Кейс учителя химии. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ.

Зябкина О.А, учитель химии МБОУ Митрофановской СОШ Кейс учителя химии СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ Слово   «коррозия»   происходит   от   латинского  corrodere,   что   означает «разъедать».   Хотя   коррозию   чаще   всего   связывают   с   металлами,   но   ей подвергаются также камни, пластмассы и другие полимерные материалы и дерево. Например, в настоящее время мы являемся свидетелями большого беспокойства широких слоев людей в связи с тем, что от кислотных дождей катастрофически страдают памятники (здания и скульптуры), выполненные из известняка или мрамора. Таким   образом,   коррозией   называют   самопроизвольный   процесс разрушения   материалов   и   изделий   из   них   под   химическим   воздействием окружающей   среды.   Процессы   физического   разрушения   к   коррозии   не относят, хотя часто они наносят не меньший вред памятникам культуры. Их называют истиранием, износом, эрозией. Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Среди них   как   конструкционный   материал   явно   выделяется   железо.   Объем промышленного производства железа примерно в 20 раз больше, чем объем производства всех остальных металлов, вместе взятых. Широкое внедрение железа   в   промышленное   строительство   и   транспорт   произошло   на   рубеже XVIII–XIX вв. В это время появился первый чугунный мост, было спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные   дороги.   Началом   же   практического   использования   человеком железа   считается   IX   в.   до   н.   э.   Именно   в   этот   период   человечество   из бронзового   века   перешло   в   век   железный.   Тем   не   менее   история свидетельствует о том, что изделия из железа были известны еще в Хеттском царстве  (древнее   государство   в  Малой   Азии),  расцвет   которого  относят   к XIV–XIII вв. до н. э. В природе, хотя и очень редко, но встречается самородное железо. Его происхождение   считают   метеоритным,   то   есть   космическим,   а   не   земным. Поэтому   первые   изделия   из   железа   (они   изготавливались   из   самородков) ценились очень высоко – гораздо выше, чем из серебра и даже золота. Несмотря на широкое внедрение в нашу сегодняшнюю жизнь полимерных материалов,   стекла,   керамики,   основным   конструкционным   материалом продолжает оставаться железо и сплавы на его основе. С изделиями из железа мы на каждом шагу встречаемся в быту и знаем, как много хлопот доставляют его ржавление и сама ржавчина. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов.  Другие металлы корродируют, но не ржавеют. Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.Строгие   расчеты   показывают,   что   большинство   металлов   имеет склонность   к   коррозии.   Поэтому   удивительно   не   то,   что   металлы корродируют, а то, что изделия из них могут существовать длительное время. Скорость,   с   которой   протекает   коррозия,   не   поддается   теоретическому вычислению.   Как   правило,   она   определяется   опытным   путем.   Скорость прежде   всего   зависит   от   характера   образующихся   продуктов   коррозии   и прочности их сцепления с металлом. Сущность процессов коррозии. Коррозия металлов чаще всего сводится к их окислению и превращению в оксиды. В частности, коррозия железа может быть описана упрощенным уравнением: 4Fe + 3О2 + 2Н2О = 2Fe2O3 ∙ Н2О Гидратированный оксид железа Fe2O3  ∙ Н2О и является тем, что люди называют ржавчиной. Это рыхлый порошок светло­коричневого цвета.  Многие металлы при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет кислороду воздуха и воде проникнуть   в   более   глубокие   слои   и   потому   предохраняет   металл,   от дальнейшего   окисления.   Например,   алюминий  –   очень   активный   металл,   и теоретически с  водой  должен  был бы  взаимодействовать   в  соответствии  с уравнением:  2Аl + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + 3Н2 На самом же деле его поверхность покрывается плотной пленкой оксида Аl2О3, которая защищает металл от воздействия воды и кислорода. По этой причине вода в алюминиевом чайнике при нагревании кипит, но не действует на металл, и потому чайник служит довольно долгое время.  Однако   в   воздухе   часто   содержатся   оксиды   серы,   азота,   углерода   и другие, а в воде – растворенные газы и соли. Поэтому процесс коррозии и его продукты часто не столь простые. Например, бронзовые статуи, корродируя, покрываются   слоем   зеленой   патины,   состав   которой   отвечает   основному сульфату   меди  (II)   (CuOH)2SO4.  Следует   отметить,  что   по   недоразумению патину долго считали основным карбонатом меди (II). Коррозия металлов бывает сплошной и местной. Сплошная коррозия не представляет особой опасности для конструкций и аппаратов, особенно в тех случаях,   когда   потери   металлов   не   превышают   технически   обоснованных норм. Ее последствия могут быть сравнительно легко учтены. Значительно опаснее   местная   коррозия,   хотя   потери   металла   здесь   могут   быть     и небольшими.     Один   из   наиболее   опасных   видов   местной   коррозии   –   это точечная коррозия. Она заключается в образовании сквозных поражений, то есть в образовании точечных полостей – так называемых питтингов. Местной коррозии   благоприятствуют   морская   вода,   растворы   солей,   в   частности галогенидных (хлорид  натрия,  магния  и др.). Опасность  местной  коррозиисостоит   в   том,   что   снижая   прочность   отдельных   участков,   она   резко уменьшает надежность конструкций, сооружений, аппаратов. Особенно   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 снег и лед тают, 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.   Подсчитано, что   только   в   США   применение   солей   для   очистки   дорог   и   тротуаров приводит к потерям на сумму 2 млрд долларов в год в связи с коррозией двигателей   и   0,5   млрд   долларов   в   год   на   дополнительный   ремонт   дорог, подземных магистралей и мостов. Для работников коммунального хозяйства городов привлекательность хлорида натрия заключается в его дешевизне. К сожалению,   пока   не   известно   другое   дешевое   и   эффективное   средство.   В настоящее время выход лишь один – вовремя убирать снег и вывозить его на свалки. Экономически это более чем оправдано. По   своей   сущности  коррозию   делят   на  химическую   и электрохимическую.   Ржавление   железа   или   покрытие   патиной   бронзы   – химическая коррозия. Если эти процессы происходят на открытом воздухе в комнатных   и   особенно   в   природных   условиях,   то   такую   коррозию   часто называют   атмосферной.   В   промышленном   производстве   металлы   нередко нагреваются до высоких температур и в таких условиях химическая коррозия ускоряется.  Многие  знают,  что  при  прокатке  раскаленных  кусков металла образуется окалина. Это типичный продукт химической коррозии. Окалина получается   и   при   простой   разливке   на   воздухе   расплавленного   металла   в изложницы.  Установлено,   что   коррозии   железа   способствует   наличие   в   нем   серы. Современных людей поражает устойчивость к коррозии некоторых античных предметов, изготовленных из железа. Одной из причин этого является низкое содержание в нем серы. Обычно в железо она попадает из каменного угля при доменной выплавке из руд. В далеком прошлом для этой цели использовался не   каменный,  а  древесный   уголь,  который   практически   не   содержит   серы. Сера в железе обычно содержится в виде сульфидов FeS и др. В процессе коррозии   сульфиды   железа   разлагаются   с   выделением   сероводорода   H2S, который является катализатором коррозии. Особенно разнообразные процессы химической коррозии встречаются в различных   химических   производствах.   В   атмосфере   водорода,   метана   и других   углеводородов,   оксида   углерода   (II),   сероводорода,  хлора,   в   среде кислот,   щелочей,   солей,   а   также   в   расплавах   солей   и   других   веществ протекают   специфические   реакции   с   вовлечением   материала   аппаратов   и агрегатов,   в   которых   осуществляется   химический   процесс.   Задачаспециалистов при конструировании реактора – подобрать металл или сплав, который был бы наиболее устойчив к компонентам химического процесса. Строго отделить химическую коррозию от электрохимической трудно, а иногда и невозможно.  Дело  в  том,  что электрохимическая  коррозия часто связана с наличием в металле случайных примесей или специально введенных легирующих добавок. Многие   неопытные   химики   в   разное   время   были   озадачены   тем,   что иногда реакция Zn + H2SO4 = ZnSO4 + Н2 , описанная во всех учебниках, не идет. Более опытные специалисты знают, что в   такой   ситуации   в   раствор   нужно   добавить   немного   сульфата   меди   (II) (медного купороса). В этом случае на поверхности цинка выделится медь CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu и водород начнет бурно выделяться. Для объяснения данного явления в 1830 г.   швейцарским   химиком   А.   де   ля   Ривом   была  выдвинута  первая электрохимическая теория коррозии. Она заключается в следующем: Zn  =  Zn2+  + 2 e К   медному   катоду   подходят   ионы   водорода,   принимают   электроны   и превращаются в атомы, а затем и в молекулы водорода: Н+ + e (Сu) = Н; 2Н = Н2 Таким   образом,   потоки   движения   ионов   разделены,   и   при   избытке кислоты процесс протекает до тех пор, пока не растворится весь цинк. Сущность первой электрохимической теории состоит в том, что примеси в металлах создают микрогальванические элементы, в которых происходит перетекание   электронов   от   анодных   участков   к   катодным.   Поскольку катодный   и   анодный   процессы   разделены   на   поверхности,   то   разделены   и противоположные потоки ионов, атомов и молекул. Разделенные потоки не мешают друг другу, и по этой причине процесс коррозии протекает быстрее, чем в случае отсутствия микрогальванических элементов. Конечно,   в   настоящее   время   теории   электрохимической   коррозии выглядят   гораздо   более   совершенными.   Они   основаны   на   многочисленных экспериментальных фактах и выражены в математической форме.  Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в результате коррозии трубопроводов, деталей   машин,   судов,   мостов,   морских   конструкций   и   технологического оборудования.   Коррозия   приводит   к   уменьшению   надежности   работы оборудования: аппаратов высокого давления, паровых котлов, металлических контейнеров для токсичных и радиоактивных веществ, лопастей и роторов турбин, деталей самолетов и т. д. С учетом возможной коррозии приходится завышать прочность этих изделий, а значит, увеличивать расход металла, что приводит к дополнительным экономическим затратам. Коррозия приводит к простоям   производства   из­за   замены   вышедшего   из   строя   оборудования,  кпотерям сырья и продукции (утечка нефти, газов, воды), к энергетическим затратам   для   преодоления   дополнительных   сопротивлений,   вызванных уменьшением проходных сечений трубопроводов из­за отложения ржавчины и других   продуктов   коррозии.   Коррозия   также   приводит   к   загрязнению продукции,   а   значит,   и   к   снижению   ее   качества.   Затраты   на   возмещение потерь,   связанных   с   коррозией,   исчисляются   миллиардами   рублей   в   год. Специалисты   подсчитали,   что   в   развитых   странах   стоимость   потерь, связанных с коррозией, составляет 3–4 % валового национального дохода. За долгий период интенсивной работы металлургической промышленности  выплавлено огромное количество металла и переведено в изделия. Этот  металл постоянно корродирует. Сложилась такая ситуация, что потери  металла от коррозии в мире уже составляют около 30 % его годового  производства. Считается, что 10 % прокорродировавшего металла теряется (в основном в виде ржавчины) безвозвратно. Возможно, в будущем установится  баланс, при котором от коррозии будет теряться примерно столько же  металла, сколько его будет выплавляться вновь. Из всего сказанного следует,  что важнейшей проблемой является изыскание новых и совершенствование  старых способов защиты от коррозии.