то разбивает ртутный градусник о что-то алюминиевое, например, об алюминиевую скамейку в парке. На следующий день, говорят, можно было увидеть огромные дыры, ртуть, выедавшая эту скамейку.
Да и вообще, например, на American Airlines запрещено перевозить более одного бытового ртутного термометра, а другие приборы с ртутью перевозятся с особой осторожностью.