Experiments with aluminium beverage cans. Эксперименты с алюминиевыми пивными банками

Metallic aluminium and potassium hydroxide - pt.1 / Металлический алюминий и гидроксид калия

The beverage cans are made of aluminium, which contain some per cent another elements, or made of steel. Aluminium reacts with alkali very actively. The reaction of potassium hydroxide solution and an aluminium can is shown.

Одна из "визитных карточек" XX века - металлические пивные банки. Не утратили они популярности и в наше время, скорее - наоборот. Как известно, металлические банки для пива (и других напитков) изготавливают из алюминия или из стали. Сосредоточимся на алюминиевых банках. В сети есть много интересных видео химических экспериментов с алюминиевыми банками, в частности, - действие на них соляной кислоты и едкого натра. Посмотрел состав материала пивных банок - преимущественно алюминий с набольшими примесями (магний, марганец, железо, кремний, медь), например, такой состав:

"The aluminum base, for beverage cans consists mostly of aluminum, but it contains small amounts of other metals as well. These are typically 1% magnesium, 1% manganese, 0.4% iron, 0.2% silicon, and 0.15% copper. A large portion of the aluminum used in the beverage can industry is derived from recycled material."
http://www.madehow.com/Volume-2/Aluminum-Beverage-Can.html#ixzz7yyUpEp78

Алюминий активно реагирует с сильными щелочами, в частности - с гидроксидом натрия, поэтому для начала решил проверить действие на алюминиевую банку щелочи. Вспомнил эффектный опыт: в банку засыпают твердый гидроксид натрия, потом добавляют немного воды и оставляют банку на подставке. Вскоре из банки с шипением потек раствор - толи из проеденного дна, толи из стенок. Это не удивительно, поскольку алюминий хорошо растворяется в крепком растворе едкого натра (и других сильных щелочей). Каустической соды (гидроксида натрия) под рукой не оказалось, поэтому взял едкое кали (гидроксид калия) - он стоит дороже, но в остальном замена эквивалентна. Гидроксид калия - еще более сильное основание, чем гидроксид натрия.

Взвесил 20 г едкого кали, засыпал внутрь тщательно вымытой пивной банки. Банку поставил на подставку - стакан, накрытый чашкой Петри, подставку поместил внутрь пластиковой миски, чтобы собрать щелочь, которая потечет, когда раствор разрушит алюминиевое дно (или стенки) банки.

Потом - залил в банку 50 мл воды. Вода и гидроксид калия вступили в контакт со стенками банки. Я ожидал бурной реакции (помня, как алюминий реагирует со щелочью)...

Время шло и... ничего. Никакой реакции на происходило. Как я это узнал, ведь банка непрозрачна? Очень просто: реакция алюминия и водного раствора щелочи сопровождается выделением водорода, а даже слабое выделения газа в колбе, стакане, бутылке, банке и т.п. сопровождается заметным шипением, которое отлично слышно, если приблизить ухо к отверстию. Аналогично - и в пивной банке, но, когда я приблизил ухо к отверстию, - была полная тишина. Т.е., водород не выделялся.

В чем дело - понял сразу, т.к. видел и другие эксперименты, когда после растворения алюминиевой банки оставалась внутренняя защитная полимерная пленка: явно, в моей банке она есть, а в банке, использованной в описанном выше эксперименте, защитной пленки не было.

Вылил раствор едкого кали из банки, перелил его в стакан. Вставляю в этот стакан пивную банку, чтобы щелочь теперь действовала на нее не изнутри, а снаружи. Следующая проблема: банка входит в стакан, но не до конца - низ стакана отказался существенно уже, чем верх (советское качество as is - это была НЕ коническая мензурка, а именно цилиндрический химический стакан), беру другой стакан (из той же партии) - в него банка влезла, но впритык.

Постепенно началась реакция: стал выделяться газ, жидкость приобрела серый цвет. Реакция была на удивление слабой и не ускорялась со временем. Обычно, если алюминий залить едким натром или едким кали (крепкими растворами), то сначала реакция будет умеренной, но потом идет разогрев смеси, и реакция становится очень бурной. Летел едкий аэрозоль, а раствор часто выплескивался из сосуда. В нашем случае такого не наблюдалось. Почему?

Думаю, что причин две, даже - три:

* банка поместилась в стакан, но впритык: почти, как поршень в шприц, поэтому водород, который выделялся, этот поршень периодически приподнимал, сильно уменьшая контакт алюминия со щелочью;

* дно банки - вогнутое, внутри вогнутого дна собирался водород, вытесняя оттуда щелочь, что также ухудшало контакт металла со щелочью, кстати, такой же эффект наблюдается и в гальванике - при нанесении различных покрытий на внутреннюю поверхность изделий вогнутой формы - чтобы там не собирался газ, который устраняет контакт поверхности с электролитом, изделие нужно закреплять отверстием вверх, - тогда газ будет выходить из изделия, на мешая нанесению покрытия;

* поверхность соприкосновения алюминия и щелочи небольшая, а площадь всей банки - намного больше: банка играла роль радиатора, который, отводил тепло и охлаждал реакционную зону, не позволяя ей нагреваться, а нет саморазогрева, - нет и ускорения реакции во времени.

Понял, что мои "декорации" вроде предохранительной миски снизу и подставки под стакан с банкой - дело лишнее, убрал их. Разумеется, проблемы это не решило: банка растворялась насколько медленно, что на дне до сих пор осталась маркировка с датой. Добавил твердой щелочи в стакан - проблему это не решило.

Нужен был более широкий стакан большего объема, коих у меня под рукой не оказалось: в более широком стакане не будет "эффект поршня", а в больший стакан можно налить больше раствора щелочи, что увеличит поверхность соприкосновения, увеличит выделение тепла реакции и нивелирует "эффект радиатора".

Для начала поместил банку в чашку Петри со щелочью (много щелочи в нее не нальешь, но "эффекта поршня" уже не будет). Однако, тут проявилась новая "прелесть" (проблема): водород не просто скапливался под вогнутым дном банки, но периодически ее приподнимал, угрожая опрокинуть, пришлось поместить в банку стеклянные палочки для увеличения веса.

Реакция ускорилась, но все равно ждать растворения банки пришлось бы очень долго (прошло больше часа, а со дна только что растворилась маркировка с датой). Плюс брызги щелочи летели во все стороны, т.к. их не задерживали низкие стенки чашки Петри. Раствор к этому времени стал темно-серым (думаю, за счет твердых примесей в алюминии, которые не растворяются в щелочи).

Пришлось сделать то, что я очень НЕ хотел: взять полулитровую продуктовую банку из стекла. Что в этом плохого: стенки таких банок имеют много дефектов (в частности, - наплывов), которые будут искажать картинку на видео.

С трудом нашел банку, оказалась грязной (жир и варенье). Как быстро ее вымыть? Теплый, крепкий раствор едкого кали творит чудеса - скоро банка была, как новая (даже раствор готовить специально не пришлось - взял часть реакционной смеси).

Насыпал в банку дополнительной щелочи, позже долил еще воды и добавил еще щелочи. Только после этого реакция достигла приемлемой скорости. Выделение водорода стало интенсивным, раствор к этому времени стал черным.

Наконец, приподняв (в очередной раз) банку, я заметил, что дно частично разрушилось по ободку - в этих местах выступила полимерная пленка, которая была под алюминием. Еще позже дно вообще отвалилось, стало заметно, что стенки банки изнутри покрыты полимерной пленкой, которая плотно пристала к металлу и отслоилась только с самого края (со стороны отделившегося дна) - для наглядности разрезал банку вдоль оси. По центру дна остался не растворившийся алюминиевый кружок.

В заключение отмечу одну неприятную особенность описанного эксперимента. Во время реакции алюминия с едким кали мелкодисперсный аэрозоль щелочи особо не летел - если ничего не трогать. Но, чтобы контролировать состояние банки, ее, разумеется, периодически приходилось вынимать из раствора. В этот момент остатки раствора щелочи на поверхности алюминия давали опасный мелкий аэрозоль - очень неприятный при вдыхании. Он был четко виден глазом - как "белый дымок". По-видимому, небольшая порция раствора щелочи, которая оставалась на поверхности металла и продолжала реагировать, сильно нагревалась.