Тема урока: «Коррозия металлов»
1. Вступительное слово учителя
2. Коррозия металлов
2.1 Способы защиты от коррозии
2.2 Влияние коррозии на организм человека и роль коррозии в жизни человеческого общества
3. Закрепление
4. Подведение итогов
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 (за 4-5дней) образцы —
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
Тип урока: изучение нового материала.
1. Вступительное слово учителя
Учитель: 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 ее изучать? Какие способы защиты от нее существуют? Какое влияние может оказать коррозия на здоровье человека?
Урок мы будем проводить с использованием компьютерных технологий. 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:
Сплошная коррозия распределяется равномерно по всей поверхности металла или сплава (например, процесс ржавления сплавов железа на воздухе или их взаимодействие с сильными кислотами).
При местной коррозии ее 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 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.
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 объему:
Диоксид углерода 0,031%
Благородные газы 0,935% , а остальное примеси
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.
Проведем 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 пойдет процесс коррозии быстрее?
Ученик:— Признаки реакции появились быстрее в пробирке с некипяченой водой.
Учитель: В этом опыте мы выяснили роль кислорода воздуха в коррозии железа. Давайте сделаем вывод:
Вывод: кислород является одним из агрессивных ее факторов.
Представьте себе такую установку: колба, в которую помещены железные опилки, закрыта пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опущен в стакан с подкрашенной водой, вода поднимается по трубке. Как объясните это явление?
Учитель : Если кислород является одним из агрессивных ее 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
Однако его поверхность покрывается плотной пленкой оксида Al2O3, которая защищает металл от воздействия воды и кислорода.
Учитель: значит окисная пленка 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 процессов 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, К, Ва, Sr, Са, Mg, Al, Be, Mn, Zn, Cr, Ga, Fe, Cd, 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 нее 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 вольтметра. Непосредственно после включения прибора в цепь стрелка укажет примерно 1 В, но затем напряжение быстро упадет.
Рассмотрим процессы в медно-цинковом элементе несколько подробнее. На катоде цинк переходит в раствор по следующему уравнению:
На медном аноде разряжаются ионы водорода серной кислоты. Они присоединяют электроны, поступающие по проволоке от цинкового катода, и в результате образуются пузырьки водорода:
Через короткий промежуток времени медь покроется тончайшим слоем пузырьков водорода. При этом медный электрод превратится в водородный, а разность потенциалов уменьшится. Этот процесс называют поляризацией электрода. На практике применяют гальванические цепи, электроды которых не поляризуются, или цепи, поляризацию которых можно устранить, добавив деполяризаторы.
Учитель: А теперь поговорим о способах защиты металлов от коррозии.
2.1 Способы защиты от коррозии
1. легирование металлов, т.е. получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной
2. нанесение на поверхность металлов защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов.
Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а из второго изготавливают консервные банки. 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.
3. введение ингибиторов (замедлителей коррозии)
Проведение эксперимента. В пробирку на 1/5 объема налили разбавленную серную кислоту, затем поместили в нее железные стружки. Довели до кипения. Наблюдали выделение пузырьков газа водорода.
Затем в эту же пробирку добавили ингибитор уротропин (1 измельченную таблетку). Уротропин можно заменить тиомочевиной или сухим горючим. Реакция с кислотой прекратилась.
4. протекторный метод защиты от коррозии
Цинк электрохимически защищает железо от коррозии. На этом принципе основан протекторный метод защиты от коррозии металлических конструкций и аппаратов. Английское слово «претект» – означает защищать, предохранять
2.2 Влияние коррозии на организм человека и роль коррозии в жизни человеческого общества
Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Коррозия приводит к уменьшению надежности работы оборудования: аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ. Коррозия приводит к простоям производства из-за замены вышедшего из строя оборудования, к потерям сырья и продукции. Коррозия также приводит к загрязнению продукции, а значит, и к снижению ее качества. Один из американских миллионеров, не жалея денег, решил построить самую шикарную яхту. Ее днище было обшито дорогим металлом (сплав 70% никеля и 30% меди), а киль, форштевень и раму руля изготовили из стали. В морской воде в подводной части яхты образовался гальванический элемент с катодом из металла, а анодом из стали. Он настолько энергично работал, что яхта еще до завершения отделочных работ вышла из строя, ни разу не побывав в море. Иногда зубные коронки, изготовленные из различных металлов (золота и стали) и близко расположенные друг к другу, доставляют их носителям неприятнейшие болевые ощущения. Поскольку слюна является электролитом, эти коронки образуют гальванический элемент. Электрический ток протекает по десне и вызывает зубную боль.
Способность металлов пассивироваться широко используют для их защиты от коррозии. Например, известно, что хранение лезвий безопасных бритв в растворах солей хромовых кислот позволяет дольше сохранять их острыми. Так как под действием влажного воздуха железо, особенно на острие лезвия, окисляется и покрывается рыхлым слоем ржавчины.
Чтобы предотвратить глобальные катастрофы на судах, фабриках и заводах, нужно упорно изучать методы защиты от этой проблемы. И в то же время необходимо найти применение коррозии металлов. Одним из направлений может быть ее применение для разрушения конструкций в труднодоступных местах. Изучая коррозию более подробно, мы видим, что она оказывает как отрицательные, так и положительные влияние. Разрушение металлов и сплавов можно применить как один из способов борьбы с космическим мусором. Если бы железо, подобно серебру и золоту, не ржавело, то мы не существовали бы, и ни одно растение не зеленело бы на Земле. Растворённая в воде его ржавчина составляет часть пищи растений и придаёт им зеленый цвет. Та же «ржавчина» снабжает железом нашу кровь и придаёт ей красный цвет.
3. Закрепление
- 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?
4. Подведение итогов
Домашнее задание:. составьте кроссворд по теме «Коррозия металлов».
Источник
Для чего нужно изучать коррозию металла
- Главная
- Список секций
- Химия
- ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Проходя по улице, мы иногда видим старые металлические конструкции либо автомобили, покрытые рыжим налетом. Это называется ржавчиной, а ржавчина — одна из разновидностей коррозии.
Коррозия бывает не только на металлах, также могут «стареть» разрушаясь и неметаллические вещества, и вещества, содержащие в себе металлы с неметаллами. Это приносит большой вред: из-за коррозии разрушаются постройки и здания, многие вещи приходят в непригодность. Это несет вред как экономике, так и жизни человека.
Я попытаюсь изучить явление коррозии металлов и ответить на ряд вопросов, попутно вызывая интерес аудитории к этому процессу.
Цель работы: понять сущность процесса коррозии и ее влияния на окружающий мир.
Задачи:
1. Ознакомиться с историей открытия данного явления
2. Изучить виды коррозии и причины ее возникновения
3. Узнать ее влияние на экономику и безопасность и найти способы защиты от нее
4. Убедиться в приведенных доводах на практике
Объект: образцы металлических изделий
Предмет: исследование коррозионных процессов.
Гипотеза работы: если основательно изучить процессы коррозии, то их возможно контролировать.
Дата и место проведения практической части:
14 марта – 23 марта 2017 года;
Лаборатория кабинета химии МАОУСОШ №5 с углубленным изучением химии и биологии.
2. Основная часть
2.1. История открытия коррозии
История открытия коррозионных процессов берет свое начало от конца 18 века. Существовало много разных теорий, но самыми значимыми являлись 5 из них:
Кислотная теория коррозии — по ней двуокись углерода (также впоследствии добавилась двуокись серы) является основным фактором ржавления. Соединяясь с водой, она образует кислоту, которая, взаимодействуя с металлом, создает продукты коррозии в виде солей этой кислоты.
Пероксидная теория коррозии — по ней при взаимодействии с металлом воздуха и воды происходит образование оксида металла и пероксида водорода, а затем это соединяется и образует коррозионные продукты реакции.
Коллоидная теория — по ней гидраты коллоидального железа являются катализатором процесса коррозии.
Электрохимическая теория — по ней ржавление железа объясняется образованием местных гальванических элементов на поверхности металла.
Фильмовая теория — по ней на поверхности любых металлов образуется оксидная пленка, которая либо останавливает коррозию, либо продолжает.
2.2. Определение металлической коррозии и ее виды
Коррозия — самопроизвольное разрушение какого-либо материала под воздействием внешней среды, в случае с металлической коррозией — разрушение металлов. Но важно понять, что вещество не разлагается и никуда не пропадает, а только изменяется!
Обычно коррозии подвергаются металлы активные и средней активности. Такие как благородные металлы (серебро, золото, платина) и в принципе малоактивные корродируют только в особых условиях и с трудом.
Существуют разные виды классификаций металлической коррозии (Приложение 1), но основным является классификация по типу протекания процесса:
Химическая коррозия – тип коррозии, характеризующийся отсутствием каких-либо электролитов (исключение – вода) в среде протекания процесса, например окисление кислородом. Это явление стоит в основе другого явления – пассивации – появлении тонкого слоя продукта коррозии, который защищает от последующего окисления металла. Примеры такого окисления:
Электрохимическая коррозия – тип коррозии, характеризующийся присутствием электролитов в среде протекания процесса, содержащих какой-либо окислитель и сопровождающийся появлением тока. Этот процесс заключается в анодном растворении металла и катодном восстановлении окислителя, например:
А) Анодные реакции:
Cu 0 + nH2O = Cu 2+ + nH2O + 2e —
Б) Катодные реакции:
На коррозийную стойкость металлов влияет их чистота: чем больше примесей, тем быстрее корродирует.
Следующим видом классификации металлической коррозии является деление по типу агрессивных сред:Газовая коррозия — тип коррозии, которому подвергаются металлы при нахождении в среде газов при высоких температурах, например, чугун, находясь в среде водорода, может обезуглероживаться, выделяя метан, либо при нахождении железа в атмосфере угарного газа, при этих условиях образуется пентакарбонил железа.Атмосферная коррозия – тип коррозии, при котором металлы корродируются, подвергаясь влиянию кислорода, углекислого или сернистого газа, сероводорода и остальных во влажной среде, особенно хорошо она протекает в морском воздухе из-за наличия солей.Подземная (Почвенная) коррозия – тип коррозии, протекающий в почве. Металлы подвергаются коррозии из-за наличия в почве воды и растворов солей. Скорость и сила данного типа зависят от:
1. Кислотности почвы
2. Солевого состава почвы
3. Наличия микроорганизмов
Последний пункт относится к типу биологической коррозии, при котором металлы и сплавы разрушаются из-за жизнедеятельности организмов.Также существует радиоактивная коррозия, возникающая в результате воздействия на сплав или металл радиоактивным излучением.
Также коррозию делят по условиям протекания процесса:Контактная коррозия – при контакте металлов;Щелевая коррозия – при близком расположении нескольких поверхностей; Коррозия при погружении:
3. ПеременномКоррозия при трении;Коррозия под напряжением:
Коррозионные процессы разделяют по характеру разрушения:
2.3. Влияние на экономику и безопасность внешней среды
Начиная со времен освоения железа, коррозия заставляет нести огромные убытки. Из-за нее разрушаются трубопроводы, детали машин, поездов, судов, самолетов, домов и зданий, мостов, морских конструкций и технологическое оборудование. На восстановление уходят огромные деньги, а коррозия не останавливается. По расчетам, на это уходит около 2-4% ВВП стран. Также непрямое влияние коррозии влияет на трату денег в данную область, например затраты на увеличение износостойкости. Из-за коррозии происходят утечки различных танкеров (нефтяных, газовых), хранилищ ресурсов. Это приводит к загрязнению окружающей среды и, опять же, большим экономическим затратам. По статистике, 30% производимой продукции из металла просто исчезает из-за коррозионных процессов.
2.4. Методы защиты металлов от коррозии
Широко применяются следующие основные решения защиты металлических конструкций от коррозии: активный, пассивный и конструкционный (Приложение 2).
Активный заключается в наложении постоянного электрического тока на металл (катодная защита) либо в контактировании этого металла с более активным (протекторная защита).
Пассивный заключается в наложении на металл защитных покрытий: металлических (цинкование, хромирование, никелирование, лужение), неметаллических (покраска, эмалирование, лакирование), оксидных (оксидирование – чернение и воронение).Конструктивный включает использование сплавов и добавления в них короззионностойких металлов.
Разработка и производство новых металлических конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости путем устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов), или введения в сплав новых компонентов, сильно повышающих коррозионную устойчивость (например, хрома в железо, марганца в магниевые сплавы, никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы).
Положительный результат дает обработка коррозионной среды с целью снижения коррозионной активности. Примерами такой обработки могут служить: нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии.
Часто применяется переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким материалам (пластические высокополимерные материалы, стекло, керамика).
Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей (исключение неблагоприятных металлических контактов или их изоляция, устранение щелей и зазоров в конструкции, устранение зон застоя влаги, ударного действия струй и резких изменений скоростей потока в конструкции).
Для гарантированной защиты от коррозии следует использовать материалы с максимальными показателями гидрофобности, водоотталкивания, низких газо- и паропроницаемости, препятствующих доступу воды и кислорода к поверхности металла.
3. Практическая часть
Для проведения практической части я использовал железные пластинки и гвозди, а также в некоторых опытах цинк и медную проволоку. Предварительно взвесив все образцы на лабораторных весах, в I части работы (опыты 1 — 11) я поместил образцы в узкие пробирки, и опустил их в пробирки большего размера с подготовленными растворами. Благодаря этим опытам, я испытал действие коррозионных процессов в разных средах и при разных условиях (Приложение 3). Наблюдения проводил в течение 7 дней.
II часть работы была посвящена вопросу о кислороде, участвующем в коррозионном процессе. В колбу я поместил 4 гвоздя, добавил воду (3-4 мл) и закрыл пробкой с газоотводной трубкой, которую опустил в пробирку с водой, подкрашенной фиолетовыми чернилами. Уже через пару дней я увидел, что гвозди покрылись ржавчиной, а подкрашенная вода в пробирке поднялась по газоотводной трубке на 2 см. Это показывает то, что в процессе коррозии участвует не только вода, но и атмосферный кислород.
В III и IV частях работы я изучил влияние природного ингибитора – отвара чистотела – на коррозионное разрушение металлов, железа в кислоте и цинка в щелочи. Раствор красной кровяной соли использовался в качестве реактива на ионы Fe 2+ .
Все образцы металлов после проведения опытов были извлечены из растворов, промыты, высушены и вновь взвешены на весах.
В результате работы я выяснил, как протекает химическая и электрохимическая коррозия. Убедился, что в данном процессе может участвовать атмосферный кислород. Узнал, что отвар чистотела, формалин и уротропин играют роль ингибиторов коррозии.
Результаты проведенных экспериментов помещены в Приложение 4.
4. Заключение
Металлы и их сплавы подвержены воздействию окружающей среды, из-за которого они разрушаются. Причиной этого является их способность вступать в окислительно-восстановительные реакции и окисляться в них. Это и является металлической коррозией.
Коррозия несет огромный вред производству и инфраструктуре, на защиту и восстановление от нее уходят огромные деньги.
Я изучил историю открытия данного явления, изучил теории ученых прошлых веков, чтобы понять, как воспринимали этот процесс раньше.
Проведя экспериментальную часть, я убедился на личном опыте в том, что такое коррозия, как она выглядит и как протекает, я взглянул на этот процесс с другой стороны. Благодаря изучению свойств этого процесса, результатам практической части и другим источникам я смог узнать и применить способы защиты от коррозии, получив этим возможность контролировать коррозию.
Я достиг цели, поняв сущность этого процесса и донеся ее до слушателей. Гипотеза исследования подтверждена.
5. Список литературы
1. Полосин В. С. Школьный эксперимент по неорганической химии. – М.: Просвещение, 1970
2. Химия. Справочник для школьников и поступающих в вузы, Свердлова Н.Д., изд. АСТ-ПРЕСС КНИГИ, 20163. Химический кружок, Зданчук Г.А., изд. УЧПЕДГИЗ, 1959
4. Хомченко И.Г. Общая химия. – М.: Новая волна,19973. Интернет ресурсыhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Коррозияhttp://www.studfiles.ru/preview/5584371/#2http://himya.ucoz.ru/index/korrozija_metallov/0-329http://art-con.ru/node/4076
6. Приложения
Приложение 1. Классификация коррозионных процессов
Приложение 2. Защита металлов от коррозии
Приложение 3. Фото опытов
1. Взвешивание образцов
2. Образцы металлов
3. Проведение эксперимента
4. Образцы по окончании опытов
Приложение 4. Результаты опытов
Источник
