Способы защиты металлов от коррозии химия 9 класс

Обновлено: 28.09.2024

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?

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).

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.

Шлифование поверхностей изделия – чтобы на них не задерживалась влага.
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. ).

Нанесение защитных покрытий.

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.
Химические – искусственно создаваемые поверхностные пленки: оксидные, нитратные, фосфатные, полимерные и другие. Например, железо пассивируют погружением в концентрированную азотную кислоту_.
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.

Электрохимические методы
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.
Катодная – металлоконструкцию подсоединяют к катоду внешнего источника тока. Происходит электрозащита – нейтрализация тока, возникающего при коррозии, постоянным током, пропускаемым в противоположном направлении.

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.
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.

Требуется скрепить железные детали. Какими заклепками следует пользоваться медными или цинковыми, чтобы замедлить коррозию железа? Ответ обоснуйте.
Как называются вещества, замедляющие коррозию?
Введение каких элементов в сталь повышает ее коррозионную стойкость?
К стальному днищу машины была предложена протекторная защита. Какой металл для этого лучше применить: Zn, Cu или Ni?
Почему многие детали быстрее корродируют вблизи предприятий?
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.

Коррозия металлов. Виды коррозии металлов

Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.

Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.

Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Виды коррозии металлов

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
Неравномерная
Избирательная
Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
Язвенная (или питтинг)
Точечная
Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
Растрескивающая
Подповерхностная

Основные виды коррозии металлов

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов

Химическая коррозия металлов — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.

Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Виды химической коррозии

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла. Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены. Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Фактор Пиллинга-Бэдворса

Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = V_ок/V_Ме) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла

где V_ок — объем образовавшегося оксида

V_Ме — объем металла, израсходованный на образование оксида

М_ок – молярная масса образовавшегося оксида

ρ_Ме – плотность металла

n – число атомов металла

A_Me — атомная масса металла

ρ_ок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α < 1, не являются сплошными и сквозь них кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).

Оксидные пленки, у которых 1 < α < 2,5 являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.

При значениях α > 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.

Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов

Металл	Оксид	α	Металл	Оксид	α
K	K₂O	0,45	Zn	ZnO	1,55
Na	Na₂O	0,55	Ag	Ag₂O	1,58
Li	Li₂O	0,59	Zr	ZrO₂	1.60
Ca	CaO	0,63	Ni	NiO	1,65
Sr	SrO	0,66	Be	BeO	1,67
Ba	BaO	0,73	Cu	Cu₂O	1,67
Mg	MgO	0,79	Cu	CuO	1,74
Pb	PbO	1,15	Ti	Ti₂O₃	1,76
Cd	CdO	1,21	Cr	Cr₂O₃	2,07
Al	Al₂O₂	1,28	Fe	Fe₂O₃	2,14
Sn	SnO₂	1,33	W	WO₃	3,35
Ni	NiO	1,52

Электрохимическая коррозия металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки результате двух сопряженных процессов:

Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.

Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.

Водородная деполяризация

Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:

2H + +2e — = H₂ разряд водородных ионов

Кислородная деполяризация

Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:

O₂ + 4H + +4e — = H₂O восстановление растворенного кислорода

Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

Активные металлы (высокая термодинамическая нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е 0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород или другие окислители.
Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность) – располагаются между кадмием и водородом (Е 0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая стабильность) – находятся между водородом и родием (Е 0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород или другие окислители.
Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:

А: Fe – 2e — = Fe 2+

K: O₂ + 4H + + 4e — = 2H₂O

Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO₂, H₂S и др., способствующие коррозии металла.
Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Методы защиты от коррозии металла

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлические покрытия

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием. Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Неметаллические покрытия

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия

В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:

оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al₂O₃, ZnO и др.);

азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;

воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;

цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла и коррозионной среды

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов

Читайте также: