Конспект по химии коррозия металлов
Обновлено: 21.09.2024
Обеспечить в ходе урока усвоение учащимися знаний о коррозии металлов и способах борьбы с ней.
Коррозия металлов, химическая и электрохимическая коррозия, способы борьбы с коррозией
Окисление и восстановление, окислитель и восстановитель, окислительно-восстановительные реакции, электрохимический ряд напряжений металлов, сплавы
Умение составлять окислительно-восстановительные реакции, умение характеризовать физические свойства металлов, химические свойства металлов как восстановителей, а также в свете их положения в электрохимическом ряду напряжений металлов давать определение понятию «сплавы»
знать определения понятий: коррозия металлов, химическая и электрохимическая коррозия, способы борьбы с коррозией; уметь составлять окислительно-восстановительные реакции, характеризовать физические свойства металлов, химические свойства металлов как восстановителей
развивать познавательный интерес к урокам химии, используя компьютерные технологии ; учиться делать выводы, обобщать, высказывать свои мысли; стимулировать ребят к поиску различных способов решения задач; осуществлять самооценку и взаимооценку
учиться работать в команде; развивать интерес к предмету; учиться быть толерантным, оказывать взаимопомощь; воспитывать уверенность в своих силах, трудолюбие, активность, внимание
Демонстрационный опыт «Ржавление железа»
Реактивы и оборудование
Железные гвозди, раствор серной кислоты, медная проволока, цинковая пластина, красная кровяная соль, вода, химические стаканы, мультимедийный комплекс
Электронная презентация, электрохимический ряд напряжений металлов, смайлики
1) Балезин С.А., Ратинов В.Б. Опыты по коррозии и защите металлов. //Химия в школе. – 1955. – № 3. – С. 33-42.
2) Войтович В.А., Мокеева Л.Н. Биологическая коррозия. – М.: Знание, 1980. – 64 с.
3) И.Нугуманов, Р.Жумадилова, Ж.Кембебаева. Химия. 9 класс: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. - Алматы, «Мектеп», 2013.
4) Озеряная И.Н., Темников Ю.И. Коррозия – враг и руг. – Свердловск.: Средне-Уральское кн. издательство, 1980. – 96 с.
6) Химический энциклопедический словарь. /Гл. ред. И.Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1983. – 786 с.
1. Организационный момент
Добрый день! Садитесь, пожалуйста! Все ли готовы к уроку? Давайте приступим к работе.
2. Актуализация опорных знаний
Ребята, прежде чем приступить к изучению новой темы, вспомните, пожалуйста, что такое …
Что такое окисление? (процесс отдачи электронов, сопровождающийся повышением степени окисления элемента)
Что такое восстановление? (процесс принятия электронов, сопровождающийся понижением степени окисления элемента)
Что такое окислительно-восстановительные реакции? (химические реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов химических элементов, входящих в состав реагирующих веществ)
Какими свойствами обладают металлы? (металлы-восстановители)
Что такое сплавы? (это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один - металл).
Организует беседу с учащимися (см. содержание)
Отвечают на вопросы учителя (см. содержание)
Приступим к изучению новой темы.
Вы вернулись из отпуска. Как хорошо после длительного путешествия принять душ! Открыли кран с водой. Рыжеватая вола лениво потекла из душа, потом она чуть посветлела, но струйка стала слабее. Вы бежите к соседям. У них почти такая же картина: вода еле-еле идёт. Вы хватаетесь за телефон и звоните на станцию. А вам отвечают, что давление воды в системе выше нормального. И даже по телефону слышно, как натужно гудят моторы насосов.
Хорош новенький автомобиль. Но вот после выездов зимой, едва на улицы начнёт падать с крыши весенняя капель, владелец машины обнаруживает на крыльях, днище какие-то пятна. Они медленно, но неумолимо растут, захватывая всё новые и новые пространства. И вот машину уже надо ставить в профилактический осмотр и заново красить кузов…
Вдоль просек шагают низенькие бетонные столбики. На них подвешены два провода. И если идти вдоль такой необычно широкой просеки, то часто встретишь табличку: «Не копать! Магистральный нефтепровод!». Не копать, чтобы не нарушить трубопровод, по которому под большим давлением перекачивается на огромные расстояния нефть. Но что это?! Прямо из-под земли бьёт чёрный фонтан, заливая маслянистой тяжёлой жидкостью поля, луга, леса. Срочно останавливаются насосы, начинают заполняться ёмкости на нефтехранилищах. А где-то могут остановиться химические предприятия, сорвётся выпуск пластмасс и каучука, удобрений и лекарств…
Почему так плохо порой идёт в наши квартиры вода? Почему автомобиль надо ставить на профилактику? Почему прорвало нефтепровод? Что общего во всех этих случая?
Их объединяет одно явление, один и тот же враг приносит бедствия и зовут его коррозия. Коррозия ежегодно наносит огромный ущерб мировому хозяйству (1/3 производимого металла).
Что же такое коррозия?
Какие факторы влияют на коррозию металлов?
Какие существуют способы борьбы с ней?
На этот и другие вопросы мы сможем ответить, изучив новый материал и проведя химический эксперимент. Кроме того, мы сможем раскрыть тайну «Делийской колонны». Вблизи города Дели в Индии находится железная колонна с очень маленькими пятнышками ржавчины, хотя её возраст почти 3тысячи лет. Это знаменитая Кутубская колонна высотой около 7 м и массой 6,5т. В чём же причина такой долговечности, это мы как раз попытаемся выяснить.
Итак, откройте тетради и запишите тему урока «Коррозия металлов и способы борьбы с ней»
Вместе с учащимися формулирует тему урока, цель урока, мотивирует учащихся
Задаёт учащимся вопросы
Формулируют тему, цель урока, записывают в тетради число и тему урока, слушают мотивацию
Пытаются найти ответы на вопросы учителя
4.Восприятие и первичное осознание нового материала
Нам предстоит рассмотреть такие вопросы, как
1. Понятие коррозии, её виды.
2. Способы защиты от коррозии
3. Влияние коррозии на процессы жизнедеятельности
I . Понятие коррозии металлов и её виды
«Ржа ест железо» – гласит русская народная поговорка. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Итак, что же такое коррозия металлов? Коррозия металлов (лат. « corrodere » - разъедать) – это физико-химическое взаимодействие металла со средой, ведущее к разрушению металла (окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и изделий из них под воздействием окружающей среды).
Коррозию можно классифицировать:
Химическая коррозия металлов — это разрушение металлов в результате их химического взаимодействия с веществами окружающей среды.
Наиболее распространенным видом химической коррозии является газовая коррозия, проистекающая в сухих газах при полном отсутствии влаги. Газообразное вещество окружающей среды реагирует с металлом на поверхности металлического изделия и образует с ним соединения (Пр. двигатели внутреннего сгорания).
Электрохимическая коррозия — это разрушение металлов в электролитах, которое сопровождается возникновением электрического тока. Это такая коррозия, в результате которой наряду с химическими процессами (отдача электронов атомами коррозируемого металла — процесс окисления) протекают электрические (перенос электронов от одного участка изделия к другому).
Ребята, давайте рассмотрим сущность коррозии. Проведём следующий эксперимент.
В стакане №1: вода + ж.гвоздь
В стакане №2: вода + к-та + ж.гвоздь
В стакане №3: вода + к-та + ж.гвоздь, обвитый медной проволокой
В стакане №4: вода + к-та + ж.гвоздь + цинковая пластинка
Что же мы наблюдаем? В 1, 2, 3 стаканах произошло разрушение гвоздя – он заржавел (в 1 – меньше всего, в 3 – больше всего). В 4 стакане ржавчины нет. Что же происходит с железом в 1, 2, 3 стаканах? Железо окисляется, при этом выступает в роли восстановителя:
Как вы думаете, что же в этом процессе выступает в качестве окислителя? (кислород, вода, катионы водорода).
O 2 + 2 H 2 O + 4ē = 4 OH -
Почему же всё-таки в 4 стакане нет ржавчины? Если два различных металла, находящихся в контакте между собой, опустить в раствор электролита, то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений левее, будет разрушаться, предохраняя тем самым менее активный металл от коррозии. Например, при контакте железа с медью в растворе электролита железо, как более активный металл, будет постепенно растворяться, переходя в раствор в виде ионов железа. При этом электроны, высвободившиеся из атомов железа, перейдут к меди и на её поверхности соединятся с ионами водорода, находящимися в водной среде. Катодом является медь, анодом – железо. В случае пары железо-цинк мы наблюдаем обратную картину: разрушается цинк, как более активный металл.
Мы можем доказать, что в растворе присутствуют ионы Fe 2+ . Для этого прильём к растворам в стаканах раствор красной кровяной соли. Это, всем известная, качественная реакция на ион Fe 2+ . В случае присутствия последнего наблюдается синее окрашивание. Таким образом, мы убедились, что в стакане №3 ионы Fe 2+ присутствуют.
2[ Fe ( CN )6] 3- + 3 Fe 2+ = Fe 3 [ Fe ( CN )6]2 ↓ темно-синий (турнбулева синь)
Если сравнивать результаты опытов 1, 2, 3, то можно сделать вывод о том, что металл корродирует меньше если он находится в менее агрессивной среде, а также не находится в паре с менее активным металлом. Кроме того, химически чистый металл практически не подвергается коррозии. На основании полученных данных, давайте попробуем разгадать тайну «Делийской колонны». (Железо находится в благоприятных условиях, железо не содержит примесей (железа в колонне оказалось 99,72% ))
II . Способы защиты от коррозии
1 . легирование металлов, получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной
2. нанесение на поверхность металлов защитных пленок : лака, краски, эмали, других металлов.
Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а из второго изготавливают консервные банки.
Неметаллические покрытия (краски, эмали, лаки) дешевые, но обычно недолговечные. Раз в два года, а иногда и чаще их требуется обновлять. Так, например, красят Эйфелеву башню в Париже.
3. введение ингибиторов (замедлителей коррозии)
Ингибиторы коррозии вводят в замкнутые системы охлаждения, в нефтепродукты и даже впрыскивают в газопроводы для снижения коррозии труб изнутри.
4. протекторный метод защиты от коррозии
Цинк электрохимически защищает железо от коррозии. На этом принципе основан протекторный метод защиты от коррозии металлических конструкций и аппаратов. Английское слово «протект» – означает защищать, предохранять.
5. Нанотехноло́гия. Самовосстанавливающийся газопровод Электрохимическая защита способствует снижению износа стальных газопроводов от коррозии. Нанометалл способен самовосстанавливаться, кородирующее место постоянно пополняется металлом газопровода, который равномерно изымается со всей протяжённости трубы.
Shewanella oneidensis — грамотрицательная , факультативно анаэробная бактерия рода Shewanella , обитающая предпочтительно на дне моря в анаэробных условиях, осадочных отложениях, также может быть найдена в почве. Способна восстанавливать соединения металлов . Ведутся работы по использованию Shewanella oneidensis в биозащите металлических поверхностей от коррозии . Видовое название бактерия получила в честь озера Онейда в штате Нью-Йорк , США ( англ. Oneida lake), в котором микроорганизм был впервые выделен.
III . Влияние коррозии на организм человека и роль коррозии в жизни человеческого общества
Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Коррозия приводит к уменьшению надежности работы оборудования: аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ. Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции. Коррозия также приводит к загрязнению продукции, а значит, и к снижению ее качества. Один из американских миллионеров, не жалея денег, решил построить самую шикарную яхту. Ее днище было обшито дорогим металлом (сплав 70% никеля и 30% меди), а киль, форштевень и раму руля изготовили из стали. В морской воде в подводной части яхты образовался гальванический элемент с катодом из металла, а анодом из стали. Он настолько энергично работал, что яхта еще до завершения отделочных работ вышла из строя, ни разу не побывав в море. Иногда зубные коронки, изготовленные из различных металлов (золота и стали) и близко расположенные друг к другу, доставляют их носителям неприятнейшие болевые ощущения. Поскольку слюна является электролитом, эти коронки образуют гальванический элемент. Электрический ток протекает по десне и вызывает зубную боль.
Способность металлов пассивироваться широко используют для их защиты от коррозии. Например, известно, что хранение лезвий безопасных бритв в растворах солей хромовых кислот позволяет дольше сохранять их острыми. Так как под действием влажного воздуха железо, особенно на острие лезвия, окисляется и покрывается рыхлым слоем ржавчины.
Чтобы предотвратить глобальные катастрофы на судах, фабриках и заводах, нужно упорно изучать методы защиты от этой проблемы. И в то же время необходимо найти применение коррозии металлов. Одним из направлений может быть ее применение для разрушения конструкций в труднодоступных местах. Изучая коррозию более подробно, мы видим, что она оказывает как отрицательные, так и положительные влияние. Разрушение металлов и сплавов можно применить как один из способов борьбы с космическим мусором. Если бы железо, подобно серебру и золоту, не ржавело, то мы не существовали бы, и ни одно растение не зеленело бы на Земле. Растворённая в воде его ржавчина составляет часть пищи растений и придаёт им зеленый цвет. Та же «ржавчина» снабжает железом нашу кровь и придаёт ей красный цвет.
Рассказывает учащимся о коррозии и её видах, сопровождает свой рассказ слайдами электронной презентации
Урок 9. Коррозия металлов и её предупреждение
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению видов коррозии, особенностям химической и электрохимической коррозии, методам защиты металлических изделий от коррозионного разрушения.
Анодное покрытие – способ защиты металлического изделия от коррозии, когда защищаемый металл покрывается металлическим покрытием из более активного металла.
Газовая коррозия – разрушение металла в среде агрессивных газов (кислорода, оксида серы, хлороводорода) обычно при высоких температурах.
Гальванокоррозия – вид электрохимической коррозии, при которой два контактирующих металла в среде электролита образуют коррозионный гальванический элемент с возникновением электрического тока между металлами.
Жидкостная коррозия – разрушение металла в жидкостях, не проводящих электрический ток (органические растворители, нефтепродукты).
Ингибиторы – вещества, вводимые в коррозионную среду, в результате чего снижается её окисляющая способность.
Катодная защита – способ защиты металла от коррозии, когда защищаемое металлическое изделие подсоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока.
Катодное покрытие – способ защиты металла от коррозии, когда металлическое изделие покрывается тонким слоем из менее активного металла.
Коррозия – разрушение металла в результате окислительно-восстановительных реакций между металлом и окружающей средой
Осушение – удаление из окружающей среды влаги для предотвращения возникновения коррозии.
Протекторная защита – способ защиты металла от коррозии, когда к защищаемому металлическому изделию присоединяют кусок другого, более активного металла.
Химическая коррозия – разрушение металла в среде, не проводящей электрический ток.
Электрокоррозия – вид электрохимической коррозии, возникающей в среде электролита под действием внешнего электрического поля.
Электрохимическая коррозия – разрушение металла в среде электролита при контакте двух металлов с образованием коррозионного элемента и возникновением электрического тока.
Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.
Дополнительная литература:
1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.
2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.
Открытые электронные ресурсы:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
Коррозия и её виды
Коррозия металлов – процесс разрушения металлического изделия в результате окислительно-восстановительной реакции металла с окружающей средой. В зависимости от механизма различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия происходит в среде, не проводящей электрический ток. К этому виду коррозии относится газовая коррозия, в результате которой металл разрушается под действием агрессивных газов: кислорода, оксида серы, хлороводорода. Газовая коррозия обычно происходит при высоких температурах. Другой вид химической коррозии – жидкостная коррозия, которая возникает в агрессивных жидкостях, не проводящих электрический ток, например, в органических растворителях или нефтепродуктах.
Электрохимическая коррозия происходит в среде электролитов, которые хорошо проводят электрический ток. Различают два вида электрохимической коррозии: гальванокоррозия и электрокоррозия. Гальванокоррозия возникает в месте контакта двух металлов, наличия в металле примесей, разной температуры на соседних участках металлов, разной концентрации электролитов в среде, контактирующей с металлом и в случае разной концентрации кислорода на соседних участках металла. Например, в чугуне примеси углерода и карбида железа играют роль катода, на котором происходит восстановление молекулярного кислорода в присутствии паров воды: 2Н2О + О2 + 4е → 4ОН-, а железо становится анодом и окисляется.
Fe 0 – 2e → Fe 2+ . В результате среда становится щелочной, образуется сначала «белая» ржавчина Fe(ОН)2: Fe 2+ + 2OH - → Fe(ОН)2↓, которая окисляется кислородом воздуха во влажной среде до трёхвалентного гидроксида железа.
4Fe(ОН)2↓ + 2Н2О + О2 → 4Fe(ОН)3↓, Fe(OH)3 + nH2O → Fe2O3·xH2O (ржавчина).
Если в атмосфере присутствует большое количество кислых газов (СО2, SO2, NO2), то при растворении их в воде образуются кислоты. В кислой среде коррозия идет ещё интенсивнее. В присутствии кислорода на катоде образуется вода, а в бескислородной среде выделяется водород.
На аноде: Fe0 – 2е → Fe2+;
На катоде: О2 + 4Н+ + 4е → 2Н2О
или в бескислородной среде: 2Н+ + 2е → Н20↑.
Ионы железа образуют соли с кислотными остатками образовавшихся при растворении газов кислот. В дальнейшем под действием кислорода воздуха, соли двухвалентного железа окисляются до солей трёхвалентного железа.
Электрокоррозия возникает под действием на металл электрического тока от внешнего источника постоянного тока. Часто она происходит под действием блуждающих токов от рельсов электротранспорта, от плохо изолированных опор линий электропередач. Участок, на который попадает ток от внешнего источника, заряжается отрицательно и становится катодом. На нём происходит восстановление элементов среды. А соседний участок становится анодом, на нём металл окисляется.
Факторы, увеличивающие скорость коррозии
Возникновение коррозионного гальванического элемента увеличивает скорость коррозии. При контакте двух металлов более активный металл отдает электроны менее активному. Возникает электрический ток. Активный металл растворяется и в результате реакции со средой, и за счет передачи электронов менее активному металлу. Принятые электроны менее активный металл отдает в окружающую среду, таким образом, окисление активного металла и восстановление компонентов окружающей среды происходит быстрее. Скорость коррозии зависит от количества кислорода, который контактирует с металлом. Железный гвоздь, погруженный в воду на половину своей длины, разрушается быстрее всего, так как доступу кислорода ничего не препятствует. Гвоздь, полностью погруженный в воду, разрушается медленнее, так как количество кислорода, участвующего в реакции, ограничивается скоростью растворения кислорода в воде. В пробирке, где сверху воды налили масло, коррозия идет медленнее всего, так как масло препятствует поступлению кислорода в воду.
Методы защиты металлов от коррозии
Одним из распространённых методов защиты металлов от коррозии является нанесение защитных покрытий. Покрытия бывают металлическими и неметаллическими. Если металлическое изделие покрыто слоем более активного металла, покрытие называют анодным. Если покрытие изготовлено из менее активного металла, оно называется катодным. Неметаллические покрытия – это различные эмали, лаки, краски, резиновые, битумные и полимерные покрытия. По отношению к железу анодными покрытиями будут цинковые, хромовые, алюминиевые покрытия. Эти покрытия защищают металл даже в случае появления царапин или трещин. Так как покрытие изготовлено из более активного металла, оно является анодом по отношению к защищаемому металлу и будет разрушаться. Защищаемое металлическое изделие разрушаться не будет. Катодные покрытия обычно делают из малоактивных металлов. Это никель, олово, свинец, медь, серебро, золото. Из-за низкой активности такие металлы слабо подвергаются воздействию коррозии, но в случае нарушения покрытия, возникнет коррозионный элемент, в котором анодом станет защищаемое металлическое изделие. Оно начнет разрушаться. Защитные оксидные покрытия на поверхности металла можно создать путем химической обработки концентрированной азотной кислотой (пассивация алюминия, хрома), концентрированным раствором щелочи и горячего масла (воронение), фосфорной кислотой и её кислыми солями (фосфатирование).
Эффективным, но дорогим методом защиты металлов от коррозии является введение в сплав антикоррозионных легирующих добавок: хрома, никеля, молибдена, титана. Для повышения стойкости к коррозии в кислой среде в сплав добавляют кремний.
К методам электрохимической защиты относятся протекторная и катодная защита. Протекторная защита предусматривает закрепление на защищаемом изделии пластин из активного металла: цинка, алюминия, магния. Попадая в агрессивную среду, протектор становится анодом, начинает разрушаться, а металлическое изделие, являясь катодом, не разрушается до полного разрушения протектора. Катодная защита производится путём подсоединения защищаемого металлического изделия к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного электрического тока. В результате защищаемый металл приобретает отрицательный заряд и становится катодом. В качестве анода используют вспомогательный кусок металла (железный лом, старый рельс), который заземляют.
Важным направлением предотвращения коррозии металлов является снижение агрессивности окружающей среды. Для этого проводят осушение почвы, воздуха. В жидкие среды добавляют ингибиторы – вещества, реагирующие с окислительными компонентами среды и снижающие скорость коррозии. Для борьбы с блуждающими токами проводят надёжную изоляцию токопроводящих конструкций, организацию бесстыкового пути.
Предотвращение потерь металла от коррозии позволит не только сберечь тонны металла, но и предотвратить аварии на производстве и транспорте, сберечь человеческие жизни.
ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ
1. Расчёт массы металла, предохраняемого от разрушения за счёт нанесения защитных покрытий
Условие задачи: В результате атмосферной коррозии толщина стального изделия уменьшается на 0,12 мм/год. Потерю какой массы стального изделия плотностью 7750 кг/м 3 и площадью 10 м 2 можно предотвратить путем нанесения лакокрасочного покрытия, которое сохраняет свои защитные свойства в течение 4 лет? Ответ запишите в виде целого числа в килограммах.
Шаг первый: необходимо перевести скорость коррозии из мм/год в м/год.
Для этого скорость коррозии умножим на 10 -3 :
0,12·10 -3 = 1,2·10 -4 (м/год).
Шаг второй: Найдём объём слоя металла, который может быть разрушен коррозией за 1 год. Для этого толщину слоя разрушенного в течение года металла умножим на площадь стального изделия:
1,2·10 -4 ·10 = 1,2·10 -3 (м 3 /год).
Шаг третий: Найдём массу вычисленного объёма металла.
Для этого объём металла умножим на его плотность:
1,2·10 -3 ·7750 = 9,3 (кг/год).
Шаг четвёртый: Найдём массу металла, которая могла бы разрушиться за 4 года. Для этого массу сохранённого за год металла умножим за 4 года:
9,3·4 = 37,2 (кг). Округляем до целого числа, получаем 37 (кг).
2. Расчёт массы металла, разрушенного в результате коррозии
Условие задачи: Через железную решётку, предохраняющую от попадания в канализацию крупного мусора, проходит 20 м 3 воды в сутки. Содержание кислорода в воде 1 % от объёма воды. Какая масса железа окислится за 6 месяцев использования решётки, если на окисление металла расходуется 60% содержащегося в воде кислорода? Ответ записать в килограммах в виде целого числа.
Шаг первый: найдём объём кислорода, который содержится в 20 м 3 воды.
Для этого разделим 20 м 3 на 100:
20 : 100 = 0,2 (м 3 /сутки) = 200 (л/сутки)
Шаг второй: Найдём объём кислорода, который проходит в воде через решётку в течение 6 месяцев.
Для этого объём кислорода, проходящий через решетку в сутки, умножим на 30 дней и на 6 месяцев:
200·30·6 = 36000 (л).
Шаг третий: Найдём объём кислорода, который расходуется на окисление железа. Для этого умножим найденный объём кислорода на 60 и разделим на 100:
(36000·60) : 100 = 21600 (л).
Шаг четвёртый: Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с кислородом в нейтральной среде:
Шаг пятый: Найдём массу железа, окисленного 21600 л кислорода.
Для этого составим пропорцию с учётом того, что масса 1 моль железа равна 56 г/моль, а 1 моль газа в нормальных условиях занимает 22,4 л.
Конспект по химии по теме "Коррозия металлов"
Металлы и их сплавы разрушаются под воздействием воздуха, воды, различных других веществ.
Разрушение металлов (или их сплавов) под воздействием окружающих условий, при котором они теряют присущие им свойства, называется коррозией. При этом различают два основных типа коррозии; химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия происходит в результате взаимодействия металла с разрушающим его веществом, например с кислородом воздуха, водой, сероводородом, сернистым газом (особенно при высоких температурах).
Так, железо на воздухе ржавеет – покрывается пленкой окислов ( FeO , Fe 2 O 3 или Fe 3 O 4 в зависимости от условий). Еще более энергично происходит окисление железа в присутствии воды:
4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Fe ( OH )3.
С повышением температуры интенсивность химической коррозии возрастает.
Значительный вред различным сооружениям и постройкам наносит коррозия под действием определенных веществ при высоких температурах в технике (в металлургии, сопла ракетных двигателей, в газовых турбинах). Но при этом некоторые металлы, например алюминий при действии на них кислорода или других окислителей (концентрированной азотной кислоты) образуют защитную окисную пленку, которая обеспечивает отсутствие контакта металла с окислителем и предохраняет таким образом металл от дальнейшей коррозии.
Химическая коррозия – это такой коррозионный процесс, при котором рушатся связи металлические, а между атомами веществ материала и окислителей возникает химическая взаимодействие. В такой ситуации не образуется электрический ток между различными областями материала. В свою очередь такой вид разрушения подразделяется еще на два типа:
- Газовый вариант . Получается при воздействии агрессивных азов, а также паров в сочетании с высокими показателями температуры. Если материал относится к активным, то воздействие таких сред может привести к окончательному разрушению материала по всей поверхности. К таким средам относятся: сероводород, диоксид серы, пары воды, кислород. Такой вид разрушительного процесса чаще всего заметен в промышленности и на химическом производстве.
- Жидкостный вариант коррозии . Случается в неэлектролитических веществах (протекает под действием нефти и нефтепродуктов). Если имеется даже небольшое содержание жидкости, то процесс становится электрохимическим.
При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости, с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающего его поверхность . При этом оксидные пленки могут проявлять не проявлять защитные свойства.
Электрохимическая коррозия возникает при контакте двух металлов посредством раствора электролита – в этом случае образуется гальванический элемент, электродами которого являются металлы, находящиеся в растворе электролита. Таким образом, электрохимический вариант коррозионного процесса характеризуется возникновением в системе электрического тока. Причем при возникновении гальванической пары появляется электрический ток тем большей силы, чем дальше стоят друг от друга металлы в ряду напряжений. При этом поток электронов идет от более активного металла к менее активному; более активный металл в этом случае разрушается (корродирует).
Например, при возникновении гальванической пары цинк – медь корродирует цинк, в паре медь – платина корродирует медь, цинк – железо корродирует цинк. Электролитическая коррозия протекает как в присутствии сильных, так и слабых электролитов, однако в присутствии сильных электролитов скорость коррозии выше. Например, корродирующее действие воды как электролита усиливается, если в ней присутствуют газы CO 2 , SO 2 (наличие таких газов особенно велико на промышленных предприятиях, вблизи железных дорог и в иных местах, в которых реализуются работа определенных технологических установок).
При этом типе коррозионного процесса атом удаляется из кристаллической решетки металла вследствие двух связанных между собой процессов – анодного, в ходе которого имеет место переход металла в виде ионов в раствор и катодного, в ходе которого электроны, образовавшиеся при анодном процессе связываются с деполяризатором.
При этом наибольшее значение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией. Процесс коррозии с водородной деполяризацией характеризуется разрядом ионов водорода и реализуется на катоде преимущественно в кислой среде. В свою очередь коррозионный процесс с кислородной деполяризацией протекает при электрохимической коррозии на катоде в нейтральной среде и характеризуется восстановлением растворенного в ней кислорода.
В зависимости от отношения к электрохимической коррозии, на основе значений стандартных электродных потенциалов, различные металлы условно можно разделить на несколько основных групп.
Первая группа – активные металлы, характеризующиеся значительной термодинамической стабильностью. К ней можно отнести все металлы, входящие в интервал от щелочных металлов до кадмия. Коррозионные процессы для этих металлов возможны уже в нейтральных средах, в которых отсутствует растворенный кислород и иные окислители.
Вторая группа – металлы средней активности, характеризующиеся сравнительной термодинамической нестабильностью. К ней можно отнести все металлы, расположенные в ряду напряжений между кадмием и водородом. Коррозионные процессы возможны для них в кислых средах, но в нейтральных средах, в которых отсутствует растворенный кислород, они проявляют достаточную коррозионную стойкость.
Третья группа – малоактивные металлы, характеризующиеся промежуточной термодинамической стабильностью. В свою очередь к ней можно отнести все металлы, в ряду напряжений расположенные между водородом и родием. Эти металлы достаточно устойчивы в кислых и нейтральных средах, при условии отсутствия в них растворенного кислорода и иных окислителей.
Четвертая группа – благородные металлы, характеризующиеся высокой термодинамической стабильностью. К этой группе можно отнести золото, платину, иридий, палладий. Эти металлы могут быть подвержены коррозионным процессам лишь в кислых средах с растворенными в них сильными окислителями.
С точки зрения электрохимической коррозии становится понятным, почему коррозия увеличивается в том случае, если в металле присутствуют примеси. Металл и примесь образуют гальваническую пару, в результате чего разрушается металл. Именно потому в тех случаях, когда требуется очень высокая химическая устойчивость металлов, добиваются их высокой чистоты.
Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В этом отношении принято разделять коррозию в растворах электролитов (протекающую в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде), атмосферную коррозию (протекающую в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа), почвенную коррозию (протекающую в зависимости от состава почв, а также ее аэрации более или менее интенсивно), аэрационную коррозию (коррозию, обусловленную неравномерным доступом воздуха к различным частям материала), морскую коррозию (протекающую в морской воде, и обусловленную наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ), биокоррозию (коррозию, обусловленную жизнедеятельностью бактерий и других организмов, вырабатывающих агрессивные газы, способствующие протеканию процесса коррозии), электрокоррозию (коррозию, обусловленную действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и иных агрегатов).
Защита металлов от коррозии
Коррозия наносит экономике страны огромный ущерб, поэтому разрабатываются различные методы защиты от коррозии.
Коррозия – процесс, протекающий на поверхности металлического изделия, при отсутствии трещин, разрывов внутри структуры металла развиваться он не может. Нетрудно предположить, что одним из наиболее действенных способов защиты металла от коррозии является нанесение на поверхность металла определенных покрытий.
Покрытия могут быть металлические (цинк, медь, никель, хром) и неметаллические (лаки, краски, эмали). Примером защиты железа от коррозии может служить широко применяемое покрытие его цинком (оцинкованное железо). Хорошей защитой железа является покрытие его никелем или хромом
При покрытии железа менее активным металлом, например оловом или медью, при нарушении покрытия коррозии подвергается железо.
Создание сплавов, стойких к коррозии, - введение в состав стали хрома, марганца, никеля дает возможность получить нержавеющую сталь, находящую широкое применение в промышленности.
Также защитить металл от коррозии можно изменив состав коррозионной среды (при введении ингибиторов коррозии или удалении примесей из окружающей среды).
Также, реализованы могут быть анодная защита и катодная защиты.
Анодную электрохимическую защиту применяют преимущественно для конструкций, состоящих из титана, низколегированных нержавеющих, углеродистых сталей, железистых высоколегированных сплавов, разнородных пассивирующихся металлов. Анодная защита чаще всего применяется в хорошо электропроводных коррозионных средах.
При анодной защите потенциал защищаемого металла смещается в более положительную сторону до достижения пассивного устойчивого состояния системы.
Катодная электрохимическая защита от коррозии применяется в тех случаях, когда защищаемый металл не склонен к пассивации. Это один из основных видов защиты металлов от коррозии. Содержание катодной защиты состоит в приложении к изделию внешнего тока от отрицательного полюса, который поляризует катодные участки коррозионных элементов, приближая значение потенциала к анодным. Положительный полюс источника тока в этом случае присоединяют к аноду. При этом коррозия защищаемой конструкции практически сводится к нулю. Анод же с течением времени разрушается, так что его необходимо периодически менять.
Одним из видов катодной защиты является протекторная защита. При ее реализации к защищаемому объекту подсоединяется металл с более электроотрицательным потенциалом. При этом идет разрушение не конструкции, а протектора. Со временем протектор разрушается настолько, что его необходимо заменять на новый.
Протекторная защита может быть реализована в случаях, когда между протектором и окружающей средой небольшое переходное сопротивление.
Защита металлических изделий от негативного влияния окружающей среды является важной задачей в процессе их эксплуатации.
Конспект на тему Коррозия металлов
1. Коррозия металлов — самопроизвольное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Коррозионный процесс — гетерогенный (неоднородный), протекает на границе раздела металл — агрессивная среда, имеет сложный механизм. При этом атомы металла окисляются, т.е.J теряют валентные электроны, атомы переходят через границу раздела во внешнюю среду, взаимодействуют с ее компонентами и образуют продукты коррозии. В большинстве случаев коррозия металлов пройм ходит неравномерно по поверхности, имеются участки, на которых возникают локальные поражения. Некоторые продукты коррозии, образуя поверхностные пленки, сообщают металлу коррозионную стойкость. Иногда могут появляться рыхлые продукты коррозии, имеющие слабое сцепление с металлом. Разрушение таких пленок вызывает интенсивную коррозию обнажающегося металла. Коррозия металла снижает механическую прочность и меняет другие свойства его. Коррозионные процессы классифицируют по видам коррозионных разрушений, характеру взаимодействия металла со средой, условиям протекания.
Коррозия бывает сплошная, общая и местная. Сплошная коррозия протекает по всей поверхности металла. При местной коррозии поражения локализуются на отдельных участках поверхности.
Рис. 1 Характер коррозионных разрушений:
I – равномерное; II — неравномерное; III — избирательное; IV — пятна; V — язвы; VI — точками или питтингами; VII — сквозное; VIII — нитевидное; IX — поверхностное; X — межкристаллитное; XI — ножевое; XII — растрескивание
Общая коррозия подразделяется на равномерную, неравномерную и избирательную (рис. 1).
Равномерная коррозия протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла; неравномерная — на различных участках поверхности металла с неодинаковой скоростью. При избирательной коррозии разрушаются отдельные компоненты сплава.
При коррозии пятнами диаметр коррозионных поражений большой глубины. Для язвенной коррозии характерно глубокое поражение участка поверхности ограниченной площади. Как правило, язва находятся над слоем продуктов коррозии. При точечной (питтинговой) коррозии наблюдаются отдельные точечные поражения поверхности металла, которые имеют малые поперечные размеры при значительной глубине. Сквозная — это местная коррозия, вызывающая разрушение металлического изделия насквозь, в виде свищей. Нитевидная коррозия проявляется под неметаллическими покрытиями и виде нитей. Подповерхностная коррозия начинается с поверхности, пи преимущественно распространяется под поверхностью металла, вызывая его вспучивание и расслоение.
При межкристаллитной коррозии разрушение сосредоточено по границам зерен металла или сплава. Этот вид коррозии опасен тем, что происходит потеря прочности и пластичности металла. Ножевая коррозия имеет вид надреза ножом вдоль сварного соединения в сильно агрессивных средах. Коррозионное растрескивание протекает при одновременном воздействии коррозионной среды и растягивающих остаточных или приложенных механических напряжениях.
Металлические изделия в определенных условиях подвергаются коррозионно-усталостному разрушению, протекающему при одновременном воздействии на металл коррозионной среды и переменных I механических напряжений.
По характеру взаимодействия металла со средой различают химическую и электрохимическую коррозии. Химическая коррозия — разрушение металла при химическом взаимодействии с агрессивной средой, которой служат неэлектролиты - жидкости и сухие газы. Электрохимическая коррозия - разрушение металла под воздействием электролита при протекании двух самостоятельных, но взаимосвязанных процессов — анодного и катодного. Анодный процесс — окислительный, проходит с растворением металла; катодный процесс — восстановительный, обусловлен электрохимическим восстановлением компонентов среды. Современная теория коррозии металлов не исключает совместного протекания химической и электрохимической коррозии, так как в электролитах при определенных условиях возможен перенос массы металла по химическому механизму.
По условиям протекания коррозионного процесса наиболее часто встречаются следующие виды коррозии:
1) газовая коррозия, протекает при повышенных температурах и полном отсутствии влаги на поверхности; продукт газовой коррозии — окалина обладает при определенных условиях защитными свойствами;
2) атмосферная коррозия, протекает в воздухе; различают три вида атмосферной коррозии: во влажной атмосфере — при относительной влажности воздуха выше 40 %; в мокрой атмосфере - при относительной влажности воздуха, равной 100 %; в сухой атмосфере — при относительной влажности воздуха менее 40 %; атмосферная коррозия — один из наиболее распространенных видов вследствие того, что основная часть металлического оборудования эксплуатируется в атмосферных условиях;
3) жидкостная коррозия - коррозия металлов в жидкой среде; различают коррозию в электролитах (кислоты, щелочи, солевые растворы, морская вода) и в неэлектролитах (нефть, нефтепродукты, органические соединения);
4) подземная коррозия — коррозия металлов, вызываемая в основном действием растворов солей, содержащихся в почвах и грунтах; коррозионная агрессивность почвы и грунтов обусловлена структурой и влажностью почвы, содержанием кислорода и других химических соединений, рН, электропроводностью, наличием микроорганизмов;
5) биокоррозия — коррозия металлов в результате воздействия микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности, в биокоррозии участвуют аэробные и анаэробные бактерии, приводящие к локализации коррозионных поражений;
6) электрокоррозия, возникает под действием внешнего источника тока или блуждающего тока;
7) щелевая коррозия — коррозия металла в узких щелях, зазорах, м резьбовых и фланцевых соединениях металлического оборудования,аксплуатирующегося в электролитах, в местах неплотного контакта металла с изоляционным материалом;
8) контактная коррозия, возникает при контакте разнородных металлов в электролите;
9) коррозия под напряжением, протекает при совместном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений — постоянных растягивающих (коррозионное растрескивание) и переменных или циклических (коррозионная усталость);
10) коррозионная кавитация — разрушение металла в результате одновременно коррозионного и ударного воздействий. При этом защитные пленки на поверхности металла разрушаются, когда лопаются газовые пузырьки на поверхности раздела жидкости с твердым телом;
11) коррозионная эрозия — разрушение металла вследствие одновременного воздействия агрессивной среды и механического износа;
12) фреттинг-коррозия — локальное коррозионное разрушение металлов при воздействии агрессивной среды в условиях колебательного перемещения двух трущихся поверхностей относительно друг друга;
13) структурная коррозия, обусловлена структурной неоднородностью сплава; при этом происходит ускоренный процесс коррозионного разрушения вследствие повышенной активности какого-либо компонента сплава;
14) термоконтактная коррозия, возникает за счет температурного градиента, обусловленного неравномерным нагреванием поверхности металла.
Читайте также: