III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ
Царегородцев А.М.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


1. Введение

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:

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

2Fe + 3O­2 = 2Fe2O3

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:

Cu0 + nH2O = Cu2+ + nH­2O + 2e-

Б) Катодные реакции:

+ + 2е - = Н2

2О + О2 + 4е ® 4ОН-

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:

1. Неполном

2. Полном

3. ПеременномКоррозия при трении;Коррозия под напряжением:

1. Постоянным

2. Переменным.

Коррозионные процессы разделяют по характеру разрушения:

Сплошная коррозия

Локальная коррозия

Равномерная

Пятнами

Неравномерная

Язвенная

Избирательная

Точечная

-

Сквозная

-

Межкристаллитная

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 Fe2+.

2K3[Fe(CN)6] + 3Fe2+ → Fe3[Fe(CN)6]2 ↓ + 6K+

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

Металл и среда

Масса металла

Наблюдаемые изменения

Вывод

До опыта

После опыта

I. Опыт 1.

Железо и дистиллированная вода

4.5 г

4.45 г

Небольшой осадок зеленого цвета на дне пробирки

В дистиллированной воде железо разрушается медленно

Опыт 2.

Железо и водопроводная вода

4.72 г

4.65 г

Небольшой осадок зеленого цвета, появление "ржавого" кольца на пробирке

В водопроводной воде железо разрушается сильнее

Опыт 3.

Железо, не закрытое полностью водой

4.6 г

4.47 г

Небольшой осадок зеленого и бурого цвета, появление "ржавого" кольца на пробирке

Железо разрушается под действием воды и атмосферного кислорода

Опыт 4.

Железо в воде с 1– 2 каплями йодной настойки

3.3г

3.27 г

Небольшой осадок бурого цвета, появление черных вкраплений на пластинке и "ржавого кольца на пробирке.

Железо разрушается медленно, йод замедляет реакцию

Опыт 5.

Железо в растворе поваренной соли (NaCl)

3.2 г

3.1 г

Осадок бурого цвета по стенкам и на дне пробирки, небольшой налет и появление "ржавого" кольца

Процесс коррозии проходит интенсивно

Опыт 6.

Железо, предварительно протравленное в соляной кислоте, и вода.

3.5 г

3.53 г

Протравленное железо чистое, непротравленное с налетом, появление "ржавого" кольца

Протравленное железо разрушается сильнее

Опыт 7.

Железо в воде с добавлением формалина

3.5 г

3.49 г

Светло-серый осадок, появление яркой границы между пробирками, появление пузырьков воздуха

Формалин замедляет коррозию

Опыт 8.

Железо с уротропином и водой

4.9 г

4.88 г

Появление "ржавого" кольца, железо почти не повреждено, появились черные вкрапления на пластинке

Уротропин замедляет коррозию

Опыт 9.

Железо в воде с добавлением отвара чистотела

3.8 г

3.78 г

Появление белого кольца между пробирками, железо почти не повреждено, появились черные вкрапления на пластинке

Чистотел помогает защитить металл от коррозии

Опыт 10.

Железо в контакте с медной проволокой и раствор поваренной соли (NaCl)

3.15 г

3.12 г

Осадок бурого цвета на дне пробирки, железо почернело, медь не повредилась

Контакт с медью ускорил разрушение железа (электрохимическая коррозия)

Опыт 11.

Железо в контакте с цинком и раствор поваренной соли (NaCl)

3.81 г

3.81 г

Железо не повредилось, появилась черная полоса, цинк покрылся серо-белым хлопьевидным осадком

Цинк разрушается, защищая от коррозии железо

II.

В 1 колбу положил 4 гвоздей, добавил 3-4 мл воды и закрыл пробкой с газоотводной трубкой, которую опустил в пробирку с водой, в колбе (3-4мл) подкрашенной фиолетовыми чернилами

2.15 г

(4шт)

2.13 г

(4шт)

Гвозди покрылись ржавчиной, раствор чернил поднялся на 2 см, в колбе стало больше воды

В процессе химической коррозии участвуют вода и атмосферной кислород

ΙΙΙ

Опыт 1.

Железо, раствор красной кровяной соли и соляная кислота с добавлением воды

Опыт 2.

Железо, раствор красной кровяной соли и соляная кислота с

добавлением отвара чистотела

0.49 г

0.5 г

0.43 г

0.48 г

Раствор стал синего цвета, гвоздь покрылся ржавчиной

Раствор стал светло-зеленым, гвоздь не изменился

Происходит разрушение металла кислотой.

Чистотел замедляет процесс коррозии.

ΙV.

Опыт 1.

Цинк в растворе гидроксида натрия NaOH с добавлением воды

Опыт 2.

Цинк в растворе гидроксида натрия NaOH с добавлением отвара чистотела

0,8 г

0,8 г

0,73 г

0,8 г

Раствор обесцветился, цинк начал ржаветь по краям, появился серо-белый хлопьевидный осадок.

Раствор стал желто-зеленого цвета, цинк не изменился

Происходит разрушение цинка щелочью

Отвар чистотела защищает металл от коррозии