МКОУ ”Ункурдинская СОШ”
Научно-практическая
конференция исследовательских работ учащихся
Нязепетровского района.
Тема: «Коррозия металлов в различных средах. Загрязнение окружающей среды соединениями железа»
Работу выполнил:
Ученик 9 класса Шаламов Егор
Руководитель:
учитель химии, биологии Троценко Елена Ивановна
Ункурда
2017
Содержание:
Введение
1. Теоретическая часть.............................................................................................
1.1. История изучения коррозии металлов.............................................................
1.2.Современное понятие коррозии. Основы теории коррозии............................
1.3. Классификация коррозионных процессов.......................................................
1.4. Показатель скорости коррозии.........................................................................
1.5. Электрохимическая коррозия..........................................................................
1.6. Способы защиты от коррозии..........................................................................
2. Экспериментальная часть ..................................................................................
Изучение зависимости коррозии металлов от агрессивности среды,
активности металла, температуры, ингибиторов, пассиваторов.
Заключение …………………………………………………………………………..
Список использованной литературы.....................................................................
Введение. Актуальность выбранной темы
Потери от коррозии колоссальны. Каждая шестая домна работает лишь для того, чтобы восполнить потери металлов, «съеденных» ржавчиной. Но вред, наносимый коррозией, не сводится только к потере металла вследствие его разрушения (прямые потери), больший вред наносят косвенные потери. Гибнет труд людей, затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов. Кроме того, немало труда приходится затратить, чтобы заменить «изъеденные» коррозией детали новыми. Например, для замены проржавевших под землей водопроводных труб приходится копать глубокие траншеи. Чтобы сменить детали, например, химических или нефтехимических аппаратов, приходится останавливать производство, а вынужденная остановка даже на сутки обходится большими потерями готовой продукции. При коррозии загрязняется окружающая среда (например, за счет утечки газа, нефти), может произойти снижение качества или порча выпускаемой продукции и т.д. Таким образом, потери от коррозии в сотни раз превосходят стоимость металла.
По далеко не полным подсчетам наша страна ежегодно теряет 5-6 миллионов тонн металла, стоимость которого в изделиях измеряется сотнями миллионов рублей. Иначе говоря, буквально в пыль превращается годовая продукция крупного металлургического комбината. Это так называемый прямой ущерб, наносимый в результате коррозионных разрушений металлов.
Выбирая тему исследовательского проекта, я решил заняться именно проблемой коррозии. Также я хочу поставить ряд опытов, связанных непосредственно с коррозией и защитой металлических изделий от коррозии. В конце работы прийти к определенным практическим вывода
Объект исследования: Железо
Предмет исследования: коррозия металлов
Цель исследования: изучить зависимость коррозии металлов от агрессивности среды; температуры; активности металла; наличия ингибиторов, пассиваторов; защитить металл методами нанесения металлопокрытий (гальваническим способом), методом обработки среды.
Задачи: экспериментально доказать зависимость коррозии от:
1. агрессивности среды;
2. активности металла;
3. температуры;
4. веществ, изменяющих скорость коррозии.
Методы исследования:
1. анализ литературы по теме исследования.
2.химический эксперимент
3.анализ полученных результатов
Люди издавна интересовались вопросами защиты от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (5 век до нашей эры) и древнеримский ученый Плиний Старший (1 век до нашей эры) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины.
В 1935 году А.И. Шултин объяснил коррозию как индивидуальных металлов, так и сплавов. Он рассмотрел механизм протекания процесса коррозии и факторы, влияющие на его скорость.
1.2. Современное понятие о коррозии. Основы теории коррозии.
Коррозия (от латинского слова «коррозио» - разъедание) – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой.
Физико-химической сущностью изменений, которые претерпевает металл при коррозии, является окисление металла.
Любой коррозионный процесс является многостадийным:
1) Необходим подвод коррозионной среды или отдельных ее компонентов к поверхности металла.
2) Взаимодействие среды с металлом.
3) Полный или частичный отвод продуктов от поверхности металла (в объем жидкости, если среда жидкая).
Известно что большинство металлов (кроме Ag, Pt, Cu, Au) встречаются в природе в ионном состоянии: оксиды, сульфиды, карбонаты и др., называемые обычно руды металлов
-по типу разрушений
При равномерном распределении коррозионных разрушений по всей поверхности металла коррозию называют равномерной или сплошной. Она не представляет собой опасности для конструкций и аппаратов, особенно в тех случаях, когда потери металлов не превышают технически обоснованных норм. Её последствия могут быть сравнительно легко учтены.
Язвенная (в виде пятен различной величины), точечная, щелевая, контактная, межкристаллическая коррозия - наиболее часто встречающиеся в практике типы местной коррозии. Точечная - одна из наиболее опасных. Она заключается в образовании сквозных поражений, то есть точечных полостей - питтингов.
Коррозионное растрескивание возникает при одновременном воздействии на металл агрессивной среды и механических напряжений. В металле появляются трещины транскристаллитного характера, которые часто приводят к полному разрушению изделий.
-по механизму
По механизму коррозионного процесса различают два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую. Строго отделить один вид от другого трудно, а иногда и невозможно.
Химическая коррозия протекает в сухих газах (газовая коррозия) при повышенных температурах и не сопровождается возникновением электрического тока. Она протекает по механизму гетерогенных реакций. Газовой коррозии подвергаются металлы при термической обработке (ковка, прокат), детали двигателей внутреннего сгорания, арматура печей и т.д.
Электрохимическая коррозия протекает в растворах электролитов (кислоты, основания, соли, морская и речная вода, влажная почва, атмосфера любого влажного газа) и сопровождается возникновением электрического тока. Она протекает по механизму гальванического элемента.
Для того чтобы лучше понять механизм электрохимической коррозии, рассмотрим пример:
растворение чистого цинка в кислоте;
Различают следующие типы электрохимической коррозии, имеющие наиболее важное практическое значение:
1. Коррозия в электролитах. В зависимости от характера среды различают:
а) кислотную;
б) щелочную;
в) солевую;
г) морскую коррозию.
2. Почвенная (грунтовая, подземная) коррозия - воздействие на металл грунта, который в коррозионном отношении должен рассматриваться как своеобразный электролит.
3. Атмосферная коррозия - коррозия металлов в условиях атмосферы, а также любого влажного газа; наблюдается под конденсационными видимыми слоями влаги на поверхности металла (мокрая атмосферная коррозия) или под тончайшими невидимыми адсорбционными слоями влаги (влажная атмосферная коррозия).
4. Коррозия в условиях механического воздействия. Этому типу разрушения подвергаются многочисленные инженерные сооружения, работающие как в жидких электролитах, так и в атмосферных и подземных условиях.
Для установления скорости коррозии металла в данной среде обычно ведут наблюдения за изменением во времени какой-либо характеристики, объективно отражающей изменение свойства металла. Чаще всего в коррозионной практике используют следующие показатели.
1) Показатель изменения массы - изменение массы образца в результате коррозии отнесенный к единице поверхности металла S и к единице времени (например, г/м ч).
2) Объемный показатель коррозии - объем поглощенного или выделившегося в процессе газа V, отнесенный к единице поверхности металла и единице времени (например, см/см ч). Применительно к электрохимической коррозии когда процесс катодной деполяризации осуществляется за счет разряда ионов водорода, например, по схеме 2Н+ + 2е → Н2, или ионизация молекул кислорода О2 + 4е +2Н2О → 4ОН-; вводятся соответственно кислородный (К ) и водородный (К ) показатель соответственно.
Водородный показатель коррозии - это объем выделившегося Н в процессе коррозии. отнесенный к единице поверхности.
Кислородный показатель коррозии - это объем поглощенного в процессе О, отнесенный к единице поверхности.
3) Токовый показатель
Для исследования электрохимической коррозии металлов удобно пользоваться токовым показателем i - анодной плотность тока, отвечающей скорости данного коррозионного процесса. На основе закона Фарадея можно установить связь между токовым показателем и показателем изменения массы.
Токовый, массовый и объемный показатели могут быть пересчитаны один из другого.
4) Показатель сопротивления.
Изменение электрического сопротивления образца металла за определенное время испытаний также может быть использован в качестве показания коррозии. У этого способа есть некоторый недостаток толщина металла во все время испытаний должна быть одинаковой и по этой причине чаще всего определяют удельное сопротивление, т.е. изменение электрического сопротивления на единицу площади образца (см, мм) при длине равной единице. Этот метод имеет ограничения применения (для листового металла не более 3мм). Наиболее точные данные получают для проволочных образцов. Этот метод не пригоден для сварных соединений.
5) Механический показатель коррозии.
Изменение какого-либо свойства металла за время коррозии . Сравнительно часто пользуются изменением предела прочности.
6) Глубинный показатель коррозии.
Глубина коррозионного разрушения может быть средней или максимальной. Глубинный показатель коррозии можно использовать для характеристики как равномерной, так и неравномерной коррозии (в том числе и местной) металлов. Он удобен для сравнения скорости коррозии металла с различными плотностями.
Переход от массового, токового и объемного к глубинному возможен при равномерной коррозии.
Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным типом коррозии металлов. По электрохимическому механизму корродируют металлы в контакте с растворами электролитов (морская вода, растворы кислот, щелочей, солей). В обычных атмосферных условиях и в земле металлы корродируют также по электрохимическому механизму, т.к. на их поверхности имеются капли влаги с растворенными компонентами воздуха и земли. Электрохимическая коррозия является гетерогенными многостадийным процессом. Ее причиной является термодинамическая неустойчивость металлов в данной коррозионной среде.
На границе раздела двух разнородных фаз происходит переход заряженных частиц - ионов или электронов из одной фазы в другую, следовательно, возникает разность электрических потенциалов, распределения упорядоченных электрических зарядов, т.е. образование двойного электрического слоя.
Стремлением металлов переходить из металлического состояния в ионное для различных металлов различно. Вероятность такого перехода зависит также от природы коррозионной среды. Такую вероятность можно выразить уменьшением свободной энергии при протекании реакции перехода в заданной среде при определенных условиях.
С определенным упрощением процесс электрохимической коррозии может быть представлен в виде суммы следующих процессов:
1) анодный процесс - ионизация атомов металла с образованием ионов (гидратированных) в растворе и нескомпенсированных электронов в металле.
2) процесс переноса электронов в металле от зон анодной реакции и участками, на которых термодинамически и кинетически возможен катодный процесс
3) процесс подвода окислителя-деполяризатора к катодным зонам
4) катодный процесс- ассимиляция избыточных электронов деполяризатором, для которого в этих зонах обеспечены термодинамические условия процесса восстановления.
При значительном торможении анодной реакции ионизации металла скорость коррозионного процесса может понизится на несколько порядков. Такое состояние металла принято называть анодной пассивностью. Пассивность можно определить следующим образом: пассивность - состояние повышенной коррозионной устойчивости металла или сплава (в условиях, когда термодинамически он является реакционно способным), вызванное преимущественным торможением анодного процесса. Т.е. может произойти так, что в реальных условиях скорость коррозии"активных" элементов оказывается весьма незначительной в следствии наступления пассивного состояния. Например, титан расположенный левее цинка, и хром, расположенный рядом с цинком, в следствии наступления пассивности оказываются более коррозионностойкими в большинстве водных сред, чем цинк. На склонность к пассивному состоянию влияет природа системы металл-раствор. Наибольшую склонность к переходу в пассивное состояние проявляют Ti, Ni, Al, Mg, Fe, Co и др.
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.
В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.
Наиболее распространенные методы защиты от коррозии:
Химические методы защиты
1). Нанесение защитных покрытий.
2). Изготовление сплавов, устойчивых перед коррозией.
3). Изготовление изделий из чистого металла.
4). Добавление ингибиторов в агрессивную среду.
Электрохимические методы защиты:
1). Подача тока противоположного направления.
2). Протекторная защита. Защищаемое изделие соединяют с более реакционноспособным металлом, который корродирует в первую очередь.
Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое называется легирование. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия имеет место, хотя и с малой скоростью. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило, названное правилом Таммана, согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию.
Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит процесс коррозии. Именно поэтому важное значение имеет качество покрытия - толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия).
Для снижения смачиваемости водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми составами или кремнийорганическими соединениями.
Часто под лакокрасочный слой наносят грунтовки. Пигменты, входящие в ее состав, также должны обладать ингибиторными свойствами. Проходя через слой грунтовки, вода растворяет некоторое количество пигмента и становится менее коррозионноактивной. Среди пигментов, рекомендуемых для грунтов, наиболее эффективным признан свинцовый сурик Pb3O4.
Вместо грунтовки иногда проводят фосфатирование поверхности металла. Для этого на чистую поверхность кистью или распылителем наносят растворы ортофосфатов железа (III), марганца (II) или цинка (II), содержащих и саму ортофосфорную кислоту H3PO4. В заводских условиях фосфатирование ведут при 99-970 оС в течение 30-90 минут. В образование фосфатного покрытия вносят вклад металл, растворяющийся в фосфатирующейся смеси, и оставшиеся на его поверхности оксиды.
В производственных условиях используют также электрохимический способ - обработку изделий переменным током в растворе фосфата цинка при плотности тока 4 А/дм2 и напряжении 20 В и при температуре 60-700 С. Фосфатные покрытия представляют собой сетку плотносцепленных с поверхностью фосфатов металлов. Сами по себе фосфатные покрытия не обеспечивают надежной коррозионной защиты. Преимущественно их используют как основу под окраску, обеспечивающую хорошее сцепление краски с металлом. Кроме того, фосфатный слой уменьшает коррозионные разрушения при образовании царапин или других дефектов.
Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Вначале на очищенную поверхность наносят грунтовочный слой и обжигают его в печи. Далее наносят слой покровной эмали и обжиг повторяют. Наиболее распространены стекловидные эмали - прозрачные или загашенные. Их компонентами являются SiO2 (основная масса), B2O3, Na2O, PbO.
Эмали обладают высокими защитными свойствами, которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу, вследствие чего и начинается коррозия.
Применение ингибиторов - один из самых эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах. Ингибиторы - это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать.
Ингибирующее воздействие на металлы, прежде всего на сталь, оказывает целый ряд неорганических и органических веществ, которые часто добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.
Ингибиторы в соответствии с Х. Фишером можно сгруппировать следующим образом:
1) Экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной адсорбции. При воздействии физических ингибиторов химических реакций не происходит
2) Окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют протекание анодного процесса. 3) Катодные - повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам относятся соли или окислы мышьяка и висмута.
Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний.
Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит натрия, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины, сульфоокись бензила, крахмал, танин и т. п.
Виды коррозии
Газовая коррозия |
В неэлектролитах |
В электролитах |
Блуждающими токами |
Почвенная коррозия |
Вызывается агрессивными газами: -сернистым; -оксидами азота; -кислородом; -углекислым газом; сероводородом. |
-нефти; -нефтепродуктах. |
- В растворах кислот щелочей солей. |
Источники: - электропоезда; -метро; -трамваи. |
Глинистые почвы тормозят коррозию. |
2. Экспериментальная часть
Изучение зависимости коррозии металлов от агрессивности среды, активности металла, температуры, ингибиторов, пассиваторов.
Ход эксперимента
Опыт 1. Изучение зависимости коррозии металлов от:
- агрессивности среды;
- активности металла;
- пассивирования металла.
Процесс пассивирования: тщательно очищенные и обезжиренные 4 –е гвоздя и на 1 – 2 минуты в пробирку с концентрированной азотной кислотой. За это время железо пассивируется, т. е. покрывается прочным слоем из оксидов железа. Затем гвозди и лезвия промыли водой.
Проверка: опускаем пассивированные гвозди в раствор серной кислоты. Водород не выделяется, защитная пленка прочная.
Опыт 2 (коррозия в воде):
Взяли 3 хорошо очищенных и обезжиренных гвоздя и по одному опустили четыре пробирки с
- некипяченой водой;
- кипяченой водой (в пробирке прокипятили воду, серху налили подсолнечного масла .закрыли ее резиновой пробкой, после охлаждения опустили гвоздь и снова закрыли пробкой);
- некипяченой водой с фосфатом натрия;
В течение четырех недель в пробирках с кипяченой водой ничего не происходило, т. к. в пробирке нет кислорода в воде, поэтому коррозия происходить не могла.
В пробирках с веществами пассиваторами (фосфатом натрия и дихроматом калия) процесс коррозии пошел только к концу второй недели, т. е. вещества действительно замедлили процесс коррозии.
В пробирке же с некипяченой водой коррозия шла активно уже на второй день, а за четыре недели в пробирке мы получили осадок из оксидов железа.
Опыт 3
Для изучения вопроса зависимости скорости коррозии от агрессивности среды и активности металла была проведена серия следующих опытов. Мы приготовили 4 пробирок и 4 железных гвоздей
1-ю пробирку – заполнили обыкновенной водопроводной водой и опустили в
него гвоздь.
2-ю пробирку – заполнили водопроводной водой, добавили поваренной соли
и опустили в него гвоздь.
3-ю пробирку – заполнили водопроводной водой , к гвоздю
прикрепили медную проволоку и опустили в стакан.
4-ю пробирку - заполнили водопроводной водой с поваренной солью, в пробирку поместили кусочки цинка .
Результаты получились следующие:
1-я пробирка – железо слабо прокорродировало, в чистой воде коррозия идет
медленнее, так как вода слабый электролит.
2-я пробирка - здесь скорость коррозии гораздо выше,
чем в первом случае, следовательно, хлорид натрия увеличивает
скорость коррозии.
3-я пробирка –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.
4-я пробирка коррозии на гвозде нет, потому что пери контакте железа с более активным цинком, последний, разрушаясь, защищает железо от коррозии..
Выводы:
В чистой воде коррозия идет медленнее, чем в растворе хлорида натрия.
А вот скорость коррозии железного гвоздя, находящегося в контакте с
медной проволокой в растворе хлорида натрия является в данном
эксперименте самой высокой.
Опыт 4. (почвенная коррозия):
Наблюдение:
В течении 10 дней шел эксперимент. Мы не забывали увлажнять землю в химических стаканах. В первом стакане, стоящим около батареи, температура держалась постоянно в пределах 20 градусов, а во втором стакане – 8 градусов.
Через 10 дней мы вытащили гвозди и алюминиевую вилку и увидели разрушение металла произошло сильнее в первом стакане, который находился при температуре 20 градусов.
Заключение:
В ходе работы над проектом нами были поставлены эксперименты и проведены наблюдения, на основе которых были сделаны следующие важные выводы:
1. Скорость коррозии зависит от агрессивности среды и активности металла. Причем для металлов средней активности (железа) самой агрессивной средой является – кислая среда, затем нейтральная, за ней щелочная и только потом – воздушная (газовая). Для неактивного металла (меди) – агрессивной средой является щелочная среда, ко всем остальным средам медь равнодушна (инертна).
2. На примере почвенной коррозии (с железом) мы убедились, что температура ускоряет скорость коррозии, то есть чем выше температура, тем быстрее разрушается металл.
3.Мы практически рассмотрели методы защиты металлов от коррозии и сделали вывод, что действительно вещества пассиваторы (в нейтральной среде) и ингибиторы (в кислой среде) являются замедлителями скорости коррозии.
4. Следовательно, мы можем управлять скоростью коррозии:
а) пассивирование спасает металл от агрессивной среды;
б) нанесение металлопокрытий гальваническим способом так же спасает металл от разрушения (никелирование, цинкование).
Таким образом, в ходе работы над проектом мы, изучив научную литературу, узнали, что такое коррозия, рассмотрели классификацию коррозионных процессов, термодинамические основы теории электрохимической коррозии. Выполняя экспериментальную часть проекта, мы на практике изучили зависимость коррозии металлов от агрессивности среды; температуры; активности металла; наличия ингибиторов, пассиваторов. Нами была экспериментально доказана зависимость коррозии от агрессивности среды; активности металла; температуры; наличия ингибиторов, пассиваторов; показана возможность защиты металлов методами обработки среды; нанесением металлопокрытий гальваническим способом.
Защита металлов от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющих большое значение для народного хозяйства всех стран мира. Ученые-химики должны приложить все усилия для решения данной проблемы мирового масштаба.
Список использованной литературы.
1. Венецкий С. В мире металлов.- М.: 1988г.
2. Жук Г.А. « Курс коррозии и защиты металлов».- Воронеж, 1972.
3. Исаев И. П. «Коррозия металлов».-М.: 1989.
4. Лукьянов П.М. Краткая история химической промышленности. - М.: Издательство АН СССР, 1959.
5. Мезенин Н. Занимательно о железе.- М.: 1985г.
6. Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983.
Скачано с www.znanio.ru
© ООО «Знанио»
С вами с 2009 года.