Коррозия не просто уничтожает металл на выплавку которого затрачены огромные усилия

Коррозия не просто уничтожает металл на выплавку которого затрачены огромные усилия

На уроках химии, на лекциях часто по­казывают эффектный опыт горения стальной проволоки в чистом кисло­роде. К счастью, в атмосфере Земли кислород составляет лишь пятую часть, поэтому горение железных и стальных изделий сильно замедляется. Но не пре­кращается! Этот незримый пожар, кото­рый называется коррозией, ежегодно разрушает десятки миллионов тонн вы­плавляемого металла. Коррозия не прос­то уничтожает металл, на выплавку которого были затрачены огромные усилия. Она выводит из строя готовые изделия, а их стоимость неизмеримо вы­ше стоимости самого металла. Коррозия не щадит ни миниатюрные точные дета­ли, ни огромные мосты.

Особенно опасна она в тех местах, где металл находится под нагрузкой. Если с помощью мощного пресса не­много сплющить стальные шарики от подшипников, а затем эти шарики, на­ходящиеся под сильным внутренним напряжением, поместить в разбавлен­ный раствор соляной кислоты, то через некоторое время, когда кислота разъест поверхностный слой, энергия напряже­ния внезапно освобождается, и шари­ки взрываются с громким звуком.

На защиту металлов от коррозии тратятся огромные средства. Например, очень длинные мосты красят непрерыв­но: дойдя до конца (на что уходят иног­да годы), возвращаются к началу. В промышленно развитых странах убытки от коррозии и затраты на защиту от неё достигают почти 5% от национально­го дохода.

Одно из неприятных свойств ржав­чины заключается в том, что она зани­мает намного больший объём, чем ис­ходный металл. Это может вызвать катастрофические последствия: хотя с виду ржавчина кажется рыхлой и мяг­кой, при её росте развиваются гигант­ские усилия. Когда в Лондоне по про­екту Кристофера Рена в 1675—1710 гг. строили грандиозный собор Святого Павла, каменные блоки колокольни для прочности соединили железными ско­бами, которые были уложены в желоб­ки, выдолбленные в камне. За сотни лет скобы проржавели, увеличились в объ­ёме и стали поднимать каменную клад­ку, отчего колокольню перекосило. Инженеры подсчитали: давление, развива­емое ржавчиной, настолько велико, что приподняло бы даже двухкиломет­ровый слой камней! Пришлось разо­брать кладку и вставить в желобки но­вые скобы из нержавеющей стали.

Скорость окисления железа очень сильно зависит от обшей поверхности соприкосновения металла и воздуха. Так, обычный гвоздь, даже если он сильно нагрет, не скоро превращается в окалину. Мелкие опилки при сильном нагреве быстро сгорают, а при внесе­нии в пламя — вспыхивают в виде искр. Химическим способом — восста­новлением оксидов железа водоро­дом — можно получить ещё более мел­кий порошок железа; его называют пирофорным. Он вспыхивает на возду­хе уже при обычной температуре. Пи­рофорными могут быть и многие дру­гие металлы в мелкораздробленном состоянии, а также оксид FeO.

Обычно этот опыт объясняют увели­чением поверхности соприкосновения реагентов. Действительно, у очень мел­кого порошка железа поверхность мо­жет быть огромной. Так, железный ку­бик с ребром 1 см имеет поверхность 6 см 2 , а если бы удалось распилить его на мелкие частицы с ребром 1 мкм (К)- 4 см), то общая площадь их поверх­ности увеличилась бы в 10 тыс. раз и со­ставила бы уже 6 м 2 при неизменных объёме и массе вещества.

Однако только увеличением по­верхности нельзя объяснить очень вы­сокую скорость окисления пирофорно­го железа на воздухе. Ведь железный лист площадью 6 м 2 окисляется очень медленно. Значит, необходимо учи­тывать влияние других факторов. Ока­зывается, чем мельче частицы, тем больше в них имеется нарушений в рас­положении атомов железа в кристалле. Атомы железа в частичках пирофорно­го металла обладают значительно боль­шей реакционной способностью, чем те же атомы на большой «гладкой» по­верхности.

Быстрое сгорание пирофорного же­леза связано также с малой скоростью теплооотвода из зоны реакции. При окислении очень мелкой частицы желе­за теплота реакции не может уйти в глубь металла и в основном расходует­ся на её нагревание. А чем выше тем­пература, тем быстрее скорость реакции. В результате железные пылинки быстро сгорают.

Моделируя различные условия окисления железа, учёные проделали интересный эксперимент. На стеклян­ную пластинку толщиной 0,1 мм напы­лили в вакууме тончайшую плёнку же­леза толщиной всего 0,15 мкм. Затем пластинку вынесли на воздух и быстро нагрели. Теплопроводность стекла не­велика, поэтому почти вся тепловая энергия, выделявшаяся в ходе реак­ции окисления железа, расходовалась на нагрев металлической плёнки. Это привело к необычным последствиям. В плёнке образовывались микроскопи­ческие зародыши продукта реакции — оксида, которые непрерывно росли. При этом скорость роста вглубь состав­ляла 2 мкм в секунду, а в стороны — 1 см в секунду, т. е. в 5 тыс. раз быст­рее. Плёнка фактически сгорала прямо на глазах!

Если на тонкую прозрачную плёнку попадает свет и отражается от наруж­ной и внутренней её границы (очень тонкие плёнки оксида железа прозрач­ны), возникает интересное физическое явление — интерференция света. Имен но этим объясняется появление радуж­ных колец на воде или на мокром ас­фальте, когда на поверхность попада­ет капля машинного масла.

Разная скорость окисления железа вглубь и вширь приводит к тому, что пятно оксида железа в ходе реакции по­лучается неравномерным по толщине: в центре оно толще, по краям — тоньше. Каждой толщине пятна соответствует свой цвет, поэтому пятно оксида окра­шено в разные цвета. Но если плёнка масла на воде не меняется со временем, то толщина оксидного пятна на железе в ходе реакции растёт. В результате цветные кольца бегут от центра к кра­ям. Обычно фиксируется три-четыре цветных волны, после чего железная плёнка полностью переходит в оксид.

Иногда такие волны можно видеть и на поверхности сильно накаливае­мого стального предмета. Когда его поверхность начинает покрываться тонкой плёнкой оксида, возникает яв­ление, которое металлурги называют цветами побежалости: предмет окра­шивается попеременно в разные цвета, начиная с бледно-жёлтого и кончая тёмно-синим.

Источник

Коррозия не просто уничтожает металл на выплавку которого затрачены огромные усилия

В природе малахит рождается там, где медные руды соседствуют с карбонат­ными породами: известняками, доломи­тами и др. Под действием подземных вод, в которых растворены кислород и углекислый газ, мель из руды переходит в раствор. Медленно просачиваясь че­рез пористый известняк, этот раствор взаимодействует с ним, образуя основ­ной карбонат меди — малахит. Обыч­но естественное формирование мине­ралов — процесс крайне медленный. Но иногда кристаллы минералов растут чуть ли не так же интенсивно, как и растения. Лабораторные исследования по­казали, что малахит может расти со ско­ростью до 10 мкм в сутки. Это значит, что в благоприятных условиях слой са­моцвета толщиной 10 см может образо­ваться менее чем за 30 лет. Самую боль­шую глыбу малахита (массой 250 т) нашли на Урале в 1835 г.

Для получения искусственного ма­лахита необходимо использовать гидро­термальный синтез (от греч. «гидор» — «вода» и «термос» — «горячий»). Этот процесс моделирует образование мине­ралов в земных недрах. Он основан на способности воды растворять при высо­кой температуре (до 500 °С) и очень вы соком давлении (до 3000 атм) вещества, которые в обычных условиях прак­тически нерастворимы, например, основной карбонат меди.

Наука » Химия

Латинское наименование меди — Cuprum — происходит от названия острова Кипр, где уже в III в. до н. э. существовали медные рудники. Рус­ское «медь», вероятно, восходит к слову «смида», обозначавшему ме­талл у древних германцев.

Хотя медь иногда встречается в природе в виде самородков (самый большой из найденных весил 420 т), основная её часть входит в состав сульфидных руд, например халькопи­рита (медного колчедана) CuFeS₂. Ре­же встречается минерал малахит — зелёный основной карбонат меди (CuОН)₂СО₃.

Cu, Ag, Au

Наука » Химия

Медь, серебро и золото — эти метал­лы были в числе первых, освоенных человеком. Из них чеканили монеты, изготовляли предметы домашнего обихода, орудия труда и украшения. Со временем серебро и особенно золото стали универсальным мерилом материальных ценностей. Получение золота из других металлов составля­ло предмет алхимии — ярчайшей страницы в истории человеческой мысли, давшей начало современной химии. С тех пор жизнь людей почти до неузнаваемости изменилась, а зо­лото по-прежнему является симво­лом богатства и эталоном ценности.

МЕДАЛЬ ВОЛЛАСТОНА

Наука » Химия

Среди многочисленных знаков отличия, которыми награждают выдающих­ся учёных, есть одна медаль, которая сделана из чистого палладия. Это ме­даль имени Волластона, присуждаемая ежегодно Лондонским геологическим обществом. Чем же так прославился Уильям Хайд Волластон (1766—1828)? Ещё в конце XVIII в. он был мало кому известным лондонским врачом. В то время многие врачи являлись также аптекарями, а значит, и химиками. Волластон оказался неплохим химиком, он изобрёл новый способ изготовле­ния платиновой посуды и наладил её производство.

Разбогатев таким образом, Волластон навсегда оставил медицинскую практику и посвятил себя химии и минералогии. Его основной научной за­дачей стало выделение платины из руд и её очистка. В ходе исследований Волластон отделял и анализировал все примеси. Результатом этих работ стало открытие палладия и родия. Родий учёный назвал так по розовому цвету его солей (от греч. «родон» — «роза»), а палладий получил своё имя в честь недавно открытой немецким астрономом Генрихом Ольберсом ма­лой планеты Паллады (Афина Паллада — греческая богиня мудрости). В 1804 г. Волластон обнаружил в горных породах самородный палладий, а затем сумел изготовить и первый слиток чистого палладия.

В эти же годы английский химик Смитсон Теннант (1761 ——1815) выде­лил ещё два платиновых металла — иридий (от греч. «иридос» — «радуга») и осмий (от греч. «осме» — «запах»; оксид OsO₄ имеет неприятный запах).

МОНЕТЫ VIII ГРУППЫ

Наука » Химия

Считается, что первые в истории чело­вечества монеты были отчеканены в VII в. до н. э. в Лидийском царстве из электрума — природного сплава золо­та с серебром, содержащего до 30% серебра. В последующие века основны­ми монетными металлами стали золо­то, серебро и медь.

Во второй половине XIX в. к этим трём металлам добавился и четвёр­тый — никель. Из чистого никеля от­чеканены, например, современные 50-франковые бельгийские монеты. Но чаше используют медно-никелевый сплав. Интересно, что в древней Бактрии делали монеты из почти сов­ременного медно-никелевого сплава, содержащего 20 % никеля. Этот состав соответствовал естественным рудным залежам.

Случаи использования для изготов­ления монет других металлов VIII груп­пы немногочисленны. В Византии, а также в средневековом Китае и Японии в ходу были железные деньги. Сегодня из железа (вернее, из стали) отчекане­ны монеты Боливии, Бразилии, Нидер­ландов, Индии, Италии и других стран, а также российские и украинские ко­пейки и пятачки. Стальные монеты стойки к истиранию, часто в них есть

легирующие добавки хрома. Так, неко­торые итальянские монеты содержат 18,25% хрома, украинские — 16,82%. Монеты из чистого железа выпускались в Люксембурге и Финляндии.

Источник

Урок-исследование «Коррозия металлов». 11-й класс

Разделы: Химия

Класс: 11

Цели урока: Расширить представление учащихся о коррозии металлов, её видах и способов защиты от неё. Подвести учащихся к осознанию практической значимости знаний о коррозии, способах защиты, посредством ознакомления с областями применения этих знаний. Создать условия для развития умений анализировать результаты демонстрационного эксперимента, практических умений в работе с реактивами.

Оборудование : образцы изделий, подверженных коррозии, 5 стаканов с железным гвоздём, 1стакан — водопроводная вода, 2 стакан — вода с поваренной солью, 3 стакан — вода с поваренной солью и медная проволока, 4 стакан — вода с поваренной солью, алюминиевая проволока, 5 стакан — вода с поваренной солью, гидроксид натрия, оцинкованная пластинка, красная кровяная соль, жесть, кусочек консервной банки, таблицы “Виды коррозии”, “Методы защиты от коррозии”, электронная презентация.

I. Мотивационно-ориентированный этап.

Высокая цель человека науки – проникать в самую сущность наблюдаемых явлений, постичь их сокровенные силы, их законы и течения, чтобы управлять ими

Сегодня нам предстоит провести необычный урок-исследование. Для этого нам придётся перелистать страницы удивительной книги “Мир химии” Классная доска на время станет исследовательским дневником, на ней мы будем записывать всё самое важное и нужное, что удаётся выяснить за время работы. А ваши тетради станут личными дневниками, не забывайте вести записи. Что же является объектом нашего исследования. Это коварный и давний, опасный враг большинства применяемых в технике и быту металлов. Днём и ночью он ведёт наступление на позиции своих недругов. Коварство этого извечного врага в том, что он невидимый, всегда остаётся целым и невредимым. А металлы и сплавы несут огромные потери.

Как же его себе представляют учащиеся 9 класса. (Приложение 1)

Это коррозия. “Рыжий дьявол”, “Ржа ест железо” — так гласит русская пословица о коррозии. Коррозия наносит прямой ущерб, ежегодно от неё теряется около 1/3 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 не щадит памятники архитектуры: Царь-пушку (1586 г.), 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 (9.00 тонн) каждый раз увеличивается на 70 тонн.

В результате коррозии уменьшается прочность, блеск, снижается электропроводность, возрастает трение между деталями.

А это слайды с нашей экскурсии по судоремонтному заводу. Посмотрите, во что превращаются металлические конструкции. (Приложение 2)

Чтобы искать методы защиты от коррозии, необходимо исследовать это явление.

II. Операционно-исполнительный этап.

1. Историческая страница. (Сообщение учащегося)

Геродот, Плиний старший — методы защиты от коррозии

Г.Деви, М. Фарадей — 19 век изучали электрофизическую коррозию

А.Н.Фрумкин – 20 век – амальгамы металлов

Я.В.Дурдин 1935 г. – теория электрохимической коррозии

2. Информационная страница (сообщение учащегося, рассказ по таблице).

Знакомство с видами коррозии. Коррозия многолика.

Выяснения условий протекания коррозии.

1. Нетокопроводящая среда.

2. Высокие температуры.

газовые турбины

Рассмотрение механизма коррозии — самопроизвольный ОВП.

III. Экспериментальная страница. (Приложение 3)

Группа учащихся за месяц закладывают опыты, ведут за ними наблюдения, фиксируют их.

Цель: Исследовать влияние сред, контактов металлов на скорость коррозии.

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.

1-й стакан – заполнили обыкновенной водопроводной водой и опустили в него гвоздь.

2-й стакан – заполнили водопроводной водой, добавили поваренной соли и опустили в него гвоздь.

3-й стакан – заполнили водопроводной водой с поваренной солью, к гвоздю прикрепили медную проволоку и опустили в стакан.

4-й стакан — заполнили водопроводной водой с поваренной солью, к гвоздю прикрепили предварительно зачищенную наждачной бумагой алюминиевую проволоку и опустили в стакан.

5й стакан — заполнили водопроводной водой с поваренной солью, добавили в раствор гидроксид натрия и опустили в него железный гвоздь.

Фотографии начала и итогов опыта. (Приложение 3)

1-й стакан – железо слабо прокорродировало, в чистой воде коррозия идет медленнее, так как вода слабый электролит. В данном случае мы наблюдаем химическую коррозию.

2-й стакан – химическая коррозия. Но здесь скорость коррозии гораздо выше, чем в первом случае, следовательно, хлорид натрия увеличивает скорость коррозии.

3-й стакан – железный гвоздь в контакте с медной проволокой опущен в раствор хлорида натрия. Скорость коррозии очень велика, образовалось много ржавчины. Следовательно, хлорид натрия – это сильно коррозионная среда для железа, особенно в случае контакта с менее активным металлом – медью.

А (+) на железе на меди К (-)

4-й стакан – так же наблюдается коррозия железного гвоздя, алюминиевая проволока остается без изменений, хотя её перед началом опыта была очищена от оксидной пленки наждачной бумагой, вероятно, оксидная пленка образовалась снова.

5-й стакан – железный гвоздь опущен в раствор хлорида натрия, к которому добавили гидроксид натрия. Коррозия железа в данном случае отсутствует.

Выводы: Мы убедились на опыте, что коррозию железа можно уменьшить с помощью гидроксида натрия. Он замедляет процесс коррозии, а гидроксид анионы являются ингибиторами, то есть замедлителями коррозии. Из моих наблюдений можно сделать вывод, что алюминий для протекторной защиты использовать нельзя, так как железо все равно разрушается.

Используя ПСХЭ, сравните коррозионные свойства металлов?

Какова эффективность защиты от коррозии некоторых металлических покрытий?

Демонстрационный эксперимент учителя.

В два стакана с раствором соляной или серной кислот и красной кровяной соли кладутся пластинки.

В первый стакан белая жесть (луженое железо), во второй стакан оцинкованная жесть.

В первом стакане изменился цвет, т.е. железо разрушается. Вот почему луженый бак в местах повреждения быстро ржавеет, а оцинкованный при этих же условиях не разрушается.

IV. Страница практическая.

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”.

Рассказ учащейся о методах защиты от коррозии.

Можно ли коррозия привлечь на службу человеку. (Сообщение учащихся)

V. Оценочно-рефлексивный этап

1. Что же такое коррозия?

2. При каких условиях коррозия протекает интенсивно?

3. Что случилось со знаменитой Кутубской колонной? (Приложение 4)

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?

Это объясняется тем, что колонна сделана из чистого железа. А чистое железо не ржавеет.

4. Объясните слова Анны Ахматовой.

“На рукомойнике моём позеленела медь,
Но так играет луч на нём
Что весело глядеть”.

Какую роль играет патина на бронзовых изделиях?

5. Просмотр видеофрагмента о коррозии статуи свободы в Америке. Объясните увиденное явление.

6. Прочитайте предложенный текст. Найдите и запишите все указанные способы защиты металлов от коррозии.

Как защитить металл от коррозии?

Проблема защиты металлов от коррозии – разрушения под воздействием влаги и воздуха – возникла очень давно, почти сразу, как человек начал их 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. В производстве широко используют химическое нанесение металлических покрытий на изделия.

В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытием железа цинком или оловом. Листовое железо, покрытое цинком, — оцинкованная жесть – используется для изготовления кровли. А из железа, покрытого оловом, — белой жести – изготавливают консервные банки.

Модельный ответ

Способы защиты металлов.

Смазывание жиром.

Смазывание маслом.

Покрытие другими металлами (оловом, цинком).

Нанесение защитных пленок – лак, краска, эмаль.

4 балла: указаны все 4 способа,

3 балла: указаны 3 способа,

2 балла: указаны верно 2 способа

1 балл: указан хотя бы один из приведенных в модельном ответе способов.

VI. Решение задач.

1. Самый главный металл нашей цивилизации — железо. Однако огромная Мааса железа теряется из-за того, что он подвергается коррозии. Определите формулу кислородного соединения железа, которая образуется при коррозии, если оно содержит 72,4% железа и 27,6% кислорода.

2. В присутствии большого количества воды и кислорода коррозия железа на воздухе приводит к образованию гидроксида железа (3). Рассчитайте массу железа, подвергшегося коррозии, если в результате этого процесса получено 11,5 моль вещества. Определите объём (при н.у.) кислорода, участвовавшего в реакции.

3. Сколько железа, хрома, никеля нужно взять для выплавки 480 кг нержавеющей стали, предназначенной для приготовления столовых вилок и ножей? Если нержавеющая сталь содержит 12% хрома, 10% никеля по массе.

И так мы закончили наше исследование, надеюсь, оно вам принесло много интересного и познавательного.

Домашнее задание: стр. 208-214. Упр. 18-20. Для любознательных подготовить презентацию на тему “Коррозия — друг и враг”.

Источник