Опыты по коррозии металлов
Обновлено: 05.07.2024
Цели. Сформировать представления о коррозии с точки зрения окислительно-восстановительных процессов; показать значение коррозии для народного хозяйства; продолжить формирование у учащихся умений устанавливать причинно-следственные связи между строением и свойствами металлов.
Оборудование. Железные гвозди из поставленных ранее опытов по их коррозии в водопроводной воде и «морской» воде (гвоздь без контакта с другим металлом и гвозди в контакте с медью и цинком). (Эксперимент мог быть домашним заданием.)
Коррозия вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в которых металл в результате взаимодействия с каким-либо веществом из своего окружения превращается в нежелательное соединение. Одним из наиболее известных коррозионных процессов является ржавление железа. 20% железа, производимого ежегодно в США, идет на замену железных изделий, пришедших в негодность из-за ржавления.
Различают несколько видов коррозии.
А. По площади и характеру поражения: сплошная, точечная, язвенная, межкристаллическая.
Б. По природе агрессивных сред: воздушная, почвенная, морская, биологическая (вызванная водорослями, моллюсками, плесенью), коррозия в смазке, газовая.
В. По механизму возникновения: химическая, электрохимическая, электрическая (под действием блуждающих токов).
Химическая коррозия
При химической коррозии идет окисление металла без возникновения цепи электрического тока:
Для поверхности алюминия этот процесс благоприятен, т.к. оксидная пленка плотно прилегает к поверхности металла и нет дальнейшего допуска кислорода к металлу.
Почему не рекомендуют варить овощи в алюминиевой посуде? (Кислая среда растворяет оксидную пленку, и алюминий в виде солей поступает в организм человека.)
Оксидная пленка железа очень рыхлая (вспомните какой-либо ржавый предмет – как только вы берете его в руки, остаются следы ржавчины) и не прилегает плотно к поверхности металла, поэтому кислород проникает все дальше и дальше, коррозия идет до полного разрушения предмета.
Электрохимическая коррозия одного металла
При электрохимической коррозии возникает электрическая цепь. При этом могут быть случаи коррозии как одного металла, так и металлов в контакте. Для возникновения электрохимической коррозии нужно наличие кислорода и воды.
Рассмотрим случай, когда контакта металлов нет, причем металл (железо) находится в воздухе.
Некоторые участки поверхности железа служат анодом, на котором происходит его окисление
(E° – стандартный электродный потенциал):
Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B.
Образующиеся при этом электроны перемещаются по металлу к другим участкам поверхности, которые играют роль катода. На них происходит восстановление кислорода:
Этот процесс иллюстрируется на рис. 1.
Рис. 1.
Схема электрохимической коррозии железа
без контакта с другими металлами
В восстановлении кислорода участвуют ионы Н + . Если концентрация Н + понижается (при повышении рН), восстановление О2 затрудняется. Замечено, что железо, находящееся в контакте с раствором, рН которого выше 9–10, не корродирует.
В процессе коррозии образующиеся на аноде ионы Fe 2+ окисляются до Fe 3+ :
Поскольку роль катода обычно играет та часть поверхности, которая лучше всего обеспечена притоком кислорода, ржавчина чаще всего появляется именно на этих участках. Если вы внимательно осмотрите лопату, простоявшую некоторое время на открытом воздухе с налипшей на лезвии грязью, то заметите, что под грязью на поверхности металла образовались углубления, а ржавчина появилась повсюду, куда мог проникнуть О2.
С усилением коррозии в присутствии солей часто сталкиваются автомобилисты в тех местностях, где в зимнее время для борьбы с гололедицей дороги обильно посыпают солью. Влияние солей объясняется тем, что образуемые ионы создают электролит, необходимый для возникновения замкнутой электрической цепи.
Наличие анодного и катодного участков на поверхности железа приводит к созданию на ней двух неодинаковых химических окружений. Они могут возникнуть вследствие присутствия примесей или дефектов в кристаллической решетке (по-видимому, обусловленных напряжением внутри металла). В местах, где есть примеси или дефекты, микроскопическое окружение конкретного атома железа может вызвать некоторое увеличение или уменьшение его степени окисления по сравнению с «нормальными» атомами в кристаллической решетке. Поэтому такие места способны играть роль анодов или катодов. Сверхчистое железо, в котором количество подобных дефектов сведено к минимуму, намного меньше корродирует по сравнению с обычным железом.
Кутубская колонна
в Индии
Классический пример – знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели, которая уже почти полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. Сделана она из железа, в котором почти нет примесей. Как удалось древним металлургам получить такой чистый металл, до сих пор остается загадкой.
В начале прошлого столетия по заказу одного американского миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище ее было обшито монель-металлом (сплав меди и никеля), а рама руля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода (монель-металла), стального анода и раствора электролита – морской воды.
Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя, так что «Зов моря» остался в истории мореплавания как пример конструкторской недальновидности и самонадеянного невежества. Попробуем разобраться, что же произошло.
Рассмотрим контакт двух металлов на примере олова и железа.
Железо часто покрывают другим металлом, например оловом, цинком или хромом, чтобы защитить от коррозии. Так называемую «белую жесть» получают, покрывая тонким слоем олова листовое железо. Олово защищает железо до тех пор, пока защитный слой остается неповрежденным. Стоит его повредить, как на железо начинают воздействовать воздух и влага, олово даже ускоряет процесс коррозии, потому что служит катодом в электрохимическом процессе. Сравнение окислительных электродных потенциалов железа и олова показывает, что железо окисляется легче олова:
Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B,
Sn (тв.) = Sn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,14 B.
Поэтому железо служит в этом случае анодом и окисляется, как показано на рис. 2.
Рис. 2.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и олова
Оцинкованное железо получают, покрывая его тонким слоем цинка. Цинк защищает железо от коррозии даже после нарушения целостности покрытия. В этом случае железо в процессе коррозии играет роль катода, потому что цинк окисляется легче железа (рис. 3):
Zn (тв.) = Zn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,76 B.
Следовательно, цинк играет роль анода и корродирует вместо железа.
Рис. 3.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и цинка
Электрическая коррозия (электрокоррозия)
Блуждающие токи, исходящие от трамвая, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок, работающих на постоянном токе, вызывают электрокоррозию. Такие токи разрушают подземные металлические сооружения, трубопроводы, электрокабели, приводят к появлению на металлических предметах, находящихся в земле, участков входа и выхода постоянного тока. Вследствие этого на металле образуются катодные и анодные зоны, причем анодные зоны, т.е. места выхода тока, подвергаются коррозии (рис. 4).
Рис. 4.
Схема электрокоррозии
под действием блуждающих токов:
1 – провод; 2 – рельс; 3 – влажный грунт;
4 – труба; 5 – электродвигатель трамвая;
6 – сопротивление в стыке рельса
Блуждающие токи достигают 300 А и действуют в радиусе нескольких десятков километров. Процесс в анодных зонах:
Fe – 2e = Fe 2+ .
Процессы в катодных зонах:
2H + + 2e = H2
Блуждающие токи от источников переменного тока вызывают слабую коррозию у подземных изделий из стали и сильную у изделий из цветных металлов.
Коррозия металлов протекает непрерывно и причиняет огромные убытки. Подсчитано, что прямые потери от коррозии железа составляют около 10% от его ежегодной выплавки. В результате коррозии металлические изделия теряют свои ценные технические свойства.
Ежегодные потери металла при коррозии оборудования, используемого только в животноводстве, составляют около 60 тыс. тонн. Поэтому защита металлов от коррозии – очень важная задача.
Основные способы защиты от коррозии
1. Защищаемый металл играет роль катода. Такой способ защиты называется катодным (другое название – протекторная защита). Тот металл, который заведомо будет разрушаться в паре, называется протектором. Примеры такой защиты – оцинкованное железо (железо – катод, цинк – анод), «белая жесть» (оловом покрывают листовое железо), контакт магния и железа (магний – протектор). Магниевый анод окружают смесью гипса, сульфата натрия и глины, чтобы обеспечить проводимость ионов. Труба играет роль катода в гальваническом элементе (рис. 5).
Рис. 5.
Катодная защита
железных водопроводных труб
2. Электрозащита. Конструкция, находящаяся в среде электролита, соединяется с другим металлом (обычно куском железа, рельсом и т.п.), но через внешний источник тока. При этом защищаемую конструкцию подключают к катоду, а металл – к аноду источника тока. В этом случае электроны отнимаются от анода источником тока, анод (защищающий металл) разрушается, а на катоде происходит восстановление окислителя. Электрозащита имеет преимущество перед протекторной защитой: радиус действия первой около 2000 м, второй – 50 м.
3. Если металл, например хром, создает плотную оксидную пленку, его добавляют в железо, и образуется сплав – нержавеющая сталь. Такие стали называются легированными.
Многие сплавы, которые содержат незначительное количество добавок дорогих и редких металлов, приобретают замечательную устойчивость к коррозии и прекрасные механические свойства. Например, добавки родия или иридия к платине так сильно повышают ее твердость, что изделия из нее – лабораторная посуда, детали машин для получения стекловолокна – становятся практически вечными.
4. Металл можно пассивировать – обработать его поверхность так, чтобы образовалась тонкая и плотная пленка оксида, которая препятствует разрушению основного вещества. Например, концентрированную серную кислоту можно перевозить в стальных цистернах, т.к. она образует на поверхности металла тонкую, но очень прочную пленку.
5. Ингибиторы (замедлители) коррозии тоже переводят металл в пассивное состояние, образуя на его поверхности тонкие защитные пленки. Пример такого замедлителя коррозии – гексаметилентетрамин (CH2)6N4. В последние годы разработаны летучие, или атмосферные, ингибиторы. Ими пропитывают бумагу, которой обертывают металлические изделия. Пары ингибиторов адсорбируются на поверхности металла и образуют на ней защитную пленку.
6. Защитить металл можно, препятствуя проникновению к нему влаги и кислорода, – например, нанося на металл слой краски или лака. (На покраску Эйфелевой башни уже затратили средств больше, чем при ее создании.)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА
За неделю до урока были поставлены опыты по коррозии металлов в пробирках с водопроводной (№ 1–4) и «морской» (№ 5–8) водой (рис. 6).
Рис. 6.
Гвозди, помещенные в водопроводную
(пробирки с темными крышками) и «морскую»
(пробирки со светлыми крышками) воду
№ 1 и № 5 – железный гвоздь;
№ 2 и № 6 – железный гвоздь в контакте с цинком;
№ 3 и № 7 – железный гвоздь в контакте с медью;
№ 4 и № 8 – железный гвоздь, покрытый лаком для ногтей.
«Морскую» воду готовят, растворяя в ней соли кальция, магния и натрия.
Рис. 7 демонстрирует результаты опытов по коррозии металлов в «морской» воде.
Рис. 7.
Гвозди, вынутые через неделю
из «морской» воды
№ 5 – наличие слабой ржавчины; № 6 – гвоздь не подвергся коррозии, но цинк уменьшился в размере;
№ 7 – наличие сильной ржавчины, гвоздь уменьшился в размере;
№ 8 – гвоздь не подвергся коррозии (покрыт лаком).
1. Рассмотрите коррозию железа в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 1 и № 5). Где процесс протекает быстрее и чем вы это объясните?
(П р и м е р н ы й о т в е т. В «морской» воде более заметно выражены все проявления коррозии из-за агрессивности среды, которая создается растворимыми солями (гидролиз солей).)
2. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и цинка в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 2 и № 6).
(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с цинком явление коррозии железа практически не выражено. В данном случае электрохимическая коррозия затронула цинк, как более активный металл.)
3. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и медной проволоки в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 3 и № 7).
(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с медью усиливается разрушение железа вследствие электрохимической коррозии, т. к. железо более активный металл, чем медь (в электрохимическом ряду напряжений металлов железо стоит левее меди).)
4. Зарисуйте результаты опытов. Используя рис. 1–3, составьте схемы реакций, происходящих в каждом опыте.
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
1. Напишите схему коррозии на яхте «Зов моря».
2. Поставьте опыты по коррозии железных гвоздей в «Фанте» и в растворе соды. Через неделю принесите гвозди в школу, чтобы обсудить результаты опытов.
3. Рассмотрите процесс коррозии при соединении медной трубы с гальванизированной (оцинкованной) стальной трубой, если обе трубы находятся в земле.
4. Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?
(О т в е т. В местах соприкосновения двух металлов образуется гальванический элемент. Металл, который окисляется легче, играет при этом роль анода, а второй металл – роль катода. Из сравнения стандартных электродных потенциалов алюминия и железа следует, что алюминий будет играть роль анода. Таким образом, вблизи алюминиевого гвоздя водосточная труба будет защищена от коррозии, потому что железо в этой паре играет роль катода. Однако алюминиевый гвоздь в этих условиях быстро корродирует, и в конце концов труба упадет.)
5. Почему цинк не используют при изготовлении консервных банок для покрытия им железа?
(О т в е т. Цинк менее пригоден, чем олово, при изготовлении консервных банок, т. к. расположен левее олова в ряду напряжений металлов, поэтому цинк легче подвергается действию кислот, содержащихся во фруктовых соках.)
Литература
Маршанова Г.Л. 500 задач по химии. М.: Издат-школа «РАЙЛ», 1997; Хомченко Г.П., Цитович И.Г. Неорганическая химия, М.: Высшая школа, 1987; Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Химия. Пособие-репетитор. Под ред. А.С.Егорова. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996; Венецкий С.И. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986.
Опыты по коррозии металлов
2. О.С. Габриелян Настольная книга учителя. Химия. 9 класс / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – М.: Дрофа, 2002, с. 56
7. Е.А. Вайтулевич, Г.В. Лямина. Коррозия металлов: методические указания. – Томск: Изда-во Том. гос. архит-строит. ун-та, 2007
8. Карасёв Д.В., Ильязова Р.Т. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА КОРРОЗИЮ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА // Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. VII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 7. URL: sibac.info/archive/nature/StudNatur07.02.2013.pdf (дата обращения: 20.01.2019)
Каждый крупный город имеет свой символ, по которому его легко узнают. Кремль – это символ Москвы, статуя Свободы – символ Нью-Йорка, Исаакиевский собор, Зимний дворец – символы Санкт-Петербурга, а Эйфелева башня – символ Парижа.
Но башня неизлечимо больна – она изготовлена из обычной стали и неотвратимо ржавеет и разрушается, и только постоянная химиотерапия помогает бороться с этим смертельным недугом: Эйфелеву башню красили уже 18 раз, отчего её масса (9 000 тонн) каждый раз увеличивается на 70 тонн.
Несмотря на широкое внедрение в нашу жизнь полимерных материалов, стекла, керамики, основным конструкционным материалом продолжает оставаться железо и сплавы на его основе. С изделиями из железа мы на каждом шагу встречаемся в быту и знаем, как много хлопот доставляют его ржавление и сама ржавчина. 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.[1]
Коррозия наносит не только прямой ущерб (ежегодно от неё теряется около трети произведенного за год во всем мире металла), но и косвенный: ведь разрушаются конструкции, на которые тоже затрачен труд (машины, крыши, памятники, мосты), тратятся огромные средства на борьбу с этим явлением.[2]
Что же такое коррозия, какие факторы определяют её протекание?
Гипотеза исследования: на коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние определенные условия, есть вещества, ускоряющие и замедляющие коррозию металлов.
Цель моей работы – исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов.
Актуальность исследования обусловлена тем, что ежегодно до 20% выплавленного, обработанного и воплощенного в конструкции металла разрушается от коррозии.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить литературные источники.
2. Установить влияния природы металла на коррозию.
3. Установить влияние внешних условий на процессы коррозии металлов.
4. Ознакомиться со способами защиты от коррозии.
Предмет исследования: коррозия.
Методы исследования: визуальное наблюдение, химический эксперимент.
Слово «коррозия» происходит от латинского corrodere, что означает «разъедать». Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, дерево, пластмассы и другие полимерные материалы. 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.
Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Среди них как конструкционный материал явно выделяется железо. Объем промышленного производства железа примерно в 20 раз больше, чем объем производства всех остальных металлов, вместе взятых.
Коррозия металлов наносит большой экономический ущерб. В результате коррозии металлов выходят из строя оборудование, машины, механизмы, разрушаются металлические конструкции. Особенно интенсивно подвергается коррозии аппаратура химической промышленности, которая контактирует с агрессивными химическими средами. Поэтому разработка методов защиты металлов от коррозии – важная проблема современной химии.
Классификация видов коррозии металлов
Коррозионные процессы классифицируют по механизму взаимодействия металлов с внешней средой; по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса; по характеру коррозионных разрушений; по видам дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.
По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.
Химическая коррозия развивается при контакте металла с растворами неэлектролитов или с газами при высоких температурах (её называют газовой коррозией). Это распространенный вид коррозии аппаратуры в химической промышленности.
При химической коррозии происходит непосредственное окисление металла окислителями – компонентами окружающей среды.
Наиболее опасными для металлов компонентами газовой среды являются кислород, пары воды, оксид углерода (IV), оксид серы (IV). Коррозионное разрушение железа и его сплавов в атмосфере кислорода обусловлено протеканием реакций:
C повышением температуры скорость газовой коррозии возрастает.[3]
Электрохимическая коррозия. Этот вид коррозии проходит в среде, которая проводит электрический ток. Металл в грунте подвергается, преимущественно, электрохимической коррозии. Процесс коррозии такого типа – это результат химических реакций с участием компонентов окружающей среды. Также электрохимическая коррозия возникает в случае контакта металлов, находящихся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего возникает гальваническая пара катод-анод.
Атмосферный и грунтовый процесс коррозии выражается схемой:
В результате образуется ржавчина различной расцветки, что обусловлено тем, что образуются различные окислы железа. Какое именно вещество образуется в процессе коррозии железа, зависит от давления кислорода, влажности воздуха, температуры, длительности процесса, состава железного сплава, состояния поверхности изделия и т. д. Скорость разрушения разных металлов различна.
Процесс коррозии металла в растворах электролитов – это результат работы большого количества микроскопических гальванических элементов, у которых в качестве катода выступают примеси в металле, а в качестве анода – сам металл. В результате чего возникают микроскопические гальванические элементы.
Также атомы железа на разных участках имеют различную способность отдавать электроны (окисляться). Участки металла, на котором протекает этот процесс, выступают в роли анода. Остальные участки – катодные, на которых происходят процессы восстановления воды и кислорода:
Результат – из ионов железа (II) и гидроксид-ионов образуется гидроксид железа (II). Далее идет его окисление до гидроксида железа (III) – основного компонента ржавчины:
Для того чтобы гальванический элемент работал, необходимо наличие двух металлов различной химической активности и среды, которая проводит электрический ток, – электролита. При контакте железа и другого металла (например, цинка) коррозия железа замедляется, а более активного металла (цинка) – ускоряется. Это обусловлено тем, что поток электронов идет от более активного металла (анода) к менее активному металлу (катоду). Так, при контакте железа с менее активным металлом, коррозия железа ускоряется. [4]
По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии.
Газовая коррозия — это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1 %) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.
Атмосферная коррозия — это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа.
Подземная коррозия — это коррозия металлов в почвах и грунтах.
Жидкостная коррозия – это коррозия в растворах электролитов и неэлектролитов.
По характеру разрушений металла различают коррозию сплошную и местную.
Сплошная коррозия распределяется равномерно по всей поверхности металла. При местной коррозии её очаги распределяются неравномерно – в виде коррозионных пятен или точек, что особенно опасно для промышленной химической аппаратуры. [5]
Способы защиты от коррозии
Люди издавна интересовались вопросами защиты металла от коррозии. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами, и прежде всего легкоплавким оловом. Древнегреческий историк Геродот (V в. до н.э.) и древнеримский ученый Плиний (I в. н.э.) уже упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины.
Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа. Уже в двадцатых годах 19 века электрохимическую коррозию изучают Г. Дэви и М. Фарадей. С тех пор во многих странах мира было выполнено очень много работ по коррозии различных металлических материалов. Однако правильной, научно обоснованной теории электрохимической коррозии не было. Существовала лишь теория, выдвинутая в 1830 г. швейцарским ученым О. Де ла Ривом, оказавшаяся неверной, согласно которой подвергаться коррозии может лишь такой материал, в котором есть инородные включения. В начале тридцатых годов 20 века советский ученый А.Н. Фрумкин, изучая амальгамы металлов, показал, что активный металл амальгамы растворяется в кислотах, хотя амальгама – это однородное вещество. В 1935 г. А.И. Шултин объяснил коррозию как индивидуальных металлов, так и сплавов. Он рассмотрел механизм протекания процесса коррозии и факторы, влияющие на его скорость.[6]
Для предупреждения коррозии используется комплекс противокоррозионных мероприятий, включающий защиту металлических поверхностей различными методами, применение специальных сплавов с повышенной коррозионной стойкостью, обработку рабочей среды веществами, снижающими её коррозионную активность.
1. Нанесение защитных покрытий.
- нанесение металлических покрытий. Для защиты металлов от коррозии широко применяются покрытия из цинка, никеля, хрома, свинца, олова, меди, кадмия и других металлов.
- нанесение неметаллических покрытий. Эффективную защиту металлов от коррозии обеспечивают различные лакокрасочные покрытия. Для создания таких покрытий используются лаки, краски, полимеры. Эти покрытия отличаются хорошей водостойкостью. Они обеспечивают механическую защиту металлов от коррозии.
Различают покрытия анодные и катодные. Анодные – более электроотрицательны по отношению к защищаемому металлу, в электрохимическом ряду напряжений стоят левее защищаемого металла. Катодные – более электроположительные по отношению к защищаемому металлу, то есть в электрохимическом ряду напряжений стоят правее защищаемого металла.
2. Протекторная защита – к защищаемому изделию присоединяют протекторы – более активные металлы. Защита будет действовать до тех пор, пока полностью не растворится анод – более электроотрицательный металл.
3. Катодная защита – защищаемое изделие соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока, искусственно делают его катодом. Положительный полюс присоединяют к другому вспомогательному металлу, который помещают в ту же среду, что и защищаемое изделие.
4. Легирование. При легировании в состав сплава входят компоненты, вызывающие пассивирование металла. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу: никеля, хрома, кобальта, вольфрама, кремния и т.д. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия происходит, хотя и с малой скоростью. Применяется в основном для защиты от газовой коррозии.
5. Введение ингибиторов – замедлителей коррозии. Ингибиторы создают на поверхности металла защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды. В качестве ингибиторов коррозии применяют многие неорганические и органические вещества и разнообразные смеси веществ.[7]
Опыт 1. Роль кислорода воздуха в коррозии железа.
Я налила в четыре пробирки дистиллированной воды, в одной из них воду прокипятила. В первую пробирку воды налила наполовину, во - вторую полностью, в третью налила воды и долила сверху растительного масла. Четвертую, с кипяченой водой, плотно закрыла пробкой. В каждую пробирку предварительно поместила по очищенному наждачной бумагой железному гвоздю.
Научно-исследовательская работа "Коррозия металлов"
Окислительно-восстановительные процессы играют исключительно важную роль в современной технике. Например, получение электрической энергии с помощью химических источников тока, металлургические процессы, электролиз. Однако некоторые окислительно-восстановительные процессы приносят вред человечеству. Одним из них является коррозия. Коррозия разрушает различные наземные и подземные металлические сооружения, турбинные и ракетные двигатели, подводные части судов, паровые котлы, проложенные в земле трубопроводы, линии электропередач, железные дороги, нефтепроводы. В результате коррозии ухудшаются электрические и магнитные свойства металлов, изменяются размеры сделанных из них деталей, нарушается герметичность аппаратов. Коррозионный процесс может полностью вывести из строя точные приборы - часы, аналитические весы и другие. Ежегодно потери металлов от коррозии составляют 10-15% от их выпуска и исчисляются миллиардами рублей. Гибнет труд людей, затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов. Кроме того, снижается производительность и срок работы оборудования, повышается его аварийность, нарушаются технологические процессы. В связи с этим исследование механизма процесса коррозии и разработка методов защиты от неё имеют больше значение.
Также мы обратили внимание, что ржавые изделия, детали, конструкции и прочие промышленные материалы встречаются и в повседневной жизни. Так, нами был замечен эффект коррозии на автомобилях (приложение 1), металлических заборах (приложение 2), дорожных знаков (приложение 3). Кроме того, мы наблюдали содержание ржавчины в водопроводной воде (приложение 4).
Проблемы коррозии постоянно обостряются из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции, становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения . Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей. Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления. Поэтому, изучив процесс коррозии, условия его появления и последствия для окружающего мира, мы решили выяснить, как его можно предотвратить или замедлить.
Цель работы: узнать, что такое коррозия, понять сущность данного процесса и влияние его на окружающий мир, и попытаться выявить методы защиты от коррозии.
Гипотеза: если изучить процессы коррозии и разобраться в причинах её возникновения, то данное явления можно предотвратить и взять под контроль.
1. Ознакомиться с историей открытия и исследования коррозии.
2. Изучить виды коррозии и причины ее возникновения.
3. Провести ряд опыты по наблюдению появления ржавчины и способам защиты от неё.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
· изучение и обобщение
· фото- и видеосъемка
1. Теоретическая часть
Коррозия металлов - физико-химическое воздействие металлических материалов и окружающей среды, которое приводит к понижению выносливости и прочности материала, вплоть до его разрушения. При коррозии железа и сталей во влажной атмосфере обычно образуются оксиды железа в виде ржавчины.
Пример — кислородная коррозия железа в воде:
Гидроксид железа Fe(OH)3 и является тем, что называют ржавчиной .
1.1. История изучения коррозии металлов
Люди издавна интересовались вопросами защиты от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (5 век до нашей эры) и древнеримский ученый Плиний Старший (1 век до нашей эры) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины.
Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа. Уже в двадцатых годах 19 века электролитическую коррозию изучают химик Гемфри Дэви и физик Майкл Фарадей. С тех пор во многих странах мира было выполнено очень много работ по коррозии различных металлических материалов. Однако правильной, научно обоснованной теории электрохимической коррозии не было. Существовала лишь теория, выдвинутая в 1830 году швейцарским ученым Де ла Ривом, оказавшаяся неверной, согласно которой подвергаться коррозии может лишь такой материал, в котором есть инородные включения. В начале тридцатых годов 20 века, советский ученый Александр Наумович Фрумкин, изучая амальгамы металлов, показал, что активный металл амальгамы растворяется в кислотах, хотя амальгама – это однородное вещество.
В 1935 году Алексей Иванович Шултин объяснил коррозию как индивидуальных металлов, так и сплавов. Он рассмотрел механизм протекания процесса коррозии и факторы, влияющие на его скорость. В том же 1935 году Ярослав Васильевич Дурдин так же высказал обоснованную им мысль о растворении металлов в кислотах без наличия инородных включений в них. Таким образом, советские ученые, в первую очередь Шултин А.И. и Дурдин Я.В., сформулировали теорию электрохимической коррозии металлических материалов.
1.2. Причины и виды коррозии
По характеру взаимодействия металла и среды коррозию принято делить на химическую и электрохимическую. В обоих случаях протекает окислительно-восстановительная реакция, в ходе которой металл окисляется, а присутствующий в агрессивной среде окислитель восстанавливается.
Но при химической коррозии электроны переходят от металла к окислителю непосредственно, при электрохимической коррозии окислительно-восстановительная реакция разбивается на полуреакции окисления и восстановления и электроны переходят по металлу от восстановителя к окислителю.
Химическая коррозия протекает в средах не проводящих электрический ток (в газах, нефти, бензине, керосине и т. д.) при высоких температурах. когда не возможна конденсация водяного пара. Ей подвергается арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин, аппаратура химической отрасли промышленности
Электрохимическая коррозия протекает в присутствии влаги. Распространена она значительно шире, чем химическая. Ей подвергаются подводные части судов в морской и пресной воде, паровые котлы, металлические сооружения и конструкции под водой и в атмосфере, проложенные в грунте трубопроводы, оболочки кабелей.
Рассмотрение механизмов действия химической и электрохимической коррозии показывает, что большого различия между ними не существует. Иногда возможен постепенный переход химической коррозии в электрохимическую и, наоборот.
1.3. Методы защиты металлов от коррозии
1) Анодная защита - покрытие металла более активным металлом. Например, в гальванической паре Zn – Fe (оцинкованное железо) защищено железо, в паре Zn –Cu защищена медь. К днищам кораблей прикрепляют протекторы – слитки металла более активного, чем обшивка днища корабля. Чаще всего это – протекторная защита с помощью цинка.
Катодная защита – защита менее активным металлом (луженое железо). Например, покрытие железа оловом (луженое железо).
2) Отделение металла от агрессивной среды (окраска, смазка, покрытие лаками, эмалями). Ученые создали новое стеклокристаллическое покрытие, которое отличается стойкостью и способностью работать при более высокой, чем металлы, температуре
3) Использование замедлителей коррозии – ингибиторов. Чаще это органические вещества или неорганические соли (нитрат натрия, хроматы стронция, свинца, цинка).
4) Электрозащита – нейтрализация тока, возникающего при коррозии, постоянным током, пропускаемым в противоположном направлении. Защищаемую конструкцию присоединяют к катоду внешнего источника тока, а анод заземляют.
Так обычно защищают трубы нефтепровода, газопровода, ни в коем случае нельзя перепутать полюса тока, ошибки должны быть исключены.
5) Пассивация металлов – это образование на поверхности металла плотно прилегающего оксидного слоя, защищающего от коррозии. Например, железо пассивируют погружением изделия в концентрированную азотную кислоту. Пассивированное железо перестает взаимодействовать с кислотами с выделением водорода. Устранить пассивацию можно разрушением пленки.
6) Изготовление сплавов, стойких к коррозии. В результате снижения содержания углерода в нержавеющей стали до 0,1% стало возможным изготовлять из неё листовой прокат (коррозийнно-стойкая сталь).
2. Практическая часть
Изучив сущность коррозии и её основные свойства, мы решили провести несколько опытов по выявлению причин и условий появления ржавчины, а также по изучению способов защиты от воздействия коррозии.
2.1. Получение эффекта коррозии (опыт с гвоздём)
Опыт проводился в хорошо проветриваемом помещении. Для его проведения нам понадобился металл (железный гвоздь). С помощью распылителя опрыскиваем его значительным количеством перекиси водорода. Затем посыпаем металл солью. Делать это необходимо, пока перекись еще влажная. Процесс ржавления начинается практически сразу. После этого гвоздю нужно высохнуть естественным образом, на свежем воздухе. Таким образом, с помощью искусственной коррозии нами был получен ржавый гвоздь. Результат опыта представлен в приложении 5.
2.2. Исследование способов защиты металла от коррозии
Опыт проводился с целью изучить народные средства по удалению ржавчины, которые безопасны и могут быть использованы в быту.
По результатам опыта (приложение 6), самыми эффективными средствами оказались: средство от ржавчины (в состав которого входят различные сильные кислоты: соляная, ортофосфорная, серная, кремниевая и другие), уксус (за счёт содержания в нём концентрированной уксусной кислоты, разъедающей ржавый налет), кетчуп (благодаря разбавленной уксусной кислоте, входящей в его состав).
3. Заключение
Таким образом, при выполнении исследовательской работы, мы выяснили, что коррозия - явление, приносящее не только экономический ущерб, но также отрицательно влияющее на здоровье человека, приносящее ему материальный ущерб и негативно отражающееся на состоянии окружающей среды.
Было обнаружено, что с процессом коррозии, то есть разрушением изделий из металла, мы сталкиваемся в повседневной жизни. В ходе исследований, выдвинутая нами гипотеза подтвердилась - коррозия действительно подконтрольна, зная процессы и причины её возникновения. Также, с помощью опытов выявилось, что защитить металлы от коррозии можно доступными народными средствами. В эпоху современной промышленности, проблема коррозии до сих пор остается актуальной.
Исследовательская работа по теме КОРРОЗИЯ
Жизнь человека без металлов невозможна. Металлы и их сплавы являются наиболее важными конструкционными материалами. Но, к сожалению, очень часто под воздействием окружающей среды поверхность металла самопроизвольно разрушается, вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Процесс самопроизвольного разрушения металлов под воздействием окружающей среды называют коррозией.
Просмотр содержимого документа
«Исследовательская работа по теме КОРРОЗИЯ»
«Мозырский государственный политехнический колледж»
Цикловая комиссия естественных дисциплин
3-ий курс, дневная форма обучения
Канаш К.С., Метлушко Д.В.
Изучение влияния различных факторов
на протекание процесса коррозии металлов
Теория коррозии металлов
1.1. Понятие коррозии металлов
1.2. Виды коррозии металлов
1.2.1. Химическая коррозия
1.2.2. Электрохимическая коррозия
1.3. Защита металлов от коррозии
Исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов
2.1. Методика исследований
2.2. Результаты исследований
Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в результате коррозии деталей машин, судов, мостов, морских конструкций и технологического оборудования. Коррозия приводит к уменьшению надежности работы оборудования: аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ, лопастей и роторов турбин, и т.д. С учетом возможной коррозии приходится завышать прочность этих изделий, а значит, увеличивать расход металла, что приводит к дополнительным экономическим затратам. Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции (утечка нефти, газов, воды), к энергетическим затратам для преодоления дополнительных сопротивлений, вызванных уменьшением проходных сечений трубопроводов из-за отложения ржавчины и других продуктов коррозии. Коррозия также приводит к загрязнению продукции, а значит, и к снижению ее качества. Затраты на возмещение потерь, связанных с коррозией, исчисляются миллиардами рублей в год.
Но вред, наносимый коррозией, не сводится только к потере металла вследствие его разрушения (прямые потери), больший вред наносят косвенные потери. Гибнет труд людей, затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов. Таким образом, потери от коррозии в сотни раз превосходят стоимость металла.
Коррозия вызывает и серьезные экологические последствия. Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно воздействует на жизнь и здоровье людей.
Процессы коррозии необратимы, поэтому их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, давать количественную оценку коррозионного повреждения, прогнозировать опасность развития в случае непринятия мер по усилению коррозионной защиты. Установление причин коррозионного разрушения позволяет правильно выбрать метод защиты.
По роду своей будущей деятельности, да и вообще в жизни, нам придется столкнуться и не раз с проблемами коррозии, поэтому эту тему считаем очень актуальной.
Цель работы: исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов.
Актуальность исследования обусловлена тем, что ежегодно до 20% выплавленного, обработанного и воплощенного в конструкции металла разрушается от коррозии.
Объект исследования: коррозионный процесс, протекающий в металлах и сплавах.
Предмет исследования: коррозия.
Методы исследования: визуальное наблюдение, химический эксперимент
Гипотеза исследования: на коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние природа металла, минеральный состав воды, температура окружающего воздуха и т.д.
Задачи исследования:
1. Изучить явление коррозии в различных системах, используя методы качественного и количественного анализа.
2. Установить влияние природы металла на коррозию.
3. Установить влияние природы и состава раствора на коррозию металлов.
4. Установить влияние температуры на коррозию металлов.
Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает «разъедать». Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, дерево, пластмассы и другие полимерные материалы.
Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.
В основе этого взаимодействия лежат химические и электрохимические реакции, а иногда и механическое воздействие внешней среды. Способность металлов сопротивляться воздействию среды называется коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением материала. Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом, а среда, в которой протекает коррозионный процесс - коррозионной средой. В результате коррозии изменяются свойства металла, и часто происходит ухудшение его функциональных характеристик.
Металл при коррозии может частично или полностью разрушаться. Химические соединения, образующиеся в результате взаимодействия металла и коррозионной среды, называют продуктами коррозии. Продукты коррозии могут оставаться на поверхности металла в виде оксидных пленок, окалины или ржавчины. В зависимости от степени сцепления продуктов коррозии с поверхностью металла наблюдаются различные случаи. Например, ржавчина на поверхности железных сплавов образует рыхлый слой, процесс коррозии распространяется далеко вглубь металла и может привести к образованию сквозных язв и свищей. Напротив, при окислении алюминия на поверхности образуется плотная сплошная пленка оксидов, которая предохраняет металл от дальнейшего разрушения.
Коррозия является физико-химическим процессом, и закономерности ее протекания определяются общими законами термодинамики и кинетики гетерогенных систем. Различают внутренние и внешние факторы коррозии. Внутренние факторы характеризуют влияние на вид и скорость коррозии металла (природа, состав, структура и т.д.). Внешние факторы определяют влияние на коррозию состава коррозионной среды и условий протекания коррозии (температура, давление).
Различают два основных вида коррозии металлов: химическую и электрохимическую.
1.2.1. Химическая коррозия металлов
Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами (газовая коррозия) при повышенных температурах и не сопровождается возникновением электрического тока. Газовой коррозии подвергаются металлы при термической обработке (ковка, прокат), детали двигателей внутреннего сгорания, арматура печей и т.д.
Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связанная с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные оксидные пленки образуются у Zn, Al, Cr, Ni, Pb, Nb, и др.
У железа же оксидная пленка рыхлая, пористая и легко отделяется от поверхности и поэтому не способна защищать металл от дальнейшего разрушения. На поверхности щелочных и щелочно-земельных металлов в процессе окисления кислородом воздуха также образуются толстые, рыхлые оксидные пленки, которые не защищают эти металлы от разрушения.
Химическая коррозия протекает не только в сухих газах, но и в неэлектролитах (бензин, керосин, дизельное топливо и т.д.). Например, коррозия бензобаков автомобилей, нефтепроводов, нефтехимического оборудования.
Этот вид коррозии происходит в токопроводящей среде - в электролите. Электролиты - вещества, растворы которых проводят электрический ток (например, минеральные соли, содержащиеся в морской воде). Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат металлы различных примесей. При контакте их с растворами электролитов одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие - роль катода (принимают электроны).
Если два различных металла (Zn и Fe), находящихся в контакте между собой, опустить в водный раствор электролита (например, грунтовая вода), то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений металлов левее (Zn), будет разрушаться, предохраняя тем самым менее активный металл (Fe) от коррозии. Цинк, отдавая электроны (разрушается), выполняет роль анода, а железо, принимая электроны - роль катода. При этом Zn заряжается отрицательно, а Fe - положительно. Если соединить эти металлы проводником через гальванометр, то он покажет наличие тока.
Важнейшими окислителями, вызывающими электрохимическую коррозию являются катионы водорода и растворенный кислород.
Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы, находящиеся в составе сплава по своей активности, т.е. чем дальше они расположены в электрохимическом ряду напряжений металлов друг от друга. Усиливается коррозия и при увеличении температуры.
Итак, электрохимическая коррозия - это окислительно-восстановительная реакция, происходящая в средах проводящих ток (в отличие от химической 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.
Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, — это легирование металлов, т. е. 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, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место.
Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов.
Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газопроницаемостью, высокими водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит коррозию. Поэтому большое значение имеет качество покрытия — толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии.
Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали. Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу вследствие чего и начинается коррозия.
Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Металлические покрытия делят на две группы: коррозионно-стойкие и протекторные. Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны по отношению к железу, т. е. в электрохимическом ряду напряжений металлов 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.
С протекторной защитой весьма сходна катодная защита металлов от коррозии. Можно сказать, что катодная защита является модификацией протекторной защиты. В данном случае металлическая конструкция или корпус корабля присоединяются к катоду источника постоянного тока и тем самым защищают его от растворения.
Читайте также: