Практическая работа коррозия металлов
Цель работы: Изучение влияния некоторых факторов на протекание процессов химической и электрохимической коррозии и методов защиты металлов от коррозии.
Теоретическая часть:
Коррозия - необратимое самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия среды. Химическая стойкость металла характеризуется показателями скорости его коррозии - массовым, объемным, глубинным. Кинетика химической коррозии зависит от свойств оксидной пленки, образующейся на поверхности металла. К поверхности пленки подходит молекулярный кислород, происходят его адсорбция и атомизация. От поверхности атомы кислорода перемещаются вглубь пленки оксида, а им навстречу - ионы металла и электроны. В пленке в одном акте происходит ионизация кислорода и образование химического соединения с металлом.
Для характеристики защитной способности образующейся оксидной пленки применяется коэффициент. Радиус атома – меньше - в этом случае на поверхности формируются защитные оксиды, например, ВеО при добавлении в медь 1% бериллия (Be).
Химическую коррозию предотвращают, насыщая поверхностный слой диффузионным покрытием, например, алюминиевым (актирование), а также плакированием, нанесением жаростойких эмалей, тугоплавких карбидов, смешанных соединений покрытия с основой - шпинелей типа NiCr2О4, NiFe2O4.
Детали, работающие при высоких температурах, можно защищать специальной защитной атмосферой. Для уменьшения газовой коррозии применяют сжигание топлива с недостатком воздуха, используют защитные обмазки и др.
Электрохимическая коррозия протекает при наличии на поверхности металла слоя электролита (растворов солей, кислот или щелочей, атмосферной влаги в почве и т.п.). Сущность электрохимической коррозии заключается в том, что процесс окисления сопровождается полным удалением валентных электронов его атома в передачей их другой частице - деполяризатору Термодинамическая возможность электрохимической коррозии определяется соотношением.
Процессы окисления металла (анодный) и восстановления деполяризатора (катодный) могут протекать на одном и том же участке детали, но в различные моменты времени.Например, при атмосферной коррозии с кислородной деполяризацией происходит анодное окисление железа.
Для защиты от электрохимической коррозии можно применять более благородный металл, что влечет за собой уменьшение коррозионного тока. Это использует метод зашиты - рациональное конструирование. В случае контакта двух металлов желательно, чтобы их потенциалы были близки. Кроме того, конструкция деталей не должна допускать участков, где может скапливаться влага.
Другой метод - электрохимическая зашита; в случае одной из ее распространенных разновидностей - протекторной зашиты вместо анодного участка создают как бы новый, введя в контакт с защищающим металлом более отрицательный металл, по сравнению с которым прежний анод становится катодом. Этой же цели добиваются, подключив защищаемую деталь к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Для нержавеющих сталей в кислотах применяют положительную поляризацию в области потенциалов, отвечающих пассивации.
Для уменьшения скорости электрохимической коррозии целесообразно проводить обработку среды путем уменьшения концентрации деполяризатора за счет нейтрализации кислых сред или удаления кислорода.
КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Цели. Сформировать представления о коррозии с точки зрения окислительно-восстановительных процессов; показать значение коррозии для народного хозяйства; продолжить формирование у учащихся умений устанавливать причинно-следственные связи между строением и свойствами металлов.
Оборудование. Железные гвозди из поставленных ранее опытов по их коррозии в водопроводной воде и «морской» воде (гвоздь без контакта с другим металлом и гвозди в контакте с медью и цинком). (Эксперимент мог быть домашним заданием.)
Коррозия вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в которых металл в результате взаимодействия с каким-либо веществом из своего окружения превращается в нежелательное соединение. Одним из наиболее известных коррозионных процессов является ржавление железа. 20% железа, производимого ежегодно в США, идет на замену железных изделий, пришедших в негодность из-за ржавления.
Различают несколько видов коррозии.
А. По площади и характеру поражения: сплошная, точечная, язвенная, межкристаллическая.
Б. По природе агрессивных сред: воздушная, почвенная, морская, биологическая (вызванная водорослями, моллюсками, плесенью), коррозия в смазке, газовая.
В. По механизму возникновения: химическая, электрохимическая, электрическая (под действием блуждающих токов).
Химическая коррозия
При химической коррозии идет окисление металла без возникновения цепи электрического тока:
Для поверхности алюминия этот процесс благоприятен, т.к. оксидная пленка плотно прилегает к поверхности металла и нет дальнейшего допуска кислорода к металлу.
Почему не рекомендуют варить овощи в алюминиевой посуде? (Кислая среда растворяет оксидную пленку, и алюминий в виде солей поступает в организм человека.)
Оксидная пленка железа очень рыхлая (вспомните какой-либо ржавый предмет – как только вы берете его в руки, остаются следы ржавчины) и не прилегает плотно к поверхности металла, поэтому кислород проникает все дальше и дальше, коррозия идет до полного разрушения предмета.
Электрохимическая коррозия одного металла
При электрохимической коррозии возникает электрическая цепь. При этом могут быть случаи коррозии как одного металла, так и металлов в контакте. Для возникновения электрохимической коррозии нужно наличие кислорода и воды.
Рассмотрим случай, когда контакта металлов нет, причем металл (железо) находится в воздухе.
Некоторые участки поверхности железа служат анодом, на котором происходит его окисление
(E° – стандартный электродный потенциал):
Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B.
Образующиеся при этом электроны перемещаются по металлу к другим участкам поверхности, которые играют роль катода. На них происходит восстановление кислорода:
Этот процесс иллюстрируется на рис. 1.
Рис. 1.
Схема электрохимической коррозии железа
без контакта с другими металлами
В восстановлении кислорода участвуют ионы Н + . Если концентрация Н + понижается (при повышении рН), восстановление О2 затрудняется. Замечено, что железо, находящееся в контакте с раствором, рН которого выше 9–10, не корродирует.
В процессе коррозии образующиеся на аноде ионы Fe 2+ окисляются до Fe 3+ :
Поскольку роль катода обычно играет та часть поверхности, которая лучше всего обеспечена притоком кислорода, ржавчина чаще всего появляется именно на этих участках. Если вы внимательно осмотрите лопату, простоявшую некоторое время на открытом воздухе с налипшей на лезвии грязью, то заметите, что под грязью на поверхности металла образовались углубления, а ржавчина появилась повсюду, куда мог проникнуть О2.
С усилением коррозии в присутствии солей часто сталкиваются автомобилисты в тех местностях, где в зимнее время для борьбы с гололедицей дороги обильно посыпают солью. Влияние солей объясняется тем, что образуемые ионы создают электролит, необходимый для возникновения замкнутой электрической цепи.
Наличие анодного и катодного участков на поверхности железа приводит к созданию на ней двух неодинаковых химических окружений. Они могут возникнуть вследствие присутствия примесей или дефектов в кристаллической решетке (по-видимому, обусловленных напряжением внутри металла). В местах, где есть примеси или дефекты, микроскопическое окружение конкретного атома железа может вызвать некоторое увеличение или уменьшение его степени окисления по сравнению с «нормальными» атомами в кристаллической решетке. Поэтому такие места способны играть роль анодов или катодов. Сверхчистое железо, в котором количество подобных дефектов сведено к минимуму, намного меньше корродирует по сравнению с обычным железом.
Кутубская колонна
в Индии
Классический пример – знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели, которая уже почти полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. Сделана она из железа, в котором почти нет примесей. Как удалось древним металлургам получить такой чистый металл, до сих пор остается загадкой.
В начале прошлого столетия по заказу одного американского миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище ее было обшито монель-металлом (сплав меди и никеля), а рама руля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода (монель-металла), стального анода и раствора электролита – морской воды.
Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя, так что «Зов моря» остался в истории мореплавания как пример конструкторской недальновидности и самонадеянного невежества. Попробуем разобраться, что же произошло.
Рассмотрим контакт двух металлов на примере олова и железа.
Железо часто покрывают другим металлом, например оловом, цинком или хромом, чтобы защитить от коррозии. Так называемую «белую жесть» получают, покрывая тонким слоем олова листовое железо. Олово защищает железо до тех пор, пока защитный слой остается неповрежденным. Стоит его повредить, как на железо начинают воздействовать воздух и влага, олово даже ускоряет процесс коррозии, потому что служит катодом в электрохимическом процессе. Сравнение окислительных электродных потенциалов железа и олова показывает, что железо окисляется легче олова:
Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B,
Sn (тв.) = Sn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,14 B.
Поэтому железо служит в этом случае анодом и окисляется, как показано на рис. 2.
Рис. 2.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и олова
Оцинкованное железо получают, покрывая его тонким слоем цинка. Цинк защищает железо от коррозии даже после нарушения целостности покрытия. В этом случае железо в процессе коррозии играет роль катода, потому что цинк окисляется легче железа (рис. 3):
Zn (тв.) = Zn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,76 B.
Следовательно, цинк играет роль анода и корродирует вместо железа.
Рис. 3.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и цинка
Электрическая коррозия (электрокоррозия)
Блуждающие токи, исходящие от трамвая, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок, работающих на постоянном токе, вызывают электрокоррозию. Такие токи разрушают подземные металлические сооружения, трубопроводы, электрокабели, приводят к появлению на металлических предметах, находящихся в земле, участков входа и выхода постоянного тока. Вследствие этого на металле образуются катодные и анодные зоны, причем анодные зоны, т.е. места выхода тока, подвергаются коррозии (рис. 4).
Рис. 4.
Схема электрокоррозии
под действием блуждающих токов:
1 – провод; 2 – рельс; 3 – влажный грунт;
4 – труба; 5 – электродвигатель трамвая;
6 – сопротивление в стыке рельса
Блуждающие токи достигают 300 А и действуют в радиусе нескольких десятков километров. Процесс в анодных зонах:
Fe – 2e = Fe 2+ .
Процессы в катодных зонах:
2H + + 2e = H2
Блуждающие токи от источников переменного тока вызывают слабую коррозию у подземных изделий из стали и сильную у изделий из цветных металлов.
Коррозия металлов протекает непрерывно и причиняет огромные убытки. Подсчитано, что прямые потери от коррозии железа составляют около 10% от его ежегодной выплавки. В результате коррозии металлические изделия теряют свои ценные технические свойства.
Ежегодные потери металла при коррозии оборудования, используемого только в животноводстве, составляют около 60 тыс. тонн. Поэтому защита металлов от коррозии – очень важная задача.
Основные способы защиты от коррозии
1. Защищаемый металл играет роль катода. Такой способ защиты называется катодным (другое название – протекторная защита). Тот металл, который заведомо будет разрушаться в паре, называется протектором. Примеры такой защиты – оцинкованное железо (железо – катод, цинк – анод), «белая жесть» (оловом покрывают листовое железо), контакт магния и железа (магний – протектор). Магниевый анод окружают смесью гипса, сульфата натрия и глины, чтобы обеспечить проводимость ионов. Труба играет роль катода в гальваническом элементе (рис. 5).
Рис. 5.
Катодная защита
железных водопроводных труб
2. Электрозащита. Конструкция, находящаяся в среде электролита, соединяется с другим металлом (обычно куском железа, рельсом и т.п.), но через внешний источник тока. При этом защищаемую конструкцию подключают к катоду, а металл – к аноду источника тока. В этом случае электроны отнимаются от анода источником тока, анод (защищающий металл) разрушается, а на катоде происходит восстановление окислителя. Электрозащита имеет преимущество перед протекторной защитой: радиус действия первой около 2000 м, второй – 50 м.
3. Если металл, например хром, создает плотную оксидную пленку, его добавляют в железо, и образуется сплав – нержавеющая сталь. Такие стали называются легированными.
Многие сплавы, которые содержат незначительное количество добавок дорогих и редких металлов, приобретают замечательную устойчивость к коррозии и прекрасные механические свойства. Например, добавки родия или иридия к платине так сильно повышают ее твердость, что изделия из нее – лабораторная посуда, детали машин для получения стекловолокна – становятся практически вечными.
4. Металл можно пассивировать – обработать его поверхность так, чтобы образовалась тонкая и плотная пленка оксида, которая препятствует разрушению основного вещества. Например, концентрированную серную кислоту можно перевозить в стальных цистернах, т.к. она образует на поверхности металла тонкую, но очень прочную пленку.
5. Ингибиторы (замедлители) коррозии тоже переводят металл в пассивное состояние, образуя на его поверхности тонкие защитные пленки. Пример такого замедлителя коррозии – гексаметилентетрамин (CH2)6N4. В последние годы разработаны летучие, или атмосферные, ингибиторы. Ими пропитывают бумагу, которой обертывают металлические изделия. Пары ингибиторов адсорбируются на поверхности металла и образуют на ней защитную пленку.
6. Защитить металл можно, препятствуя проникновению к нему влаги и кислорода, – например, нанося на металл слой краски или лака. (На покраску Эйфелевой башни уже затратили средств больше, чем при ее создании.)
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА
За неделю до урока были поставлены опыты по коррозии металлов в пробирках с водопроводной (№ 1–4) и «морской» (№ 5–8) водой (рис. 6).
Рис. 6.
Гвозди, помещенные в водопроводную
(пробирки с темными крышками) и «морскую»
(пробирки со светлыми крышками) воду
№ 1 и № 5 – железный гвоздь;
№ 2 и № 6 – железный гвоздь в контакте с цинком;
№ 3 и № 7 – железный гвоздь в контакте с медью;
№ 4 и № 8 – железный гвоздь, покрытый лаком для ногтей.
«Морскую» воду готовят, растворяя в ней соли кальция, магния и натрия.
Рис. 7 демонстрирует результаты опытов по коррозии металлов в «морской» воде.
Рис. 7.
Гвозди, вынутые через неделю
из «морской» воды
№ 5 – наличие слабой ржавчины; № 6 – гвоздь не подвергся коррозии, но цинк уменьшился в размере;
№ 7 – наличие сильной ржавчины, гвоздь уменьшился в размере;
№ 8 – гвоздь не подвергся коррозии (покрыт лаком).
1. Рассмотрите коррозию железа в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 1 и № 5). Где процесс протекает быстрее и чем вы это объясните?
(П р и м е р н ы й о т в е т. В «морской» воде более заметно выражены все проявления коррозии из-за агрессивности среды, которая создается растворимыми солями (гидролиз солей).)
2. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и цинка в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 2 и № 6).
(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с цинком явление коррозии железа практически не выражено. В данном случае электрохимическая коррозия затронула цинк, как более активный металл.)
3. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и медной проволоки в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 3 и № 7).
(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с медью усиливается разрушение железа вследствие электрохимической коррозии, т. к. железо более активный металл, чем медь (в электрохимическом ряду напряжений металлов железо стоит левее меди).)
4. Зарисуйте результаты опытов. Используя рис. 1–3, составьте схемы реакций, происходящих в каждом опыте.
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
1. Напишите схему коррозии на яхте «Зов моря».
2. Поставьте опыты по коррозии железных гвоздей в «Фанте» и в растворе соды. Через неделю принесите гвозди в школу, чтобы обсудить результаты опытов.
3. Рассмотрите процесс коррозии при соединении медной трубы с гальванизированной (оцинкованной) стальной трубой, если обе трубы находятся в земле.
4. Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?
(О т в е т. В местах соприкосновения двух металлов образуется гальванический элемент. Металл, который окисляется легче, играет при этом роль анода, а второй металл – роль катода. Из сравнения стандартных электродных потенциалов алюминия и железа следует, что алюминий будет играть роль анода. Таким образом, вблизи алюминиевого гвоздя водосточная труба будет защищена от коррозии, потому что железо в этой паре играет роль катода. Однако алюминиевый гвоздь в этих условиях быстро корродирует, и в конце концов труба упадет.)
5. Почему цинк не используют при изготовлении консервных банок для покрытия им железа?
(О т в е т. Цинк менее пригоден, чем олово, при изготовлении консервных банок, т. к. расположен левее олова в ряду напряжений металлов, поэтому цинк легче подвергается действию кислот, содержащихся во фруктовых соках.)
Литература
Маршанова Г.Л. 500 задач по химии. М.: Издат-школа «РАЙЛ», 1997; Хомченко Г.П., Цитович И.Г. Неорганическая химия, М.: Высшая школа, 1987; Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Химия. Пособие-репетитор. Под ред. А.С.Егорова. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996; Венецкий С.И. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986.
Практическая работа "Коррозия металлов и способы защиты от коррозии". 11-й класс
Поэтому для лучшего усвоения темы мы не только теоретически повторим все, что нам известно о коррозии металлов, но и выполним практическую работу, набираясь опыта. (Слайд 2) (по ссылке «Цели и задачи урока»)
1) 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?
2) Урок мы будем проводить в форме практической работы, с использованием компьютерных технологий. После закрепления материала подведем итоги работы.
2. Коррозия металлов. (Слайд 3) (по ссылке «Что такое коррозия»)
«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?
Учащиеся: Коррозией металлов называют самопроизвольный процесс разрушения металлов и изделий из них под воздействием окружающей среды.
Учитель: Коррозию можно классифицировать (Слайд 4) (по ссылке «Виды коррозии»). Посмотрим, что нам известно о химической и электрохимической коррозии.
Учащиеся: (Слайд 5) (по ссылке «Химическая») 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. 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
O 0 2 + 4е = 2O 2-
Fe(OH)3 и является ржавчиной.
Учащиеся: (Слайд 6) (по ссылке «Электорохимическая») 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).
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 (раздаточный материал – Электрохимический ряд напряжений металлов)
Учитель: Теперь поговорим о способах защиты от коррозии.
(Слайд 7) (по ссылке «Защита от коррозии»)
Учащиеся комментируют изображения на слайдах: Слайды по ссылкам с возвращением.
(Слайд 8) 1. 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.
(Слайд 9) 2. 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
(Слайд 10) 3. Введение ингибиторов (замедлителей коррозии). Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от лат. «inhibere», что означает сдерживать, останавливать. Они не позволяют агрессивной среде действовать на металл.
(Слайд 11) 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 «protect» – означает защищать, предохранять
3. Практическая работа
Учитель: Сегодня вы выполните эксперименты, позволяющие на практике изучить процесс коррозии и эффективность некоторых способов защиты металлов от коррозии. Сформулируйте цель работы.
Учащиеся (записывают в инструкционную карту): Изучить сущность химической и электрохимической коррозии металлов и эффективность некоторых способов защиты металлов от коррозии.
Учитель: При выполнении работы соблюдайте правила техники безопасности при работе с кислотами, спиртовкой. Внимательно читайте инструкцию и четко выполняйте все указанные действия, наблюдения, уравнения реакций, выводы вписывайте в инструкционную карту.
Учащиеся выполняют работу. (30 мин.)
4. Закрепление изученного материала (тестирование по теме). (Приложение 2)
Учитель: Наш урок подошел к концу. Подведем итог.
(Слайд 12) (по ссылке «Запомните»)
5. Учащиеся подводят итоги практической работы, зачитывая выводы.
6. Домашнее задание: Составить в тетрадях ответ на творческое задание. «Проблемные ситуации – причины и последствия коррозии» (Приложение 3), § 38. (И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская. ХИМИЯ 10 класс. М. «ОНИКС 21 век». «Мир и Образование» 2004.).
Урок-исследование "Коррозия металлов". 11-й класс
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.
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
Знакомство с видами коррозии. Коррозия многолика.
Выяснения условий протекания коррозии.
1. Нетокопроводящая среда.
2. Высокие температуры.
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.
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.
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
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.
Практическая работа № 3
Цель работы: ознакомиться с механизмом процесса коррозии металлов и сплавов, научиться экспериментальным путем определять скорость процесса коррозии и глубину ее проникновения в материал.
Порядок выполнения работы
1. Изучить теоретические сведения.
2. В тетради для практических работ письменно ответить на контрольные вопросы.
Коррозия - процесс разрушения металлов и сплавов из-за химической или электрохимическую взаимодействие с окружающей средой. В результате данного взаимодействия материал постепенно теряет свои механические и технологические свойства и постепенно разрушается.
По характеру взаимодействия металлов с окружающей средой различают два вида коррозии:
- химическая коррозия - процесс химического взаимодействия металла со средой, которая не является проводником электрического тока (газы, жидкие диэлектрики, масла, нефть).
Чаще всего коррозию металла вызывает газовый агент внешней среды (кислород, серный или углеродный газ), который при контакте с поверхностью металла способствует образованию окислов FeO, FeS и так далее. Химическая коррозия протекает как при обычной, так и при высокой температуре, причем при увеличении температуры скорость коррозии возрастает и увеличивается толщина окисной пленки. Степень окисления железа существенно зависит от содержания легирующих примесей: хром, алюминий и кремний является коррозионно-стойкими элементами, сталь с 20% хрома не поддается коррозии даже при 1300 К;
- электрохимическая коррозия - процесс разрушения металла в электролите при прохождении электрического тока, который из-за образования гальванических пар - анодных и катодных участков.
По месту возникновения коррозия делится на три вида:
- равномерная - металл разрушается с одинаковой интенсивностью по всей поверхности. Наиболее характерна для чистых металлов и однородных твердых растворов;
- местная - разрушение концентрируется на отдельных участках детали, проникая вглубь изделия. Ее опасность увеличивается с увеличением неравномерности коррозии;
- межкристаллическая коррозия - разрушение металлов по границам зерен. Внешняя поверхность материала при этом остается чистой, поэтому обнаружить такой вид коррозии очень сложно.
Наиболее простым и информативным методом определения коррозии является метод взвешивания, при котором определяется разность масс образца до и после коррозионных исследований.
Степенью коррозионной стойкости в условиях равномерной коррозии является изменение массы металла, отнесенная к единице площади поверхности и единице времени. Иногда также применяется для определения коррозии по глубине разъедание металла.
Изменение массы образца определяют по формуле
где m0 - масса образца до начала коррозионных испытаний, г 1 - масса образца после коррозионных испытаний, г.
Скорость коррозии, г / (м2 • ч) в данном методе определяют по формуле
где S - площадь поверхности образца, м2; t - продолжительность исследования, ч.
По скорости коррозии определяют величину ее проникновения в образец, мм / ч
где ρ - плотность металла, г / см3.
Для оценки коррозионной стойкости металлов методом взвешивания применяется пятибалльная шкала, а по глубине проникновения коррозии - десятибалльная шкала (табл.3.1).
Читайте также: