Коррозия металлов химия 9 класс

Обновлено: 04.10.2024

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

6. Коррозия металлов

Почти все металлы и сплавы постепенно разрушаются под воздействием факторов окружающей среды. При взаимодействии металлов с веществами воздуха и атмосферными осадками на их поверхности образуется плёнка, состоящая из оксидов, сульфидов, карбонатов и других соединений.

Свойства образовавшихся на поверхности металла веществ отличаются от свойств самого металла. Так, на железе образуется ржавчина — рыхлая коричнево-красная масса. Коррозию железа обычно называют ржавлением.

Коррозия — это процесс самопроизвольного разрушения металлов и их сплавов под влиянием внешней среды (от лат. corrosio — «разъедание»).

Предметы из меди и её сплавов (предметы искусства, памятники, крыши зданий) со временем подвергаются коррозии. Патина — налёт зелёного цвета — состоит в основном из гидроксокарбоната меди(\(II\))

Из-за коррозии поверхность металлических изделий покрывается налётом из продуктов окисления и теряет блеск. Изменяется электропроводность металла, уменьшается его пластичность и прочность.

приходится постоянно восполнять потери из-за ржавления нефтепроводов, газопроводов, водопроводов, сельскохозяйственной техники, автомобилей, кораблей, мостов, станков;
металлические конструкции теряют прочность;
простаивает производство из-за необходимости замены разрушенного коррозией оборудования;
при разрушении нефте- и газопроводов теряется часть сырья;
при утечке нефтепродуктов и других веществ загрязняется окружающая среда;
загрязняется продукция, а следовательно, ухудшается её качество.

Металлическое изделие покрывают другими металлами (никелирование, хромирование, цинкование, лужение — покрытие оловом).

Металлические изделия покрывают лаками, красками, эмалями, маслами, полимерами.


Рис. \(6\). Нанесение защитного покрытия на поверхность металла	Рис. \(7\). Эмалированная стальная кастрюля	Рис. \(8\). Металлочерепица из жести, покрытой полимером

Детали машин, аппаратов, инструменты и предметы быта изготовляют из нержавеющей стали, содержащей специальные легирующие (замедляющие коррозию) добавки: хром, никель и другие металлы.

К металлу прикрепляют кусок более активного металла. Под действием среды происходит его разрушение, а защищаемый металл сохраняется. Так защищают от коррозии трубопроводы, корпуса кораблей. В качестве протектора применяют такие металлы, как цинк, магний.

Для предотвращения потерь из-за коррозии особым образом обрабатывают электролит или среду, в которой находится металл. Используют также ингибиторы — вещества, которые замедляют процесс коррозии.

Например, при подготовке воды, поступающей в котельные установки, проводят удаление растворённого в воде кислорода (деаэрацию).

Коррозия металла

Процесс самопроизвольного разрушения металлов и их сплавов называется коррозией металлов. Коррозия возникает при контакте с веществами окружающей среды. Латинское слово corrosio означает «разъедать».

Условия

Коррозия – результат взаимодействия металла с веществами-окислителями, к которым относятся кислород, водород, кислоты, щёлочи. Основной характеристикой коррозии является окислительно-восстановительная реакция. Металл при коррозии окисляется, восстанавливая окислительный компонент среды.

Рис. 1. Коррозия.

Условиями для образования коррозии являются:

наличие металла – простого или сложного вещества (сплава);
наличие коррозионной среды – активных веществ, находящихся вокруг металла и воздействующих на его поверхность;
продолжительный период времени.

Ржавчина – оксид или гидроксид железа (III) – образуется на железосодержащих изделиях и имеет рыжий цвет. Предметы из меди при коррозии приобретают зеленоватый оттенок. Это многослойная патина, верхний слой которой состоит из карбоната меди (II).

Рис. 2. Патина.

Коррозия классифицируется по нескольким признакам. Классификация приведена в таблице.

Признак

Вид

Описание

Захватывает всю металлическую поверхность

Охватывает часть поверхности

Глубоко поражает отдельные участки

Протекает под действием химических веществ в отсутствии электролитов. Может происходить на воздухе (газовая коррозия) и в водной среде (жидкостная коррозия). Под действием коррозионной среды металл окисляется, на поверхности образуются сульфидные, оксидные и другие плёнки, а коррозионные вещества восстанавливаются. Выделяют кислородную химическую коррозию и водородную деполяризацию

Протекает в присутствии электролита – проводящего ток вещества в растворах или в расплавах. Может происходить в грунте, море, атмосфере. Состоит из анодного и катодного процессов, взаимосвязанных между собой и протекающих одновременно. При анодном процессе металл окисляется, при катодном происходит восстановление окислителя, находящегося в растворе (расплаве)

Тип агрессивной среды

Происходит во влажной атмосфере

Протекает в отсутствии влаги

Происходит в кислых и щелочных почвах

Протекает в жидкой среде

Воздействие радиоактивных веществ

Соприкосновение двух металлов во влажной среде

Влияние живых организмов. Продукты жизнедеятельности бактерий окисляют и разрушают металл

Если в металле находятся примеси (соли, неметаллы, модификации углерода), то наблюдается ускоренная коррозия. Проверить это можно дома, опустив в соляной раствор (NaCl + H₂O) металлическую деталь. Уже через сутки появится ржавчина.

Защита

При постоянном взаимодействии с химическими элементами окружающей среды металл со временем истончается, становится хрупким, шершавым. Такой металл нельзя использовать в производстве. Поэтому были разработаны способы защиты металла от коррозии.

Сохранить металлические свойства и продлить срок службы металлическим изделиям можно с помощью:

металлического покрытия – нанесения тонким слоем других металлов;
неметаллического покрытия – изоляции металла от окружающей среды органическими или неорганическими веществами – лаками, эмалью, пластмассой, резиной, красками;
электрохимической защиты – наложения постоянного электрического поля;
ингибиторной защитой – нанесения ингибиторов для защиты металла в кислой среде.

Металлическое покрытие бывает двух видов:

Морские суда защищают пластинами, сделанными из более активных металлов (алюминия, магния, цинка), чем корпус корабля.

Металл также защищают «изнутри», добавляя в состав коррозиестойкие химические элементы. Например, нержавеющая сталь содержит хром, углерод, кремний, серу, фосфор, марганец.

Что мы узнали?

Из урока химии 9 класса узнали о коррозии, её видах и способах защиты. Коррозия – саморазрушение металла под воздействием факторов окружающей среды, к которым относится воздействие кислорода, водорода, кислот, щелочей. Под действием внешних элементов поверхность металла окисляется, становится тонкой и хрупкой. Тема коррозии важна для производства сплавов и металлических изделий. Чтобы продлить срок службы, в металл добавляют устойчивые к коррозии элементы или покрывают поверхность другими металлами, органическими или неорганическими веществами, ингибиторами.

Урок по теме "Коррозия". 9-й класс

Цель: Дать понятия о коррозии металлов, классификации коррозионных процессов и способах защиты металлов от коррозии.

Изучить сущность химической и электрохимической коррозии металлов;
Закрепить представления об окислительно-восстановительных реакциях;
Научить использовать приобретённые знания для объяснения явлений окружающей среды;
Научить грамотному использованию металлических изделий.

Развить умения проведения химического эксперимента с соблюдением правил Техники безопасности;
Развить умение проектирования химического эксперимента с учётом его наглядности и доказательства характера образующихся продуктов реакции.

Тип урока: Изучение нового материала.

Элементы проблемно-модульного обучения;
Проектная деятельность;

Ученический демонстрационный эксперимент;
Решение экспериментальных задач 1-4 типа;
Лабораторные опыты.

Таблицы “Коррозия металлов”;
Оборудования для лабораторных опытов:
- пластинка для капельного анализа,
- гранулы Zn, проволока Cu, раствор HCl, растворы CuCl₂, FeCl₃, железная скрепка на медной проволочке, пробирка.
I. Вводное слово учителя

31 января 1951 г. обрушился железнодорожный мост в Квебеке (Канада), введенный в эксплуатацию в 1947 г.

В 1964 г. рухнуло одно из самых высотных сооружений в мире – 400-метровая антенная мачта в Гренландии.

Из-за повреждений нефтепроводов в реки и на грунт выливается нефть.

У металлов есть и враг, который приводит к огромным безвозвратным потерям металлов, ежегодно полностью разрушается около 10% производимого железа. По данным Института физической химии РАН, каждая шестая домна в России работает впустую – весь выплавляемый металл превращается в ржавчину. А как по другому называется этот процесс? – Коррозия.

II. Изучение нового материала

Итак, тема нашего урока: “Коррозия”

Цель сегодняшнего урока познакомиться с процессами коррозии металлов, классификации коррозионных процессов и способах защиты металлов от коррозии

Слово коррозия происходит от латинского corrodere, что означает разъедать. Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, пластмассы и другие полимерные материалы и дерево. Например, в настоящее время мы являемся свидетелями большого беспокойства широких слоев людей в связи с тем, что от кислотных дождей катастрофически страдают памятники (здания и скульптуры), выполненные из известняка или мрамора.

Таким образом, коррозией называют самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.

Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы корродируют, но не ржавеют. Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.

В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:

В природе, хотя и очень редко, но встречается самородное железо. Его происхождение считают метеоритным, т.е. космическим, а не земным. Поэтому первые изделия из железа (они изготавливались из самородков) ценились очень высоко – гораздо выше, чем из серебра и даже золота.

Химическая (или газовая) коррозия – это разрушение металлов в результате их химического взаимодействия с веществами окружающей среды.

Химическая коррозия часто наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах. Ей подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, аппаратура химических производств и т.д. При химической коррозии происходит взаимодействие металла с газами, находящимися в составе среды. Чаще всего это кислород. Металл окисляется, и на его поверхности образуются различные соединения:

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки, Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные пленки появляются у Zn, Al, Cr, Ni, Sn, Pb, Nb и др. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности металла и не способна защитить его от дальнейшего разрушения.

Однако наибольший вред приносит электрохимическая коррозия.

Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов в среде электролита с возникновением в системе электрического тока.

Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат различные примеси. При их контакте с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода, а другие роль катода. В этом случае образуется гальванический элемент, электродами которого и являются металлы, находящиеся в растворе электролита. Возникает электрохимический процесс, т.е. наряду с химическими процессами (отдача электронов), протекают и электрические (перенос электронов от одного участка к другому).

Электрохимическая коррозия протекает в присутствии влаги. Ей подвергаются подводные части судов в морской и пресной воде, паровые котлы, металлические сооружения и конструкции под водой и в атмосфере.

Проблемная ситуация: Колосс Родосский и затонувшая яхта миллионера.

В III до нашей эры на острове Родос был построен маяк в виде огромной статуи Гелиоса. Колосс Родосский считался одним из семи чудес света, однако просуществовал всего 66 лет и рухнул во время землетрясения.

В 20 годы ХХ в. 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 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. Ученые считают, что в обоих случаях причиной произошедших событий были окислительно-восстановительные процессы. Какие именно?

Ответ: Причиной была контактная коррозия. У Колосса Родосского бронзовая оболочка была смонтирована на железном каркасе. Под действием влажного, насыщенного солями средиземноморского воздуха железный каркас разрушился.

Днище яхты было обшито медно-никелевым сплавом, а рама руля, киль и другие детали изготовлены из стали. Когда яхта была спущена на воду. Возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода- днища, стального анода и электролита – морской воды. В результате судно затонуло, ни сделав ни одного рейса.

При возникновении гальванической пары сила возникающего электрического тока тем больше, чем дальше стоят металлы друг от друга в ряду напряжений. При этом поток электронов от более активного металла идет к менее активному металлу. Более активный металл (железо), расположенный в ряду напряжений левее, будет разрушаться (т.к. является анодом), предохраняя тем самым менее активный металл от коррозии (медь).

Коррозионные процессы весьма разнообразны, рассмотрим их протекание в различных средах электролита.

В кислотной среде атомы железа отдают электроны, которые переходят к меди и на ее поверхности соединяются с ионами водорода, выделившимися из компонентов среды. На катоде идет процесс восстановления ионов водорода с образованием газообразного водорода.

В щелочной или нейтральной среде идет восстановление кислорода, растворенного в воде с образованием OH - . Далее катионы железа и гидроксид-ионы соединяются с образованием неустойчивого гидроксида железа (II), который далее окисляется до оксида железа (III).

При использовании металлических материалов очень важен вопрос о скорости их коррозии. От чего зависит скорость коррозии?
- В 1-м стакане железный гвоздь находится в воде.
- Во 2-м стакане железный гвоздь в растворе хлорида натрия.
- В 3-м стакане к железному гвоздю прикрепили медную проволоку и они находятся в растворе хлорида натрия.
- В 4-м стакане железный гвоздь находится в контакте с цинком, и они помещены в раствор хлорида натрия.
- В 5-м стакане железный гвоздь находится в растворах хлорида и гидроксида натрия.
Давайте сравним полученные результаты и объясним результаты эксперимента (демонстрация приготовленного за несколько дней опыта по коррозии).

Проблема: Почему в одних случаях коррозия усиливается, а в других замедляется? Объясните процессы, происходящие в каждом стакане.
- В стакане №1 – железо прокорродировало слабо, в чистой воде коррозия идет медленно. Мы наблюдаем химическую коррозию.
- В стакане №2 – идет химическая коррозия, но здесь скорость коррозии выше, чем в 1-ом стакане, следовательно, хлорид натрия – увеличивает скорость коррозии.
- В стакане №3– мы наблюдаем электрохимическую коррозию (железо находится в контакте с медью). Скорость коррозии высока, т.к. раствор хлорида натрия – сильный электролит.
- В стакане №4– также идет коррозия, но не железа, а цинка, т.к. железо менее активный металл является катодом, а цинк анодом:
- В стакане №5 – железо практически не подвергается коррозии, следовательно, гидроксид натрия – замедляет коррозию, гидроксид-ионы являются ингибиторами, т.е. замедляют коррозию.
Вывод: Катионы водорода и растворенный в воде кислород – важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию. Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы по своей активности (т.е. чем дальше друг от друга они расположены в ряду напряжений металлов).

Способы защиты от коррозии.

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.

Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали.

Ребята, а что является символом Парижа? – Эйфелева башня. Она неизлечимо больна, ржавеет и разрушается, и только постоянная “терапия” помогает бороться с этим смертельным недугом: Её красили 18 раз, отчего её масса 9000 т каждый раз увеличивается на 70 т.

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой: например 3CrCl₂ + 2Fe – [1000°C] —> 2FeCl₃ + 3Cr

Металлические покрытия делят на две группы: коррозионностойкие и протекторные. Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. В электрохимическом ряду напряжений металлов они стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. По отношению к железу они более электроотрицательны, т.е. в ряду напряжений находятся левее железа.

В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями железа цинком и оловом. 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. И то и другое получают главным образом протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла. Для большей стойкости водопроводные трубы и арматуру из стали и серого чугуна часто подвергают оцинковыванию также окунанием в расплав данного металла. Это резко повышает срок их службы в холодной воде. Интересно, что в теплой и горячей воде срок службы оцинкованных труб может быть даже меньше, чем неоцинкованных.

Вероятно, многие обратили внимание на то, что серную и азотную кислоты перевозят по железной дороге в стальных цистернах. Об этом свидетельствуют надписи, например “Осторожно, серная кислота”. Как это согласуется с теми знаниями, которые отражены в школьных учебниках? Все дело в том, что по железной дороге перевозят не разбавленные, а концентрированные кислоты. Зачем же перевозить воду? Разбавить кислоту можно и на месте потребления.

Оказывается, что в отличие от разбавленных концентрированная серная, так же как и концентрированная азотная кислоты, не взаимодействует с железом. Правильнее сказать, что кратковременное взаимодействие происходит, но оно быстро прекращается. Специалисты говорят, что в крепких растворах этих кислот железо пассивируется. Еще в 1836 г. знаменитый английский химик М. Фарадей высказал предположение, что причиной пассивации является образование на поверхности металла плотной оксидной пленки. В свое время на это предположение не обратили должного внимания. Лишь через 100 лет эти взгляды возродил и развил известный русский ученый В.А. Кистяковский. После него этот взгляд на пассивацию оформился в виде теории. Согласно ей при пассивации на поверхности металла образуется сплошная и плотная оксидная (реже хлоридная, сульфатная, фосфатная) пленка толщиной в несколько десятков нанометров.

Ингибиторы коррозии металлов.

Применение ингибиторов – один из эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах (в атмосферных, в морской воде, в охлаждающих жидкостях и солевых растворах, в окислительных условиях и т.д.). Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от лат. inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате чего растворялись лишь окалина и ржавчина.
1. Шлифование поверхностей изделия – чтобы на них не задерживалась влага.
2. Приготовление химически стойких сплавов (сплавы, содержащие хром, никель, которые при высокой температуре на поверхности металла образуют оксидный слой), нержавеющие стали, из которых изготавливают детали машин, инструменты, посуду (ножи, вилки. ).
3. Нанесение защитных покрытий.
  1. Неметаллические – неокисляющиеся масла, специальные лаки, краски, эмали.
    Ребята, а что является символом Парижа? – Эйфелева башня. Она неизлечимо больна, ржавеет и разрушается, и только постоянная “терапия” помогает бороться с этим смертельным недугом: Её красили 18 раз, отчего её масса 9000 т каждый раз увеличивается на 70 т.
  2. Химические – искусственно создаваемые поверхностные пленки: оксидные, нитратные, фосфатные, полимерные и другие. Например, железо пассивируют погружением в концентрированную азотную кислоту_.
  3. Полимерные покрытия изготавливают из полиэтилена, полихлорвинила, полиамидных смол. Наносят их двумя способами: нагретое изделие помещают в порошок полимера, который плавится и приваривается к металлу, или поверхность металла обрабатывают раствором полимера в низкокипящем растворителе, который быстро испаряется, а полимерная пленка остается на изделии.
  1. Электрохимические методы
  2. Протекторная (анодная) – к защищаемой металлической конструкции, присоединяют кусок более активного металла (протектор), который служит анодом и разрушается в присутствии электролита, В качестве протектора при защите корпусов судов, трубопроводов, кабелей и других металлических изделий используют магний, алюминий, цинк.
  3. Катодная – металлоконструкцию подсоединяют к катоду внешнего источника тока. Происходит электрозащита – нейтрализация тока, возникающего при коррозии, постоянным током, пропускаемым в противоположном направлении.
  1. Введение веществ – ингибиторов, замедляющих коррозию (нитрит натрия, хромат и дихромат калия, фосфаты натрия и другие). Защитное действие этих веществ обусловлено тем, что они адсорбируются на поверхности металла и каталитически снижают скорость коррозии, а некоторые из них (хроматы и дихроматы) переводят металл в пассивное состояние.
  2. Удаление растворенного в воде кислорода (деаэрация).
  Таким образом, металлы и сплавы можно защищать от коррозии двумя способами: изоляцией поверхности металла от среды и искусственным повышением коррозионной стойкости путем замедления процессов коррозии.
  1. Требуется скрепить железные детали. Какими заклепками следует пользоваться медными или цинковыми, чтобы замедлить коррозию железа? Ответ обоснуйте.
  2. Как называются вещества, замедляющие коррозию?
  3. Введение каких элементов в сталь повышает ее коррозионную стойкость?
  4. К стальному днищу машины была предложена протекторная защита. Какой металл для этого лучше применить: Zn, Cu или Ni?
  5. Почему многие детали быстрее корродируют вблизи предприятий?
  6. Лист железа, покрытый цинком, и лист железа, покрытый оловом, процарапали до железа. Будет ли подвергаться коррозии железо в обоих случаях?
  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. 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.
  
  Урок химии по теме "Коррозия металлов"
  
  На уроке используются фронтальные и индивидуальные формы работы с учащимися. Основными педагогическими технологиями данного проекта урока являются технологии проблемного и разноуровневого обучения, ИКТ, технологии здоровьесбережения.
  
  Цель урока: познакомить учащихся с процессом разрушения металлов – коррозией и определить способы защиты от неё.
  
  Задачи урока:
  - повторить вопрос о нахождении металлов в природе, устройство и работу гальванического элемента;
  - дать представление о коррозии и её механизме;
  - познакомить с разными видами коррозии по характеру разрушения;
  - дать понятие о способах защиты металлов от коррозии.
  План урока
  
  Этап урока
  
  Краткое содержание
  
  I. Организационный этап.
  
  Приветствие учителя и учащихся
  
  II. Актуализация знаний. Подготовка к изучению нового материала.
  
  Повторение ранее изученного материала (беседа):
  
  а) нахождение металлов в природе,
  
  б) металлы – восстановители.
  
  III. Изучение нового материала.
  
  Изучение материала по плану:
  
  1) Введение понятия «коррозия» (рассказ с элементами беседы).
  
  3) Механизмы протекания химической и электрохимической коррозии металлов (рассказ с использованием схем, самостоятельная работа учащихся по составлению в тетради схемы-конспекта)
  
  а. механизм и условия химической коррозии
  
  б. механизм и условия электрохимической коррозии (объяснение по схеме, выполнение заданий учащимися, демонстрация результатов эксперимента).
  
  IV. Основные выводы по уроку, закрепление изученного материала.
  
  Выполнение заданий на первичное усвоение материала: ученики со средним уровнем подготовленности выполняют тест; сильные учащиеся работают по индивидуальным заданиям на объяснение механизма коррозии.
  
  Дифференцированное домашнее задание.
  
  Ход урока
  
  I этап урока - Организационный.
  
  II этап урока – Актуализация знаний учащихся. Подготовка к изучению нового материала.
  - Учитель проводит фронтальную беседу с учащимися по следующим вопросам (примерные ответы учащихся приведены курсивом):
  - Какие металлы встречаются в природе и в каком состоянии? (благородные металлы встречаются в свободном состоянии, остальные - в виде различных соединений).
  
  Т.е. существует две формы металлов: Ме 0 - восстановленная, Ме n+ - окисленная.
  
  - Какой процесс наблюдается при получении металлов из их соединений? (процесс восстановления металлов, что можно отразить в виде схемы: Ме n+ + n ē = Ме 0 ).
  
  На проведение процесса восстановления металлов из их соединений затрачивается энергия.
  
  - Какое состояние наиболее выгодно и более устойчиво для металлов? (в виде соединений, в виде положительно заряженных ионов).
  
  III этап урока – Изучение нового материала.
  - Учитель сообщает ученикам план работы на уроке и дает задание: составить схему – конспект по ходу объяснения нового материала. По ходу урока будут выступления отдельных ребят по подготовленным заранее заданиям. В конце урока вас ожидает самостоятельная работа по новому материалу.
  - Учитель вводит понятие «коррозия», рассказывает о потерях, вызываемых эти процессом и пр. Использует слайды презентации (слайды 1, 2, 3 презентации).
  (Примерный рассказ учителя).
  
  При попадании металла в естественные (природные) условия происходит обратный процесс – окисление металлов, металлы возвращаются в устойчивое для них состояние в виде ионов. Процесс окисления (ржавления) наиболее часто приходится наблюдать для железа и его сплавов (чугуна и стали). Ежегодно во всём мире производится более 500 млн. т стали, но едва ли не ¼ ее «погибает». Ржавеют и выходят из строя механизмы, машины. Сколько труда тратится на их замену!
  
  Результатом коррозии являются потери: прямые (потери массы металла) и косвенные (утрата важнейших свойств). Так, в ноябре 2007 года в журнале «Огонек» была помещена заметка о происшествии в Керченском заливе. В ней сообщалось о том, что во время сильного шторма затонуло 12 судов. Все они были насквозь проржавевшими. Один из них - танкер «Волгонефть-139» даже разломился пополам. В результате этого происшествия в море вылилось 2000 т мазута, и несколько десятков километров береговой линии оказались загрязненными. Погибли тысячи птиц, а самое страшное, что погибли люди. Предварительный ущерб составил 30 млрд. рублей. Этот случай не является единичным.
  
  Следует подчеркнуть, что коррозия – это самопроизвольный процесс разрушения металлов в окружающей среде под действием ее условий. С точки зрения химии коррозия – это окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит окисление металла: Ме 0 - n ē = Ме n+ . Внешне это проявляется, как вы уже поняли и знаете, в виде ржавчины, оксидных плёнок и др.
  
  Но разрушению подвергаются металлы по-разному.
  
  - по механизму (т.е. как протекает, в каких условиях)
  - химическая –разрушение металлов при непосредственном контакте со средой (например, нагревание пластинки из меди и ее почернение на воздухе – газовая коррозия; коррозия в присутствии нефти, бензина и т.д., т.е. в среде неэлектролита);
  - электрохимическая – разрушение металлов в растворах, где есть катодные и анодные процессы.
  До 80% коррозия протекает в атмосфере, остальное - в почве, жидкостях; под напряжением.
  
  - по видам разрушений выделяют общую или сплошную коррозию (равномерную и неравномерную) и местную (точечную, пятнами, язвами, межкристаллитную).
  - Учитель дает пояснения о механизмах коррозии и объясняет их по схемам на слайдах (слайды 6, 7, 8, 9 презентации):
  При химической коррозии идет окисление металла без возникновения цепи электрического тока. Это обычный процесс окисления металлов в среде неэлектролита (например, разрушение стали в газовой среде при высоких температурах /доменная печь/). Механизм напоминает работу гальванического элемента. Демонстрация видеофрагмента и объяснение по схеме (образование ржавчины (Рисунок 1)) (слайды 7, 8 презентации).
  
  Электрохимическая коррозия происходит в результате действия множества микро- и макрогальванических элементов, возникающих приконтакте металлов, в присутствии примесей, в сплавах. Объяснения по схеме (коррозия железа при контакте с медью) (слайд 9 презентации).
  - Фронтальная работа учащихся класса с заданиями. Ответы учащихся на вопросы заданий (окисление железа при контакте его с оловом (Рисунок 2), окисление цинка (Рисунок 3)) (слайды 10, 11 презентации).
  - Учитель демонстрирует результаты предварительно поставленных опытов (приложение 1) и проводит фронтальную беседу с классом.
  Коррозия будет возрастать, если поверхность металла имеет щели, зазубринки, пыль, примеси и др., при различных атмосферных условиях. Рассмотрите коррозию железа в … (приложение 1 к уроку). Где процесс протекает быстрее и чем вы это объясните?
  
  Победить коррозию до конца никогда не удастся, так как металлы стремятся вернуться в свое «естественное состояние» (в виде ионов). Речь может идти только о снижении темпов коррозии. Из сказанного следует, что очень важной проблемой является нахождение эффективных способов защиты от коррозии.
  
  Каким образом можно предотвратить коррозию металлов? Или хотя бы уменьшить её действие на металлы?
  
  IV этап урока - Основные выводы по уроку, закрепление изученного материала.
  - Учащиеся под руководством учителя формулируют выводы по уроку.
  - Итак, сегодня мы познакомились с новым для вас процессом разрушения металлов. Что это за процесс?
  
  - Что вы можете сказать о верности высказывания «прочен как сталь»? Всегда ли верно оно?
  
  Читайте также: