Урок коррозия металлов 11 класс
Обновлено: 05.07.2024
Задача 1 Сантехника попросили поставить водопроводный кран, на стальную трубу. В наличии оказались хромированный и медный краны. Какой кран лучше выбрать? Аргументируйте ответ.
Задача 2 Человек поставил на зуб золотую коронку, по истечении некоторого времени возникла необходимость в еще одной коронке, но средств на коронку у него нет. Возможен ли вариант, чтобы поставить на зуб стальную коронку? Что Вы можете предложить в решении данной проблемы?
ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ
1. Расчёт массы металла, предохраняемого от разрушения за счёт нанесения защитных покрытий
Условие задачи : В результате атмосферной коррозии толщина стального изделия уменьшается на 0,12 мм/год. Потерю какой массы стального изделия плотностью 7750 кг/м 3 и площадью 10 м 2 можно предотвратить путем нанесения лакокрасочного покрытия, которое сохраняет свои защитные свойства в течение 4 лет? Ответ запишите в виде целого числа в килограммах.
Шаг первый : необходимо перевести скорость коррозии из мм/год в м/год.
Для этого скорость коррозии умножим на 10 -3 :
0,12·10 -3 = 1,2·10 -4 (м/год).
Шаг второй : Найдём объём слоя металла, который может быть разрушен коррозией за 1 год. Для этого толщину слоя разрушенного в течение года металла умножим на площадь стального изделия:
1,2·10 -4 ·10 = 1,2·10 -3 (м 3 /год).
Шаг третий : Найдём массу вычисленного объёма металла.
Для этого объём металла умножим на его плотность:
1,2·10 -3 ·7750 = 9,3 (кг/год).
Шаг четвёртый : Найдём массу металла, которая могла бы разрушиться за 4 года. Для этого массу сохранённого за год металла умножим за 4 года:
9,3·4 = 37,2 (кг). Округляем до целого числа, получаем 37 (кг).
2. Расчёт массы металла, разрушенного в результате коррозии
Условие задачи : Через железную решётку, предохраняющую от попадания в канализацию крупного мусора, проходит 20 м 3 воды в сутки. Содержание кислорода в воде 1 % от объёма воды. Какая масса железа окислится за 6 месяцев использования решётки, если на окисление металла расходуется 60% содержащегося в воде кислорода? Ответ записать в килограммах в виде целого числа.
Шаг первый : найдём объём кислорода, который содержится в 20 м 3 воды.
Для этого разделим 20 м 3 на 100:
20 : 100 = 0,2 (м 3 /сутки) = 200 (л/сутки)
Шаг второй : Найдём объём кислорода, который проходит в воде через решётку в течение 6 месяцев.
Для этого объём кислорода, проходящий через решетку в сутки, умножим на 30 дней и на 6 месяцев:
200·30·6 = 36000 (л).
Шаг третий : Найдём объём кислорода, который расходуется на окисление железа. Для этого умножим найденный объём кислорода на 60 и разделим на 100:
(36000·60) : 100 = 21600 (л).
Шаг четвёртый : Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с кислородом в нейтральной среде:
Шаг пятый : Найдём массу железа, окисленного 21600 л кислорода.
Для этого составим пропорцию с учётом того, что масса 1 моль железа равна 56 г/моль, а 1 моль газа в нормальных условиях занимает 22,4 л.
2·56 г железа реагирует с 22,4 л кислорода;
х г железа реагирует с 21600 л кислорода.
х = (2·56·21600) : 22,4 = 108000 (г) = 108 кг.
Ответ : 108.
Рыжий дьявол
Исходя из положения элемента в периодической системе, можно заранее сказать, какими химическими, а следовательно, и коррозионными свойствами он обладает. Под термином «коррозионные свойства» понимается, как легко данный элемент окисляется, какова устойчивость образующихся оксидов по отношению к воде, растворам солей и различных газов.
Так, в I группе в побочной подгруппе расположены металлы, весьма стойкие в коррозионном отношении. Это медь, серебро, золото, причем их коррозионная стойкость повышается с увеличением атомной массы.
Во II группе также более устойчивы металлы побочной подгруппы: цинк, кадмий, ртуть. На их поверхности в присутствии кислорода образуется тонкая, довольно прочная пленка оксидов, предохраняющая от дальнейшего процесса разрушения.
В III группе из технически важных металлов находится алюминий – это химически активный металл. Он легко окисляется кислородом воздуха, вследствие чего на его поверхности образуется тонкая стекловидная пленка. Но эта пленка обладает высокими защитными свойствами.
В IV группе находятся коррозионностойкие металлы – олово, свинец, стойкость которых тоже объясняется образованием прочных защитных пленок.
Металлы, находящиеся в четных рядах больших периодов, в V, VI и VII группах, обладают высокой способностью к пассивации, а следовательно, большой коррозийной стойкостью. Это ванадий, хром, кобальт и др.
Наиболее коррозионностойкие металлы находятся в VIII группе, причем чем больше их атомная масса, тем больше их устойчивость. Следовательно, из металлов VIII группы наиболее коррозионностойкие осмий, иридий и платина.
Коррозия приводит к техногенному засорению нашей планеты. В настоящее время на земном шаре ежегодно выплавляется более 0,7 млрд т стали, а уничтожается коррозией от 10 до 25% этой величины. Средняя продолжительность жизни стальных изделий составляет около 15 лет. Таков же средний возраст изделий из многих цветных и черных металлов.
Знаменитая Эйфелева башня (7,3 тыс. т металлических конструкций) давно была бы уничтожена коррозией, если бы каждые 7 лет ее не покрывали краской. На окраску уже затрачены средства, превышающие стоимость самого сооружения.
Коррозия, ржавчина, подобно ненасытному дракону, настоящему рыжему дьяволу, сжирает миллиарды тонн железа и приносит громадный ущерб во всех странах. Никакие предохранительные покрытия, смазки, лаки, краски, использование сплавов не могут предотвратить болезни металлов – окисление, распыление, ржавление.
Евгений Юрьевич Поляков
Коррозия, рыжая крыса,
Грызет металлический лом.
Над домом моим ржавая крыша
И скоро провалится пол.
Коррозия - «тихий» враг экономики
Условие задачи : 31 марта 2019 года Эйфелевой башне исполнится 130 лет. Вес её металлической конструкции 7300 тонн. В результате атмосферной коррозии толщина стальных конструкций башни уменьшается на 1,2∙10 -4 м в год (плотность металла 7750 кг/м 3 , общая площадь 250 000 м 2 ). Какую массу теряла бы башня каждый год и за какое время разрушилась бы полностью, если бы каждые 7 лет её не покрывали краской?
Постройте график зависимости массы теряемого металла от времени.
На покраску Эйфелевой башни каждый раз тратят около 60 тонн краски. Сколько весит башня сейчас?
1) Найдём объём слоя металла, который может быть разрушен коррозией за 1 год. Для этого толщину слоя разрушаемого в течение года металла умножим на площадь стального изделия:
1,2·10 -4 ·2,5∙10 5 = 30 (м 3 /год).
2) Найдём массу вычисленного объёма металла. Для этого объём металла умножим на его плотность:
30·7750 = 232500 (кг/год).
3) Найдём время, за которое башня разрушилась бы полностью. Для этого массу металлической конструкции разделим на массу металла, разрушаемого за год:
7300 000:232500 = 31,4 (год).
4) Найдём число покрасок башни. Для этого возраст башни разделим на периодичность покраски:
5) Найдём массу израсходованной за всё время краски. Для этого число покрасок умножим на массу краски, затрачиваемой на одну покраску:
18∙60 = 1080 (тонн).
6) Найдём сегодняшний вес Эйфелевой башни. Для этого сложим её исходную массу и массу всей израсходованной краски:
Урок 9. Коррозия металлов и её предупреждение
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению видов коррозии, особенностям химической и электрохимической коррозии, методам защиты металлических изделий от коррозионного разрушения.
Анодное покрытие – способ защиты металлического изделия от коррозии, когда защищаемый металл покрывается металлическим покрытием из более активного металла.
Газовая коррозия – разрушение металла в среде агрессивных газов (кислорода, оксида серы, хлороводорода) обычно при высоких температурах.
Гальванокоррозия – вид электрохимической коррозии, при которой два контактирующих металла в среде электролита образуют коррозионный гальванический элемент с возникновением электрического тока между металлами.
Жидкостная коррозия – разрушение металла в жидкостях, не проводящих электрический ток (органические растворители, нефтепродукты).
Ингибиторы – вещества, вводимые в коррозионную среду, в результате чего снижается её окисляющая способность.
Катодная защита – способ защиты металла от коррозии, когда защищаемое металлическое изделие подсоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока.
Катодное покрытие – способ защиты металла от коррозии, когда металлическое изделие покрывается тонким слоем из менее активного металла.
Коррозия – разрушение металла в результате окислительно-восстановительных реакций между металлом и окружающей средой
Осушение – удаление из окружающей среды влаги для предотвращения возникновения коррозии.
Протекторная защита – способ защиты металла от коррозии, когда к защищаемому металлическому изделию присоединяют кусок другого, более активного металла.
Химическая коррозия – разрушение металла в среде, не проводящей электрический ток.
Электрокоррозия – вид электрохимической коррозии, возникающей в среде электролита под действием внешнего электрического поля.
Электрохимическая коррозия – разрушение металла в среде электролита при контакте двух металлов с образованием коррозионного элемента и возникновением электрического тока.
Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.
Дополнительная литература:
1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.
2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.
Открытые электронные ресурсы:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
Коррозия и её виды
Коррозия металлов – процесс разрушения металлического изделия в результате окислительно-восстановительной реакции металла с окружающей средой. В зависимости от механизма различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия происходит в среде, не проводящей электрический ток. К этому виду коррозии относится газовая коррозия, в результате которой металл разрушается под действием агрессивных газов: кислорода, оксида серы, хлороводорода. Газовая коррозия обычно происходит при высоких температурах. Другой вид химической коррозии – жидкостная коррозия, которая возникает в агрессивных жидкостях, не проводящих электрический ток, например, в органических растворителях или нефтепродуктах.
Электрохимическая коррозия происходит в среде электролитов, которые хорошо проводят электрический ток. Различают два вида электрохимической коррозии: гальванокоррозия и электрокоррозия. Гальванокоррозия возникает в месте контакта двух металлов, наличия в металле примесей, разной температуры на соседних участках металлов, разной концентрации электролитов в среде, контактирующей с металлом и в случае разной концентрации кислорода на соседних участках металла. Например, в чугуне примеси углерода и карбида железа играют роль катода, на котором происходит восстановление молекулярного кислорода в присутствии паров воды: 2Н2О + О2 + 4е → 4ОН-, а железо становится анодом и окисляется.
Fe 0 – 2e → Fe 2+ . В результате среда становится щелочной, образуется сначала «белая» ржавчина Fe(ОН)2: Fe 2+ + 2OH - → Fe(ОН)2↓, которая окисляется кислородом воздуха во влажной среде до трёхвалентного гидроксида железа.
4Fe(ОН)2↓ + 2Н2О + О2 → 4Fe(ОН)3↓, Fe(OH)3 + nH2O → Fe2O3·xH2O (ржавчина).
Если в атмосфере присутствует большое количество кислых газов (СО2, SO2, NO2), то при растворении их в воде образуются кислоты. В кислой среде коррозия идет ещё интенсивнее. В присутствии кислорода на катоде образуется вода, а в бескислородной среде выделяется водород.
На аноде: Fe0 – 2е → Fe2+;
На катоде: О2 + 4Н+ + 4е → 2Н2О
или в бескислородной среде: 2Н+ + 2е → Н20↑.
Ионы железа образуют соли с кислотными остатками образовавшихся при растворении газов кислот. В дальнейшем под действием кислорода воздуха, соли двухвалентного железа окисляются до солей трёхвалентного железа.
Электрокоррозия возникает под действием на металл электрического тока от внешнего источника постоянного тока. Часто она происходит под действием блуждающих токов от рельсов электротранспорта, от плохо изолированных опор линий электропередач. Участок, на который попадает ток от внешнего источника, заряжается отрицательно и становится катодом. На нём происходит восстановление элементов среды. А соседний участок становится анодом, на нём металл окисляется.
Факторы, увеличивающие скорость коррозии
Возникновение коррозионного гальванического элемента увеличивает скорость коррозии. При контакте двух металлов более активный металл отдает электроны менее активному. Возникает электрический ток. Активный металл растворяется и в результате реакции со средой, и за счет передачи электронов менее активному металлу. Принятые электроны менее активный металл отдает в окружающую среду, таким образом, окисление активного металла и восстановление компонентов окружающей среды происходит быстрее. Скорость коррозии зависит от количества кислорода, который контактирует с металлом. Железный гвоздь, погруженный в воду на половину своей длины, разрушается быстрее всего, так как доступу кислорода ничего не препятствует. Гвоздь, полностью погруженный в воду, разрушается медленнее, так как количество кислорода, участвующего в реакции, ограничивается скоростью растворения кислорода в воде. В пробирке, где сверху воды налили масло, коррозия идет медленнее всего, так как масло препятствует поступлению кислорода в воду.
Методы защиты металлов от коррозии
Одним из распространённых методов защиты металлов от коррозии является нанесение защитных покрытий. Покрытия бывают металлическими и неметаллическими. Если металлическое изделие покрыто слоем более активного металла, покрытие называют анодным. Если покрытие изготовлено из менее активного металла, оно называется катодным. Неметаллические покрытия – это различные эмали, лаки, краски, резиновые, битумные и полимерные покрытия. По отношению к железу анодными покрытиями будут цинковые, хромовые, алюминиевые покрытия. Эти покрытия защищают металл даже в случае появления царапин или трещин. Так как покрытие изготовлено из более активного металла, оно является анодом по отношению к защищаемому металлу и будет разрушаться. Защищаемое металлическое изделие разрушаться не будет. Катодные покрытия обычно делают из малоактивных металлов. Это никель, олово, свинец, медь, серебро, золото. Из-за низкой активности такие металлы слабо подвергаются воздействию коррозии, но в случае нарушения покрытия, возникнет коррозионный элемент, в котором анодом станет защищаемое металлическое изделие. Оно начнет разрушаться. Защитные оксидные покрытия на поверхности металла можно создать путем химической обработки концентрированной азотной кислотой (пассивация алюминия, хрома), концентрированным раствором щелочи и горячего масла (воронение), фосфорной кислотой и её кислыми солями (фосфатирование).
Эффективным, но дорогим методом защиты металлов от коррозии является введение в сплав антикоррозионных легирующих добавок: хрома, никеля, молибдена, титана. Для повышения стойкости к коррозии в кислой среде в сплав добавляют кремний.
К методам электрохимической защиты относятся протекторная и катодная защита. Протекторная защита предусматривает закрепление на защищаемом изделии пластин из активного металла: цинка, алюминия, магния. Попадая в агрессивную среду, протектор становится анодом, начинает разрушаться, а металлическое изделие, являясь катодом, не разрушается до полного разрушения протектора. Катодная защита производится путём подсоединения защищаемого металлического изделия к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного электрического тока. В результате защищаемый металл приобретает отрицательный заряд и становится катодом. В качестве анода используют вспомогательный кусок металла (железный лом, старый рельс), который заземляют.
Важным направлением предотвращения коррозии металлов является снижение агрессивности окружающей среды. Для этого проводят осушение почвы, воздуха. В жидкие среды добавляют ингибиторы – вещества, реагирующие с окислительными компонентами среды и снижающие скорость коррозии. Для борьбы с блуждающими токами проводят надёжную изоляцию токопроводящих конструкций, организацию бесстыкового пути.
Предотвращение потерь металла от коррозии позволит не только сберечь тонны металла, но и предотвратить аварии на производстве и транспорте, сберечь человеческие жизни.
ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ
Условие задачи: В результате атмосферной коррозии толщина стального изделия уменьшается на 0,12 мм/год. Потерю какой массы стального изделия плотностью 7750 кг/м 3 и площадью 10 м 2 можно предотвратить путем нанесения лакокрасочного покрытия, которое сохраняет свои защитные свойства в течение 4 лет? Ответ запишите в виде целого числа в килограммах.
Шаг первый: необходимо перевести скорость коррозии из мм/год в м/год.
Шаг второй: Найдём объём слоя металла, который может быть разрушен коррозией за 1 год. Для этого толщину слоя разрушенного в течение года металла умножим на площадь стального изделия:
Шаг третий: Найдём массу вычисленного объёма металла.
Шаг четвёртый: Найдём массу металла, которая могла бы разрушиться за 4 года. Для этого массу сохранённого за год металла умножим за 4 года:
Условие задачи: Через железную решётку, предохраняющую от попадания в канализацию крупного мусора, проходит 20 м 3 воды в сутки. Содержание кислорода в воде 1 % от объёма воды. Какая масса железа окислится за 6 месяцев использования решётки, если на окисление металла расходуется 60% содержащегося в воде кислорода? Ответ записать в килограммах в виде целого числа.
Шаг первый: найдём объём кислорода, который содержится в 20 м 3 воды.
Шаг второй: Найдём объём кислорода, который проходит в воде через решётку в течение 6 месяцев.
Шаг третий: Найдём объём кислорода, который расходуется на окисление железа. Для этого умножим найденный объём кислорода на 60 и разделим на 100:
Шаг четвёртый: Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с кислородом в нейтральной среде:
Шаг пятый: Найдём массу железа, окисленного 21600 л кислорода.
Разработка урока по теме коррозия металлов (11 класс базовый)
План урока.
Цели урока: сформировать понятие о коррозии металлов, рассмотреть классификацию коррозионных процессов, способы защиты металлов от коррозии. Рассмотреть влияние коррозии на здоровье человека. Рассмотреть экологические проблемы, связанные с коррозией металлов.
Оборудование: заранее подготовленные образцы р-ра соляной кислоты, серной, поваренной соли и набор железных гвоздей.
учащимся – Р-р HCl, 2 пробирки CFe, Fe + C₄ учителю - H₂SO₄ + Fe
пробирка № 1 – раствор хлорида натрия + ж. гвоздь
пробирка № 2 - раствор хлорида натрия + ж. гвоздь обвитый медной пров.
пробирка № 3 - раствор хлорида натрия + ж. гвоздь + цинк
пробирка № 4 – вода + ж. Гвоздь, компьютер, экран, проектор
Тип урока: изучение нового материала.
1. Вступительное слово учителя.
Тема, которую мы будем рассматривать, - коррозия металлов.
Мы должны выяснить, что такое коррозия металлов? Какие виды коррозии бывают? Как протекает этот процесс? Какова роль коррозии в жизни человеческого общества и зачем её изучать? Какие способы защиты от неё существуют? Какое влияние может оказать коррозия на здоровье человека?
Урок мы будем проводить с использованием ИКТ. После закрепления материала подведем итоги работы.
2. Коррозия металлов.
«Ржа ест железо» - гласит русская народная поговорка. Ржавчина , которая появляется на поверхности стальных и чугунных изделий, - это яркий пример коррозии. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы коррозируют , но не ржавеют. И так, что же такое коррозия металлов?
Коррозией металлов называют самопроизвольный процесс разрушения металлов и изделий из них под воздействием окружающей среды.
Коррозию можно классифицировать:По механизму процесса Электрохимическая
По характеру разрушения металла различают коррозию сплошную и местную.
Сплошная коррозия распределяется равномерно по всей поверхности металла или сплава (например, процесс ржавления сплавов железа на воздухе или их взаимодействие с сильными кислотами).тПри местной коррозии её очаги распределяются неравномерно – в виде коррозионных пятен или точек, что особенно опасно для промышленной химической аппаратуры.
Химическая коррозия металлов – это разрушение металлов в результате их химического взаимодействия с веществами окружающей среды.Наиболее распространённым 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. 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃
Электрохимическая коррозия – это разрушение металлов, 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).
Давайте рассмотрим химическую коррозию металлов на воздухе.
Как протекает этот процесс? Вспомним, что представляет собой воздух?
Ученик: - Это смесь газов, которая имеет состав по объёму:
Азот 78%
Кислород 21%
и др газы
Учитель: Железо под воздействием O₂ , H₂ O и ионов водорода постепенно окисляется. Этот процесс является окислительно-восстановительным, где металл является восстановителем. Коррозия железа может быть описана упрощённым уравнением
4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃
Fe º - 3e = Fe³⁺
Oº₂ + 4e = 2O²¯
Fe(OH)₃ и является ржавчиной.
Проведём такой опыт
Взяли две пробирки, налили в них воду. В одной из них воду прокипятили. Поместили в обе пробирки по очищенному железному гвоздю. Закрыли колбы пробками. Где пойдёт процесс коррозии быстрее?
Учитель: В этом опыте мы выяснили роль кислорода воздуха в коррозии железа. Давайте сделаем вывод: кислород является одним из агрессивных её факторов. Если кислород является одним из агрессивных её факторов, тогда почему вода в алюминиевом чайнике при нагревании кипит, но не действует на металл, и чайник служит довольно долгое время?Ученик: алюминий – очень активный металл и теоретически с водой должен был бы взаимодействовать в соответствии с уравнением 2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂
Однако его поверхность покрывается плотной плёнкой оксида AlO, которая защищает металл от воздействия воды и кислорода. Учитель: значит окисная плёнка защищает металл от воздействия воды и кислорода. Особенно разнообразные процессы химической коррозии встречаются в среде кислот, щелочей, солей, а также в расплавах солей и других веществ. Большие неприятности связаны с хлоридом натрия (в некоторых странах используют отход производства – хлорид кальция), разбрасываемым в зимнее время на дорогах и тротуарах для удаления снега и льда. В присутствии солей они плавятся, и образующиеся растворы стекают в канализационные трубопроводы. Соли и особенно хлориды являются активаторами коррозии и приводят к ускоренному разрушению металлов, в частности транспортных средств и подземных коммуникаций.
Основополагающим звеном для понимания электрохимических процееов является ряд напряжения металлов. Металлы можно расположить в ряд, который начинается с химически активных и заканчивается наименее активными благородными металлами.
РЯД НАПРЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe? Cd, Tl, Co, Tl, Co, Ni,Sn, Pb, H, Sb, Bi, As, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
Рассмотрим влияние различных электролитов на процесс коррозии металлов.
В пробирку № 1 – раствор хлорида натрия + ж. гвоздь
В пробирку № 2 - раствор хлорида натрия + ж. гвоздь обвитый медной пров.
В пробирку № 3 - раствор хлорида натрия + ж. гвоздь + цинк
В пробирку № 4 – вода + ж. гвоздь
Результаты опытов 1 и 2. В обоих случаях железо находилось в одном и том же растворе, но в одном случае оно соприкасалось с медью, а в другом – нет. И там и здесь произошла коррозия, и появился бурый осадок ржавчины. Но в опыте 1 ржавчины получилось мало, а в опыте 2 – много. Результаты опытов 1 и 3 в обоих случаях железо находилось в одном и том же растворе, но в одном случае оно соприкасалось с цинком, а в другом – нет. Наблюдается сильная коррозия, но в опыте 2 осадок бурого цвета – ржавчина, а в опыте 3 осадок белого цвета – это гидроксид цинка. Следовательно, в опыте 3 коррозировало не железо, а цинк. Таким образом, железо практически не коррозирует, если оно соприкасается с цинком. Сравним результаты опытов 1 и 4.
Ученик: Добавка к воде хлорида натрия усилила коррозию металла. Учитель:Мы убедились, что коррозия – это универсальное явление не только для железа, но и для всех металлов. Рассмотрим работу гальванического элемента.
Сущность работы гальванического элемента.
Сначала наполним химический стакан вместимостью 250 мл до середины 10%-ным раствором серной кислоты и погрузим в неё не слишком маленькие куски цинка и меди. К обоим электродам приклепаем медную проволоку, концы которой не должны касаться раствора. Пока концы проволоки не соединены друг с другом, мы будем наблюдать растворение цинка, которое сопровождается выделением водорода. Цинк, как следует из ряда напряжения, активнее водорода, поэтому металл может вытеснять водород из ионного состояния. На обоих металлах образуется двойной электрический слой. Разность потенциалов между электродами проще всего обнаружить с помощью вольтмера. Непосредственно после включения прибора в цель стрелка укажет примерно 1В, но затем напряжение быстро упадёт. Рассмотрим процессы в медно-цинковом элементе несколько подробнее. На катоде цинк переходит в раствор по следующему уравнению: Zn = Zn²⁺ + 2e
На медном аноде разряжаются ионы водорода серной кислоты. Они присоединяют электроны, поступающие по проволоке от цинкового катода, и в результате образуются пузырьки водорода: 2H⁺ + 2e = H₂
Через короткий промежуток времени медь покроется тончайшим слоем пузырьков водорода. При этом медный электрод превратится в водородный, а разность потенциалов уменьшится. Учитель: А теперь поговорим о способах защиты металлов от коррозии.
1. Способы защиты от коррозии.
легирование металлов, т.е. получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путём присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной.
нанесение на поверхность металлов защитных плёнок: лака, краски, эмали , других металлов. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идёт на кровли домов, а из второго изготавливают консервные банки. И то и другое получают главным образом протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла. Покрытия из цинка и олова (так же, как и других металлов) защищают железо от коррозии при сохранении сплошности. При нарушении покрывающего слоя (трещины, царапины) коррозия изделия протекает даже более интенсивно, чем без покрытия. Это объясняется «работой» гальванического элемента железо – цинк и железо – олово.
введение ингибиторов (замедлителей коррозии).
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.
Влияние коррозии на организм человека и роль коррозии в жизни человеческого общества. Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Коррозия приводит к уменьшению надёжности 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 её качества. Один из американских миллионеров, не жалея денег, решил построить самую шикарную яхту. Её 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 ещё 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 под действием влажного воздуха железо, особенно на острие лезвия, окисляется и покрывается рыхлым слоем ржавчины.
Чтобы предотвратить глобальные катастрофы на судах, фабриках, заводах, нужно упорно изучать методы защиты от этой проблемы. И в то же время необходимо найти применение коррозии металлов. Одним из направлений может быть её применение для разрушения конструкций в труднодоступных местах. Изучая коррозию более подробно, мы видим, что она оказывает как отрицательное, так и положительное 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 зелёный цвет. Та же «ржавчина» снабжает железом нашу кровь и придаёт ей красный цвет, т.е. Fe – кроветворное, Fe² - противоязвенное и противоожоговое средство.
3. Закрепление.
1. Требуется скрепить железные детали. Какими заклёпками следует пользоваться медными или цинковыми, чтобы замедлить коррозию железа? Ответ обоснуйте.
2. Как называются вещества, замедляющие коррозию?
3. Введение каких элементов в сталь повышает её коррозионную стойкость?
4. К стальному днищу машины была предложена протекторная защита. Какой металл 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?
4. Подведение итогов. Выставление оценок с частичным комментарием
5.Домашнее задание: параграф 21, составить кроссворд по теме «Коррозия металлов»
Урок по химии на тему "Коррозия металлов" (11 класс)
Цель: Сформировать понятие о коррозии металлов, рассмотреть классификацию и причины коррозионных процессов, изучить способы защиты металлов от коррозии.
Образовательные:
1)Расширить представление учащихся о коррозии металлов, её видах и способов защиты от неё.
2)Подвести учащихся к осознанию практической значимости знаний о коррозии, способах защиты, посредством ознакомления с областями применения этих знаний.
3)Создать условия для развития умений анализировать результаты демонстрационного эксперимента, практических умений в работе с реактивами.
Развивающие :
1)Развивать познавательный интерес к урокам химии, используя компьютерные технологии.
2)Предоставить возможность учащимся определиться в возможности применения знаний, т.е. научиться, практически, защищать металлы от коррозии в быту.
Воспитательные:
1)Воспитывать бережное отношение к окружающей среде.
2)Формировать умения работать в коллективе, считаться с мнением всей группы и отстаивать корректно свое мнение.
Оборудование: : образцы изделий, подверженных коррозии, таблицы « Виды коррозии», «Методы защиты от коррозии»; Мультимедийное оборудование -компьютер, проектор, экран; компьютерная презентация « Коррозия металлов и сплавов»
Пробирки с заранее подготовленными (за 2 дня) образцами эксперимента по изучению условий коррозии -
пробирка №1 - раствор хлорида натрия +ж.гвоздь
пробирка №2 - раствор гидроксида натрия +ж.гвоздь.
пробирка №3 - раствор хлорида натрия +ж.гвоздь обвитый медной пров.
пробирка №4 раствор хлорида натрия +ж.гвоздь +цинк
пробирка №5- медная пластина + раствор хлорида натрия;
Образцы металлических изделий и сплавов, с разными способами защиты металла от коррозии.
Форма организации учебной деятельности : фронтальная, групповая, индивидуальная.
I. Организационный момент
Приветствие, настрой на работу
II. Проверка знаний учащихся
1. Пользуясь электрохимическим рядом напряжений металлов, приведите не менее двух примеров реакций, характеризующих химические свойства металлов и их соединений, по схемам:
2. Напишите уравнение реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Сульфат алюминия → хлорид алюминия → гидроксид алюминия → оксид алюминия → алюминат калия.
Ответ : А l2(SO4)3 + 3BaCl2 = 2AlCl3 +3BaSO4
2AlCl3 + 3NaOH = 3NaCl + Al(OH)3
2Al(OH)3 = Al2O3 +H2O
Al2O3 +2KOH =2KAlO2 + H2O.
(Выполняет на доске).
III. Изучение нового материала
Постановка учебной задачи
Учитель: Сегодня мы с Вами продолжаем говорить о металлах, их общих свойствах. Тема, которую мы будем рассматривать, волновала человечество издавна, как только оно начало применять металлические изделия.
На слайде представлены следующие изображения: (Слайд № 2-6).
Как часто вы встречаетесь с явлением разрушения металлов?
А как называется это явление? (ржавление, коррозия)
Итак, мы сегодня изучаем процесс коррозии металлов .
Вред, наносимый коррозией, огромен. А чтобы победить противника, его нужно хорошо знать
Цель урока: сформировать представление о коррозии металлов как самопроизвольном окислительно-восстановительном процессе, ее последствиях, причинах, механизме и способах защиты металлов от коррозии Слайд № 8
1. Понятие о коррозии : Слайд № 9
• Коррозия - это процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов под влиянием внешней среды
( от лат. corrosio разъедание).
2. Сущность коррозии Слайд № 10
Переход металла в ионное состояние
Ме - ne à Me
Виновники коррозии:
Вода, оксиды серы, углерода, азота, кислород воздуха, электролиты, микроорганизмы и др.
Ø Древнегреческий историк Геродот ( V в. до н. э.) и древнеримский ученый Плиний старший ( I в. н.э.) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины.
Ø В Х I Хв. Г.Деви и М.Фарадей изучают электрохимическую коррозию.
Ø В 1830г. Швейцарский ученый Де ла Рив сформулировал первую теорию коррозии.
Ø В начале 30хг.ХХв. А.Н.Фрумкин изучал амальгамы металлов.
Ø В 1935г. А.И.Шултин и Я.В.Дурдин сформулировали теорию электрохимической коррозии.
4. Информационная страница.
1 - Каковы последствия коррозии нам сообщит группа №1 . Слайд № 13-18
«Ржа ест железо» - так гласит русская пословица о коррозии. Коррозия наносит прямой ущерб, ежегодно от неё теряется около1/3 произведённого за год во всём мире металла, но и косвенно разрушает конструкции, на которые был затрачен труд (машины, крыши, памятники архитектуры, мосты…) Тратятся ежегодно огромные средства на борьбу с этим явлением. Коррозия нещадит памятники архитектуры: Царь-пушку (1586г), Царь – колокол (1735 г), Медный всадник в Санкт-Петербурге, памятник Минину и Пожарскому в Москве, только в этом случае налёт тёмно-зелёный, его называют патиной. Неизлечимо больна Эйфелева башня – символ Парижа, она изготовлена из обычной стали и необратимо ржавеет и разрушается. Башню красили 18 раз, отчего её масса(9000тонн) каждый раз увеличивается на 70 тонн.
В результате коррозии уменьшается прочность, блеск, снижается электропроводность, возрастает трение между деталями.
Чтобы найти методы защиты металлов и сплавов от коррозии, необходимо исследовать это явление.
Знакомство с видами коррозии. Коррозия многолика. Слайд № 19 - 23
5. Классификация видов коррозии
Коррозионные процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых они протекают. Поэтому пока нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии.
По типу агрессивных сред, в которых протекает процесс разрушения, коррозия может быть следующих видов:
Коррозия в неэлектролитах;
Коррозия в электролитах;
Коррозия блуждающим током.
По условиям протекания коррозионного процесса различаются следующие виды:
Коррозия при неполном погружении;
Коррозия при полном погружении;
Коррозия при переменном погружении;
Коррозия при трении;
Коррозия под напряжением.
По характеру разрушения :
Сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность:
Локальная (местная) коррозия, охватывающая отдельные участки:
Главная классификация производится по механизму протекания процесса .
Различают два вида:
Химическая Электрохимическая
Происходит в не проводящей Происходит в токопроводящей
электрический ток среде. Такой вид среде (в электролите) с
коррозии проявляется в случае возникновением внутри системы
взаимодействия металлов с сухими электрического тока. Условия
газами или жидкостями – для электрохимической
(бензином, керосином и др.) 1) контакт двух металлов;
2) наличие электролита.
Выяснения условий протекания коррозии.
Химическая коррозия Слайд № 24 -25
Химическая коррозия металлов — это разрушение металла окислением его в окружающей среде при контакте с газами и электролитами без возникновения электрического тока в системе.
· Этот вид коррозии наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах.
· Протекают окислительно-восстановительные химические реакции.
· Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные плёнки. Если плёнки прочные, плотные и хорошо связаны с металлом, то они защищают металл от дальнейшего разрушения ( у Zn , Al , Cr , Ni , Sn , Pb и др.). Если плёнка рыхлая ( как у Fe ), то она не защищает металл от дальнейшего разрушения.
· 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.
Учитель: Железо под воздействием O2 , H2О и ионов водорода постепенно окисляется. Этот процесс является окислительно-восстановительным, где металл является восстановителем. Коррозия железа может быть описана упрощенным уравнением
Fe(OH) 3 и является ржавчиной. Содержащиеся в воздухе CO2 и SO2 могут взаимодействовать с водой, с образованием кислот, при диссоциации которых образуются ионы Н + , также окисляющие атомы металлов: Fe 0 + 2H + à Fe 2+ + H 2 0
Проведем такой опыт Опыт № 1.
Взяли 2 пробирки, в 1 поместили очищенный железный гвоздь, налили в пробирки водопроводной воды, так, чтобы вода покрывала гвоздь только наполовину.
Во вторую налили кипяченой воды так, чтобы вода покрывала гвоздь только наполовину.
В 1 пробирке часть гвоздя над водой покрылась ржавчиной больше, чем под водой.
Во 2 – коррозия - меньше
В этом опыте мы выяснили роль кислорода воздуха в коррозии железа.
Вывод : кислород является одним из агрессивных факторов коррозии.
Электрохимическая коррозия Слайд № 26 -27
Электрохимическая коррозия — это разрушение металла в среде электролита с возникновением внутри системы электрического тока.
· Процесс происходит при соприкосновении двух металлов или на поверхности металла, содержащего включения.
· Более активный металл (анод) разрушается.
· Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы по своей активности (чем дальше друг от друга они расположены в ряду напряжений)
Опытным путём установили, что металл быстрее окисляется ионами водорода, если он находится в контакте с менее активным металлом.
При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO2, образуется гальванический элемент, так называемый, коррозионный элемент. В ней происходит медленное растворение металлического материала с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом.
Большие неприятности связаны с хлоридом натрия (в некоторых странах используют отход производства – хлорид кальция), разбрасываемым в зимнее время на дорогах и тротуарах для удаления снега и льда. В присутствии солей они плавятся, и образующиеся растворы стекают в канализационные трубопроводы. Соли и особенно хлориды являются активаторами коррозии и приводят к ускоренному разрушению металлов, в частности транспортных средств и подземных коммуникаций.
6. Экспериментальная страница Группа учащихся заранее закладывает опыты, ведут за ними наблюдения, фиксируют их Цель: Исследовать влияние сред, контактов металлов на скорость коррозии
Практическая часть.
При использовании металлических материалов очень важен вопрос о скорости их коррозии. Для того, что бы убедиться, мы решили провести опыт в различных средах и с различными металлами. Для проведения опыта мы приготовили 5 стаканов и 5 железных гвоздей.
1й пробирка – заполнили поваренной соли и опустили в него гвоздь.
2й стакан – заполнили гидроксидом натрия и опустили в него гвоздь.
3й стакан – заполнили поваренной солью, к гвоздю прикрепили медную проволоку и опустили в стакан.
4й стакан - заполнили поваренной солью, к гвоздю прикрепили предварительно зачищенную наждачной бумагой цинковые пластинки и опустили в стакан.
5й стакан - заполнили водопроводной водой с поваренной солью, добавили в раствор гидроксид натрия и опустили в него железный гвоздь.
Итоги опыта :
1й стакан – железо слабо прокорродировало, в чистой воде коррозия идет медленнее, так как вода слабый электролит. В данном случае мы наблюдаем химическую коррозию.
2й стакан – химическая коррозия. Но здесь скорость коррозии гораздо выше, чем в первом случае, следовательно, хлорид натрия увеличивает скорость коррозии.
3й стакан – железный гвоздь в контакте с медной проволокой опущен в раствор хлорида натрия. Скорость коррозии очень велика, образовалось много ржавчины. Следовательно, хлорид натрия – это сильнокоррозионная среда для железа, особенно в случае контакта с менее активным металлом – медью.
4й стакан – так же наблюдается коррозия цинка, железный гвоздь остается без изменений.
5й стакан – железный гвоздь опущен в раствор хлорида натрия, к которому добавили гидроксид натрия. Коррозия железа в данном случае отсутствует.
А (+) на железе на меди К(-)
Выводы: Мы убедились на опыте, что коррозию железа можно уменьшить помощью гидроксида натрия. Он замедляет процесс коррозии, а гидроксид анионы являются ингибиторами, то есть замедлителями коррозии. Из наблюдений можно сделать вывод, что для протекторной защиты можно использоватьцинк, так как железо не разрушается при контакте с ним.
Проблема коррозии появилась, как только появился первый металл. Очевидно, её никогда не удастся разрешить полностью, и самое большое, на что можно рассчитывать в настоящее время – это замедлить «Возвращение металлов к природе».
Великий Гёте сказал: «Просто знать ещё не всё, знания нужно уметь использовать»
Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел или покрытием другими металлами. В трудах древнегреческого историка Геродота ( V век до н.э.) уже упоминается о применении металла олова для защиты железа от коррозии.
Один из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии — нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали. Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги.
В производстве широко используют химическое нанесение металлических покрытий на изделия: цинк, олово, хром, никель.
Ингибиторы коррозии металлов. Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. 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.
Пассивация металлов – образование на поверхности металла плотной оксидной плёнки. 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.
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.
IV. Закрепление
1. Что же такое коррозия?
2. При каких условиях коррозия протекает интенсивно?
3. Коссворд «Коррозия»
4. Задача 1.Что случилось со знаменитой Кутубской колонной?
Уже полтора тысячелетия стоит на одной из площадей Дели железная колонна высотой 8 метров, диаметром 65 см, весом 6.5 тонн. И, несмотря на жаркий климат Индии, на ней нет ни единого ржавого пятнышка. Чем это можно объяснить?
Ответ. Это объясняется тем, что колонна сделана из чистого (метеоритного) железа. А чистое железо не ржавеет.
Задача 2 . В 20-е годы ХХ в. с одним американским миллионером произошла неприятная история. По его заказу была построена роскошная яхта “Зов моря”. Для обшивки корпуса яхты использовался сплав никеля с медью, известный под названием монель-металл. Этот сплав отличался чрезвычайно высокой стойкостью во многих агрессивных средах, в том числе и в морской воде. Другие детали корпуса судна были изготовлены из специальных нержавеющих сталей, т.е. материалов, содержащих железо. Но когда яхту спустили на воду, она полностью вышла из строя. Объясните, что послужило причиной гибели яхты.
Ответ : Причиной была контактная коррозия. 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.
Задача 3. 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.
Ответ. У Колосса Родосского бронзовая оболочка была смонтирована на железном каркасе. Под действием влажного, насыщенного солями средиземноморского воздуха железный каркас разрушился.
V. Домашнее задание § 18, с 221-227,
№ 15 – 20, с. 259 (запишите схемы гальванических элементов)
Читайте также: