Коррозия металлов и сплавов

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа имени Исхакова Алмаса Салимовича села Уральск

Исследовательская работа по химии

Коррозия металлов и сплавов

Выполнили

учащиеся 9 класса:

Динов Ришат

Камалетдинова Элина

Уржумова Ирина

Руководитель:

Абсаттарова З.С.

Уральск - 2014

Содержание

1. Введение. Цель и задачи……………………………3

2. Обзор литературы…………………………………..4

3. Методика работы……………………………………7

4. Экспериментальная часть………………………… .9

5. Уравнения реакций и выводы…………………… 10

6. Список литературы……………..…………………11

7.Приложения…………...…………………………… 12

3

Введение

Коррозией называется процесс разрушения металлов и сплавов под действием факторов окружающей среды. Экономические потери от коррозии металлов огромны. Скорость коррозии зависит от многих факторов. Для более подробного изучения данного вопроса мы взялись за эту исследовательскую работу.

Цель:

Целью данной исследовательской работы является выявление причины коррозии и зависимости скорости коррозии железных изделий от различных условий

Задачи:

- Изучить литературу о коррозии металлов.

- Подобрать методику проведения исследовательской работы.

- Провести исследования.

- Записать уравнения проведенных реакций.

- Сделать выводы.

4

Обзор литературы

Корро́зия (от лат. corrosio - разъедание) - это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Причина этого разрушения лежит в химических свойствах металлов - в их способности вступать в окислительно-восстановительные реакции с веществами окружающей среды и окисляться.

Пример - кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 6Н2О + ЗО2 = 4Fe(OH)3. Гидратированный оксид железа Fe(OН)3 и является тем, что называют ржавчиной.

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление.

Существуют разные виды коррозии металлов и сплавов. Наиболее распространены два вида:

а) химическая коррозия

б) электрохимическая (1)

Химическая коррозия

Химическая коррозия - взаимодействие поверхности металла или сплава с сухими газами, жидкостями, не являющимися электролитами, твердыми веществами. Суть её заключена в окислении металлов в процессе химического взаимодействия с веществами окружающей среды (газовая, жидкостная коррозия) В этом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом:

4Fe + 3O₂ → 2Fe ₂ О ₃ (кислородом воздуха)

Или: 2Fe+3Cl₂ ---- 2FeCl₃ (в атмосфере хлора)

Химическая коррозия усиливается при высоких температурах (в металлургии, в ракетных двигателях и газовых турбинах при их работе)

Электрохимическая коррозия

Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. Не следует путать с электрохимической коррозией коррозию однородного материала, например, ржавление железа или т. п. При электрохимической коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуется наличие электролита (конденсат, дождевая вода и т. д.), с которым соприкасаются электроды - либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами.

При соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита,

5

например, дождевой воды с растворенным углекислым газом CO2, образуется гальванический элемент. Он представляет собой не что иное, как

замкнутую гальваническую ячейку. В ней происходит медленное растворение металлического материала с более низким окислительно-восстановительным потенциалом; второй электрод в паре, как правило, не разрушается. Этот вид коррозии особо присущ металлам с высокими отрицательными потенциалами. Так, совсем небольшого количества примеси на поверхности металла с большим редокспотенциалом уже достаточно для возникновения коррозионного элемента. Особо подвержены риску места соприкосновения металлов с различными потенциалами, например, сварочные швы или заклёпки. Электрохимическая коррозия усиливается в присутствии сильных электролитов, при наличии в металле примесей, в том числе другого металла. Так, корродирующее действие водопроводной воды как слабого электролита усиливается, если в ней растворены атмосферные газы_ углекислый газ, сернистый газ. Наличие их особенно ощутимо в промышленных районах, вблизи железных и автомобильных дорог.

Если растворяющийся электрод коррозионно-стоек, процесс коррозии замедляется. На этом основана, например, защита железных изделий от

коррозии путём оцинковки - цинк имеет более отрицательный потенциал, чем железо, поэтому в такой паре железо восстанавливается, а цинк должен корродировать. Однако в связи с образованием на поверхности цинка оксидной плёнки процесс коррозии сильно замедляется.

Другие причины коррозии металла

Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название - биокоррозия.(3)

Ущерб от коррозии

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE[6] ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП. По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.(2)

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение этой проблемы является важной задачей. Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не в потере металла как такового, а в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. Вот почему ежегодные потери от неё в промышленно развитых странах столь велики. Истинные убытки от неё нельзя определить, оценив только прямые потери, к которым относятся

6

стоимость разрушившейся конструкции, стоимость замены оборудования, затраты на мероприятия по защите от коррозии. Ещё больший ущерб составляют косвенные потери. Это простои оборудования при замене

прокорродировавших деталей и узлов, утечка продуктов, нарушение технологических процессов. Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно - ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться?(3)

Борьба с коррозией

Идеальная защита от коррозии на 80 % обеспечивается правильной подготовкой поверхности, и только на 20 % качеством используемых лакокрасочных материалов и способом их нанесения. Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии:

- Конструкционный

- Активный

- Пассивный

Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали. При добавлении небольшого количества хрома в сталь на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Содержание хрома в нержавеющей стали - более 12 процентов. Изготавливают сплавы с добавками никеля, кобальта, меди и других металлов.

При проектировании конструкции стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки.

В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).

Красочное покрытие, полимерное покрытие и эмалирование должны, прежде всего, предотвратить доступ кислорода и влаги. Часто также применяется покрытие, например, стали другими металлами, такими как цинк, олово, хром, никель. Цинковое покрытие защищает сталь даже когда покрытие частично разрушено. Цинк имеет более отрицательный потенциал и коррозирует первым. Ионы Zn2+ токсичны. При изготовлении консервных банок применяют жесть, покрытую слоем олова. В отличие от оцинкованной жести, при разрушении слоя олова корродировать, притом усиленно, начинает железо, так как олово имеет более положительный потенциал. Другая возможность защитить металл от коррозии - применение защитного электрода с большим отрицательным потенциалом, например, из цинка или магния. Для этого специально создаётся коррозионный элемент. Защищаемый металл выступает в роли катода, и этот вид защиты называют катодной защитой. Растворяемый электрод, называют, соответственно,

8

Методика второй работы взята из журнала «Химия в школе» №1, 2009 года.

Оборудование

Для исследований взяты 5 железных гвоздей, 5 пробирок, дистиллированная вода, вода с раствором поваренной соли, 6% раствор уксусной кислоты, газоотводная трубка, медная и алюминиевая проволоки, 5 стаканов.

Постановка опыта:

В пять пробирок опустили пять одинаковых гвоздей. Первую пробирку наполнили дистиллированной водой, три пробирки - раствором соли, пятую - раствором уксусной кислоты. Затем во все пробирки пропускали кислород, полученный при разложении перманганата калия до полного вытеснения жидкостей из пробирок, перевернутые вверх дном пробирки опускались в свои собственные растворы и оставлялись на время.

9

Экспериментальная часть

Таблица №1 Наблюдения за вариантами

Наблюдения

12.12

Наблюдения

14.12

Наблюдения

16.12

1

Гвоздь в дистиллированной

воде

Особых изменений нет

Слабые следы ржавчины. Объем воды ниже, чем во 2 пробирке

Слабые следы ржавчины

2

Гвоздь в растворе

соли

Особых изменений нет

Следы ржавчины более выражены, чем в 1. Объем воды выше, чем в 1.

Следы ржавчины выделены сильнее, чем в 1

3

Гвоздь в растворе

соли

в контакте

с алюминием

Особых изменений нет

Следов ржавчины меньше, чем в 4. Объем воды одинаковый с 4.

Разрушение гвоздя слабое, идет окисление алюминия

4

Гвоздь в растворе

соли в контакте

с медью

Особых изменений нет

Следов ржавчины больше, чем во 2. Объем воды выше, чем во 2.

Ржавчина выделена сильнее, чем в 2.

5

Гвоздь в растворе уксусной кислоты

Реакция началась сразу. От гвоздя отрываются пузырьки газа

Следов ржавчины больше, чем во всех пробирках. Объем воды выше, чем во всех

пробирках

Следов ржавчины больше, чем во всех пробирках.

Объем воды выше, чем во всех

пробирках

7

анодом протекторной защиты. Этот метод применяют для защиты от коррозии морских судов, мостов, котельных установок, расположенных под

землей труб. Для защиты корпуса судна на наружную сторону корпуса крепят цинковые пластинки.(1)

Методика работы

Методика первой работы взята из книги «Техника химического эксперимента том 2» с.302 В.Н.Верховского, А.Д.Смирнова, М.. (4) «Просвещение», 1975

Оборудование: железный порошок, вода, пробирки, стаканы, железные перья, листочек цинка, олова, растворы желтой кровяной соли, соляной кислоты, формалина.

1. Доказательство участия кислорода в коррозии

Сполоснули пробирку водой и влажные стенки посыпали железными стружками, вторую пробирку взяли чистую. Обе пробирки опустили в в стакан с водой отверстием вниз. Вода в обе пробирки вошла на одинаковую высоту. Но через 3 часа уровень воды в пробирке с железным порошком поднялась выше. Следовательно в пробирке с железным порошком кислород воздуха вступает в реакцию с железом. Железо коррозирует.

2. Влияние цинка и олова на скорость коррозии железного пера.

Взяли два железных пера, в расщеп первого пера вставили кусочек цинка, в расщеп второго пера - кусочек олова. Оба пера опустили в разные стаканы с растворами желтой кровяной соли.

Уже через несколько минут железо в контакте с оловом начинает разрушаться, и ионы железа образуют с раствором берлинскую лазурь, которая синими струйками стекает с пера. В контакте с цинком перо еще не разрушается.

2. Влияние ингибитора на скорость реакции

В две пробирки налили равные количества раствора соляной кислоты, одинаковой концентрации, и опустили в них два одинаковых гвоздя. В обеих пробирках началась реакция. В одну из пробирок добавили 1 мл раствора формалина. Реакция резко замедляется. Формалин является ингибитором коррозии. (4)

10

Уравнения реакций:

1 работа: 4Fe + 3O₂ → 2Fe ₂ О ₃ (кислородом воздуха)

2 работа: например: FeCl₃ + K₄(Fe(CN)₆)------KFe(Fe(CN)₆+3KCl

4 работа: 4Fe +6H₂O +3O₂-------4Fe (OH)₃

5 работа: Fe + 2CH₃COOH--------H₂ + (CH₃COO)₂Fe

Выводы

1. Коррозия - самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под воздействием окружающей среды.

2. Коррозии подвергается железный гвоздь в водно-воздушной среде.

3. Скорость коррозии зависит от многих факторов.

4. Разрушение железного гвоздя в соленой воде в контакте с кислородом идет быстрее, чем в пресной воде, насыщенной кислородом.

5. Коррозия железного гвоздя усиливается при контакте с менее активным металлом - медью, оловом, замедляется при контакте с алюминием и цинком

6. В среде уксусной кислоты гвоздь разрушается особенно интенсивно.

7. Скорость коррозии могут замедлить ингибиторы, а именно формалин.

11

Список литературы

1. Химия 9 класс(под редакцией Н.Е.Кузнецовой, И.М.Титовой, Н.Н.Гара, А.Ю. Жегина-М.2005) с260-264

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Creative_Commons_Attribution-ShareAlike_3.0_Unported

https://wikimediafoundation.org/wiki

3© www.rmnt.ru/story/metal/автор</</u> статьи Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру

4.В.Н.Верховский, А.Д.Смирнов Техника химического эксперимента, том2 М. 1975, с362

Приложения

Маркировка пробирок

Контакт с медной проволокой

Готовим раствор соли

Заливаем растворы в пробирки

Пробирки залиты растворами

Получаем кислород

Пробирки наполняем кислородом

Исследование начато, осталось ждать…

Через неделю наблюдений…

Так выглядят гвозди после исследований….