Коррозия металлов

Урок химии  9- класс

Тема: "Коррозия металлов. Способы защиты металлов от коррозии"

Цель: - сформировать представление о коррозии металлов как самопроизвольном окислительно-восстановительном процессе, её значении, причинах, механизме и способах защиты; показать влияние на скорость коррозии таких факторов, как природа веществ и присутствие катализатора (ингибитора).

- развить умение проведения химического эксперимента с соблюдением правил техники безопасности, строить логические цепочки и выводы из наблюдений, прогнозировать решение некоторых проблем.

-  совершенствовать коммуникативные умения в ходе коллективного обсуждения, продолжать формировать убеждения учащихся в необходимости привлечения средств химии к пониманию и описанию процессов, происходящих в окружающем мире.

Тип урока: получения новых знаний

Ход урока

I. Организационный момент.

- Добрый день! Сегодня мы с вами продолжаем говорить о металлах, их общих свойствах. Тема, которую мы с вами будем рассматривать волновала человечество издавна, как только оно начало применять металлические изделия.

II. Мотивация учения. Формулировка темы урока. Постановка целей и задач.

- Недавно мне попалась интересная информация, которой я хочу с вами поделиться

1. В начале прошлого столетия по заказу одного американского миллионера, была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище её было обшито сплавом меди и никеля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, оказалось, что она не пригодна к использованию. И ещё до выхода в открытое море была полностью выведена из строя (сл 1)

2. В III столетии до нашей эры на острове Родос был построен маяк в виде огромной статуи бога Солнца Гелиоса. Статуя была изготовлена из глины, основой служил железный каркас, а сверху статуя была покрыта листами из бронзы ( сплав меди с оловом).  Колосс Родосский считался одним из 7 чудес света однако просуществовал всего 66 лет и рухнул во время землетрясения (сл 2)

3. 31 января 1951 года, при сильном морозе, обрушился железный мост в Квебеке (Канада), введенный в эксплуатацию в 1947 году. (сл 3)

4. В 1964 году рухнуло одно из самых высотных сооружений в мире – 400 метровая антенная мачта на юго-западном побережье  Гренландии. (сл 4)

Итак, ребята, как мы можем сформулировать тему сегодняшнего  урока?

-Коррозия металлов. (сл 5)

Прежде, чем перейти к объяснению, предлагаю выполнить задание: на доске записаны вопросительные слова: что?, почему?, как?, какая?, для чего? Составьте, пожалуйста, вопросы к теме «Коррозия металлов и способы защиты от неё» используя данные вопросительные слова. 
Фронтальный опрос учащихся с фиксированием лучших вопросов на доске.
Например: 
- Что такое коррозия металлов?
- Почему возникает коррозия металлов?
- Как возникает коррозия металлов? (Как защитить металл от коррозии?)
- Какая бывает коррозия?
- Для чего надо изучать коррозию?

 - Итак, давайте теперь определим цели нашего урока.

- Что такое коррозия, её причины, реакции, которые при этом происходят, как бороться с коррозией. (сл 6)

- чтобы знать, как бороться с врагом надо хорошо изучить его. К этому призывает эпиграф к уроку: «Знать – значит победить!» (Слова академика А.Н. Несмеянова, доктора химических наук) (Сл 7)

III. Изучение нового материала.

Вам возможно уже известно значение слова - коррозия

Слово коррозия происходит от латинского corrodere, что означает разъедать (сл 8).

КОРРОЗИЯ - разрушение, разъедание твёрдых тел, вызванное химическими и электрохимическими процессами. (словарь Ожегова)

Давайте вспомним, в каком виде металлы встречаются в природе?

- Правильно - в виде соединений, поэтому при попадании чистого  металла в естественные (природные) условия происходит обратный процесс – окисление металлов, металлы возвращаются в устойчивое для них состояние в виде ионов.(сл 9)

 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 людей в связи с тем, что от кислотных дождей катастрофически страдают памятники (здания и скульптуры), выполненные из известняка или мрамора. Таким образом, мы с вами подошли к формулировке понятия «коррозия». В химии понятие коррозия формулируется следующим образом: (сл 10)

Коррозией – называют самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.( сл 11)

Сравним это определение с определением, которое нам предлагают авторы учебника и сделаем запись в тетради (стр.           )

Процессы физического разрушения к коррозии не относят хотя часто они наносят не меньший вред памятникам культуры. Их называют истиранием, износом.

- чем покрывается железный гвоздь при коррозии?

- ржавчиной.

- Ржавлением называется только коррозия железа и его сплавов. Другие металлы также подвергаются коррозии, но не ржавеют. Хотя коррозируют практически все металлы, но в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.

- Теперь попробуем вместе разобраться с причинами возникновения и видами коррозии металлов. В современной химической науке существует следующая классификация коррозии:(сл 12-13)

1.  «По природе агрессивных сред»: газовая, жидкостная, атмосферная, почвенная, блуждающими токами. (сл 14-15)

2. "По характеру разрушений" : сплошная, местная, межкристаллитная (сл 16-18)

3.  «По механизму возникновения» : химическая и электрохимическая. (сл 19)

Рассмотрим подробнее химическую и электрохимическую коррозию.

– запись в тетради.

Химическая коррозия – самопроизвольное  разрушение металлов в среде окислительного газа при повышенных температурах или в жидких неэлектролитах (например, нефть). (сл 20)

Ей подвергается арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания и аппаратура химической промышленности. При этом происходят окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых  металл окисляется, а присутствующий в среде окислитель восстанавливается, электроны переходят от металла к окислителю без возникновения в цепи электрического тока.

Лабораторный опыт № 1. Проведём небольшой эксперимент. Прокалим медную пластинку на воздухе в пламени горелки. Помним об осторожном обращении с огнём и о правилах тушения сухого горючего. Что наблюдаем?

- изменение окраски – появление черного налета, значит произошла химическая реакция.

При взаимодействии меди с кислородом идет реакция:

2Cu + O₂ → 2CuO (запись в тетради и на доске)

Cu⁰ – 2e → Cu²⁺ | 2| - восстановитель, процесс окисления

O₂⁰ + 4e → 2O^2- | 1| - окислитель, процесс восстановления

Некоторые металлы на воздухе покрываются плотной оксидной пленкой, например алюминий, и металл не корродирует.

Что не скажешь о железе – ржавчина не прилегает к металлу, рыхлая, и металл может разрушиться весь.

Электрохимическая коррозия - самопроизвольный процесс разрушения металлов в среде электролитов (сл 21)

При электрохимической коррозии требуется наличие электролита (конденсат, дождевая вода и т.д.), как например при ржавлении железа во влажном воздухе. При электрохимической коррозии возникает электрическая цепь.

4Fe + 3O_{2(воздух)} + 6H₂O_(влага) → 4Fe(OH)₃

Также электрохимическая коррозия возникает при контакте двух металлов

Лабораторный опыт № 2.  Проведём следующий эксперимент. Взаимодействие цинка с разбавленной соляной кислотой. Аккуратно добавляем кислоту в пробирку с кусочками цинка. Что происходит?

- Цинк реагирует с кислотой, выделяется газ водород.

- Добавим немного раствора сульфата меди (II). Что наблюдаем?

- На поверхности цинка выделяется медь и водород бурно выделяется.

Схема процесса:

Zn⁰ – 2e → Zn²⁺ (запись в тетради)

2H⁺ + 2e → H₂⁰

Zn⁰ + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂⁰

В результате возникает гальванический элемент. Цинк, как более активный металл разрушается, а медь восстанавливается из раствора электролита .

Процесс окисления (ржавления) наиболее часто приходится наблюдать для железа и его сплавов (чугуна и стали). Ежегодно во всём мире производится более 500 млн. т стали, но едва ли не ¼ ее «погибает». По данным института физической химии каждая шестая домна работает впустую - весь выплавленный металл превращается в ржавчину. Ржавеют и выходят из строя механизмы, машины. Сколько труда тратится на их замену! (сл 22)

В ноябре 2007 года в Керченском заливе во время сильного шторма затонуло 12 судов. Все они были насквозь проржавевшими. Один из них - танкер “Волгонефть-139” разломился пополам. В море вылилось 2000 т мазута.( сл 23)

- Все осознают, что с коррозией надо бороться. А чтобы ее победить нужно, знать причины и механизмы ее протекания

Для выяснения условий возникновения коррозии и факторов, влияющих на её скорость  некоторые из вас имели опережающее домашнее задание, которое заключалось в проведении исследований. Попросим продемонстрировать  и  рассказать о  результатах поставленных опытов.  ( сл 24)

·         опыт  №1 - гвоздь помещен в водный раствор

·         опыт №2 - гвоздь опущен в раствор хлорида натрия

·         опыт №3 - в раствор хлорида натрия помещен гвоздь с прикрепленной медной проволочкой

·         опыт №4 - в раствор хлорида натрия помещен гвоздь и кусочки цинка

·         опыт №5 - гвоздь помещен в слабощелочной раствор хлорида натрия

Ребята, которые проделывали опыты  сопоставили свои результаты и сделали соответствующие выводы.

Доклад 1 учащегося.

Железо слабо прокорродировало, в чистой воде коррозия идет медленно, так как вода это слабый электролит.

В железе микрогальваническая пара имеет разницу потенциалов, поэтому железо растворяется значительно медленнее.

Доклад 2 учащегося.

Скорость коррозии выше, чем в первом случае, следовательно хлорид натрия увеличивает скорость коррозии.

Микрогальваническая пара на поверхности гвоздя в присутствии сильного электролита работает энергичнее, чем в воде. Анодные участки железа растворяются активнее. ( сл 23)

Доклад 3 учащегося..

Железный гвоздь в контакте с медной проволокой, опущенный в раствор хлорида натрия сильно прокорродировал.

В данном опыте образовалась активная гальваническая пара. Fe²⁺ переходит в раствор. Избыток электронов переходит от железа к меди в местах контакта и восстанавливает на ней атомы кислорода в виде О₂ до ОН^- (в плёнке электролита на металле).

Анод: Fe⁰ - 2ē → Fe²⁺

Катод: 2ē + O + H₂O → 2OH^-

OH^- образует с ионами Fe²⁺ ферум (II) гидроксид

Fe²⁺ + 2ОН^- → Fe(ОН)₂↓, который окисляется до ферум (ІІІ) гидроксида:

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ → 4Fe(OH)₃↓

Последний можно наблюдать в виде ржавых отложений.

Доклад 4 учащегося.

в контакте с цинком железо корродирует слабо.

Возникает гальваническая пара, причём цинк переходит в раствор в виде ионов. На железе образуются гидроксильные группы. Цинк в данной гальванической паре, как более активный металл, будет являться анодом и в присутствии среды, проводящей электрический ток, будет разрушаться, железо же не ржавеет. Поэтому оцинкованные ведра сравнительно недороги и служат долго.

Анод: Zn⁰ - 2ē → Zn²⁺

Катод: 2ē + O + H₂O → 2OH^-

2Н⁺ + 2ē → Н₂

Гидроксильные ионы, взаимодействуя с ионами цинка, образуют гидроксид цинка в виде белого нерастворимого осадка:

Zn²⁺ + 2OH^- → Zn(OH)₂↓

На скорость работы гальванической пары сначала влияет тормозящее действие оксидной плёнки цинка, что затрудняет переход ионов цинка в раствор. После разрушения оксидной плёнки скорость работы гальванической пары заметно возросла.

Доклад 5 учащегося.

железный гвоздь, опущенный в раствор хлорида натрия, к которому добавили гидроксид натрия не корродирует.

Коррозия железа в присутствии воды, хлорида натрия и едкого натра также как и в первом и втором опытах имеет наименьшую скорость, чем в случае контакта железа с медью. В данном опыте едкий натр, добавленный к раствору кухонной соли, проявляет сильное тормозящее действие на процесс образования гидрата закиси железа. Поэтому процесс разрушения (коррозии) железного гвоздя практически не наблюдается ( сл 24)

- Какой вывод мы можем сделать?

- Скорость коррозии меняется в зависимости от контакта с другими химическими веществами.

- а есть ли способы защиты от коррозии?

- есть. ( сл 25)

Великий Гётте сказал: "Просто знать - ещё не всё, знания нужно уметь использовать"

- зная механизм коррозии и причины её возникновения, человек научился защищать металлы от коррозии. Вспомним с вами эпиграф нашего урока (Знать - значит победить) ( сл 26)

- Также на прошлом уроке некоторым из вас было дано задание предложить способы защиты металлов от коррозии. Учащиеся подготовили свои сообщения и проиллюстрировали их на слайдах. Вам слово.

1.     Неметаллическое покрытие (лаки, масла, краски и т.д.). Эти вещества изолируют металл от внешней среды. Например, Эйфелева башня в Париже изготовлена из стали и требует покрытия краской для защиты от коррозии и стала весить вместо 9 тонн на 70 тонн больше. (слайд № 27-28)

2.     Металлическое покрытие – некорродирующими металлами (Zn, Cr, Ag, Ni, Sn и т.д.). Кровельное железо покрывают цинком, который охраняет железо от коррозии, хотя цинк и является более активным металлом. Он сам покрыт оксидной пленкой. (слайд № 29-30)

3.     Нержавеющие стали ( введение легирующих металлов: Cr, Ni, Co, Cu и т.д.). Основано на создании сплавов с антикоррозионными свойствами. Введение в сталь 12% хрома получают сталь устойчивую к коррозии. А введением никеля, кобальта и меди - усиливают антикоррозионные свойства, так как повышают склонность сплавов к пассивации (образование на поверхности металла устойчивой оксидной пленки). (слайд № 31)

4.     Введение ингибитора. Ингибитор – это вещество, способное в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Дамасские мастера для снятия окалины использовали растворы сульфатной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были первыми ингибиторами. В результате растворялись лишь окалина и ржавчина. Например, гвоздь в воде с маслом не корродирует – масло является ингибитором. Ингибиторы широко применяются при очистке от накипи паровых котлов, снятия окалины с обработанных изделий, при хранении и перевозке хлоридной  кислоты в стальной таре.( слайд 32)

5.     Протекторная (более активный металл, стоящий левее в ряду электрохимического напряжения металлов) – легко разрушается. Протекторная защита применяется в тех случаях, когда защищается конструкция (подземный трубопровод, корпус корабля), находящаяся в среде электролита (морская вода, подземные почвенные воды и т.д.). Сущность такой защиты заключается в том, что конструкцию соединяют с протектором – более активным металлом, чем металл защищаемой конструкции. Например, дно корабля защищают кусочками из металла Zn, защищая железное дно от разрушения. В роли протекторов выступают и другие металлы: Mg, Al, Zn и сплавы из них. (слайд 33)

- Ещё одним из способов защиты металлов от коррозии является изготовление сверхчистых металлов. Замечено, что сверхчистые металлы устойчивы к коррозии. Например, сверхчистое железо намного меньше корродирует, чем обычное железо.  Знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели уже полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. ( сл 34) Сделана она из чистого железа (99,72 %) и весом 6,5 тонн, высотой 7,2 метра и в диаметре от 42 см у основания и до 30 см у верха. Колонна была воздвигнута в честь царя Чандрагупты II. По народному поверью у того, кто прислонится к колонне спиной и сведет за ней руки исполнится заветное желание. Ученые предполагают, что эта колонна изготовлена из метеоритного железа.

IV. Первичное закрепление материала 

- А теперь посмотрим, как вы усвоили тему сегодняшнего урока. Для этого предлагаю выполнить тренировочный тест.

V. Оценивание знаний - обменяйтесь, пожалуйста листочками и выполним взаимопроверку.

Каждый правильный ответ в тесте оцените в пол балла. Запишите итоговую сумму. Помимо этого я добавлю  баллы за активную работу на уроке, за выполнение домашнего задания, за правильное проведение химического эксперимента и получится итоговая оценка.

VI. Рефлексия

§  Все ли что запланировано мы с Вами выполнили?

§  Какой вид работы сегодня на уроке понравился больше всего?

§  Где могут понадобиться полученные знания в жизни?

§  Что ещё Вы хотели бы узнать по этой теме?

VII. Домашнее задание:

§10(с. 47-51 выучить), упр. № 1, 2 с. 51 (выполнить письменно)

Дополнительное задание № 1: Склёпаны 2 металла. Укажите, какой из металлов подвергается коррозии а) Mn – Al;  б) Sn – Bi

Дополнительное задание № 2: Образец латуни (медь + цинк) массой 200 грамм с массовой долей меди 60 % обработали избытком хлоридной кислоты. Определите объём газа, который выделится (н.у.)

Тест

1. Слово “коррозия” в переводе с латинского означает:

а) разрушать;                        б) разъедать;                 в) ржаветь.

2. Требуется скрепить железные детали. Каким металлом целесообразно воспользоваться

а) медью                      б) цинком                     в) свинцом

3. Окисление металла в среде не электролита:

а) электрохимическая коррозия;   б) язвенная коррозия;   в) химическая коррозия.

4. Разрушение металла, находящегося в контакте с другим металлом в присутствии водного раствора электролита:

а) газовая коррозия;   б) электрохимическая коррозия;     в) химическая коррозия;

5. Эмалирование это:

а) защитное неметаллическое покрытие металла;

б) электрохимический метод защиты металлов от коррозии;

в) способ придания красоты металлическому изделию;

6. Легирование это:

а) специальное введение в сплав элементов, замедляющих процесс коррозии;

б) покрытие железного листа слоем олова;

в) создание контакта с более активным металлом;

7. Вещества, замедляющие процесс коррозии называются:

а) протекторы;  б) электроды;      в) ингибиторы;

8. Присоединение к защищаемому металлу другого, более активного металла называется:

а) металлопокрытие;  б) контактная защита;  в) протекторная защита.

9. Процесс ржавления металла можно наблюдать при коррозии:

а) железа;          б) алюминия;       в) цинка;

10. По характеру разрушений выделяют:

а) повсеместную коррозию;          б) сплошную;         в) разрозненную;

11. Некоторые металлы не подвергаются коррозии, т.к. они покрыты:

а) защитным покрытием;

б) водонепроницаемым покрытием;

в) оксидной плёнкой

12. Для протекания электрохимической коррозии необходимо наличие:

а) воздуха;             б) раствора электролита;            в) органического растворителя.