Изучение влияния среды на степень коррозии металлов

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 средняя общеобразовательная школа № 58

Научно-практическая конференция учащихся

«Я исследую мир»

Опытно – экспериментальная работа на тему:

«Изучение влияния среды

на степень коррозии металлов»

Выполнил

Шепилев Марк,

ученик 9 «А» класса

Руководитель

Павленко Светлана

Константиновна,

учитель химии

МБОУ СОШ № 58 г. Пензы

Пенза 2015

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

Глава 1. История изучения коррозии металлов……………………………………5

1.1    Современное понятие о коррозии……………………………………………..6

1.2    Виды коррозии………………………………………………………………….7

Глава 2. Экспериментальные исследования………………………………….........10

2.1 Изучение зависимости скорости коррозии

       от присутствия кислорода ……………………………………………………..10

2.2 Изучение влияния электролитов на процесс коррозии……………………….11

2.3 Изучение влияния ингибиторов на процесс коррозии………………………..13

2.4 Экспериментальная часть по созданию «шиферного гвоздя»………………..14

Заключение…………………………………………………………………………..16

Список использованной литературы……………………………………………….17

Приложение………………………………………………………………….............18

Введение

            Жизнь человека без металлов невозможна. Лучше всего об этом написал Сычев А.П. и Фадеев Г.Н. в своей книге «Химия металлов»: [4]

«Странно представить себе в наше время, что люди когда-то могли обходиться без металлов. Допустите на минуту, что металлы вдруг исчезли из употребления. Пустынный и страшный мир откроется перед вами. Опустели улицы городов и сел – не стало машин. Вид самих улиц ужасен. Они завалены обломками бывших железобетонных зданий, мостов. Не мчатся по рельсам поезда, а в небе не раздается гул моторов. Мир Земли распался: отдалились друг от друга континенты, страны и народы – нет средств сообщения и информации. Добраться до ближайшего поселения человека стало неимоверно трудно. Неизмеримо возросли трудности общения между людьми в мире без металлов. Нет телевидения, радио, телеграфа и телефона; нет электрического света и даже керосиновой лампы. Кругом воцарились мрак и тишина. В руках женщины каменная игла и каменный нож, а у мужчин - каменные топоры, деревянный лук. Мир без металлов ужасен, а без их соединений невозможен вообще». Но к сожалению, очень часто под воздействием окружающей среды поверхность металла самопроизвольно разрушается. Это связано с тем, что металлы, вступая в реакции с окружающей средой, как бы стремятся перейти в те соединения, в которых они находились в природе (оксиды, сульфиды и др.). Этот процесс называется коррозией металлов.[1,2]

             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. В городе для этого надо сначала взломать асфальт, который лишь иногда лишь недавно был уложен. 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. [1,3]

Актуальность: в промышленно развитых странах коррозия металлов наносит существенный ущерб экономике каждого государства, поэтому данные вопросы играют немаловажную роль как в быту, так и в  масштабах целого государства. Проблема коррозии металла сопровождает человека с того самого момента, как человек научился изготавливать из металла предметы и орудия труда. Каждая шестая домна работает лишь для того, чтобы восполнить потери металлов, «съеденных» ржавчиной.

Гипотеза: при помещении железа в щелочную среду скорость коррозии уменьшится.

 Новизна: в ходе проведения эксперимента выяснили, что железо в контакте с алюминием, как более активным металлом, коррозии практически не подвергается. Это позволило нам изготовить «шиферный гвоздь» гвоздь, более устойчивый к коррозии во внешней среде.

Объект исследования: железные гвозди

Предмет исследования: влияние условий на степень коррозии железа

Площадка проведения эксперимента: лаборатория МБОУ СОШ № 58 города Пензы.

Цель: исследовать действие факторов окружающей среды на степень коррозии железа.

Задачи:

 1. Изучить сущность коррозии, её виды и способы защиты от коррозии.

 2.Исследовать зависимость скорости коррозии от присутствия кислорода .      

 3.Исследовать влияние электролитов на процесс коррозии.                                               

 4.Исследовать влияние ингибиторов на процесс коррозии.

5. Изготовить «шиферный» гвоздь, устойчивый к коррозии.

Глава 1. История изучения коррозии металлов.

      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.

      Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа. Уже в двадцатых годах 19 века электролитическую коррозию изучают Г. Дэви и М. Фарадей. С тех пор во многих странах мира было выполнено очень много работ по коррозии различных металлических материалов. Однако правильной, научно обоснованной теории электрохимической коррозии не было. Существовала лишь теория, выдвинутая в 1830 году швейцарским ученым Де ла Ривом, оказавшаяся неверной, согласно которой подвергаться коррозии может лишь такой материал, в котором есть инородные включения. В начале тридцатых годов 20 века, советский ученый Фрумкин А.Н., изучая амальгамы металлов, показал, что активный металл амальгамы растворяется в кислотах, хотя амальгама – это однородное вещество.

      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. В том же 1935 году Я.В. Дурдин так же высказал обоснованную им мысль о растворении металлов в кислотах без наличия инородных включений в них. Таким образом, советские ученые, в первую очередь Шултин и Дурдин, сформулировали теорию электрохимической коррозии металлических материалов. [2,4]

1.1   Современное понятие о коррозии.

Коррозия (от латинского слова «коррозио» - разъедание) – это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде:

В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков. [4]

1.2 Виды коррозии

      В зависимости от условий, в которых протекает коррозия, и механизма взаимодействия металлов с окружающей средой различают химическую и электрохимическую коррозию.

      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.

При химической коррозии идет окисление металла без возникновения цепи электрического тока:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (FeO•Fe₂O₃),

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃.

Для поверхности алюминия этот процесс благоприятен, т.к. оксидная пленка плотно прилегает к поверхности металла и нет дальнейшего допуска кислорода к металлу. [2]

      Отличительной особенностью химической коррозии является то, что продукты коррозии (например, оксидные пленки) носят первичный характер, то есть образуются непосредственно в местах соприкосновения метала с агрессивной средой. Поэтому скорость коррозионного процесса определяется не только природой металла, но и свойствами образовавшихся оксидных пленок. Например, на поверхности щелочных и щелочно-земельных металлов в процессе окисления кислородом воздуха образуются толстые, рыхлые оксидные пленки, через которые свободно проникает кислород, поэтому они не защищают металл от разрушения. А на поверхности цинка, алюминия, никеля, хрома и других металлов формируются тонкие, эластичные и сплошные оксидные пленки, которые изолируют металл от контакта с агрессивной средой. Именно эти металлы применяют в качестве легирующих добавок к стали (для повышения жаростойкости сплавов) и для нанесения защитных покрытий на изделия, работающие в условиях газовой коррозии.

      Химическая коррозия протекает не только в сухих газах, но и в неэлектролитах (бензин, керосин, сероуглерод и т.д.). Например, коррозия бензобаков, нефтепроводов, нефтехимического оборудования.

            Электрохимическая коррозия протекает в растворах электролитов (кислоты, основания, соли, морская и речная вода, влажная почва, атмосфера любого влажного газа) и сопровождается возникновением электрического ток.  Для возникновения электрохимической коррозии нужно наличие кислорода и воды.  Она протекает по механизму гальванического элемента.

Рассмотрим случай, когда контакта металлов нет, причем металл (железо) находится в воздухе.[4] Некоторые участки поверхности железа служат анодом, на котором происходит его окисление 

Fe (тв.) = Fe²⁺ (водн.) + 2e

Образующиеся при этом электроны перемещаются по металлу к другим участкам поверхности, которые играют роль катода. На них происходит восстановление кислорода:

O₂ (г.) + 4H⁺ (водн.) + 4e = 2H₂O (ж.),           См. приложение (рис. 1)

В процессе коррозии образующиеся на аноде ионы Fe²⁺ окисляются до Fe³⁺ :

4Fe²⁺ (водн.) + O₂ (г.) + (2n + 4)H₂O (ж.) = 2Fe₂O₃•nH₂O (тв.) + 8H⁺ (водн.).

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.

Рассмотрим контакт двух металлов на примере олова и железа. [3,4] 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.) = Fe²⁺ (водн.) + 2e

Sn (тв.) = Sn²⁺ (водн.) + 2e,

Поэтому железо служит в этом случае анодом и окисляется. См. приложение (рис 2).

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. См. приложение (рис. 3):

Zn (тв.) = Zn²⁺ (водн.) + 2e

Следовательно, цинк играет роль анода и корродирует вместо железа.

          При электрохимической коррозии в отличие от химической, продукты коррозии (осадки в нейтральных средах) образуются за счет вторичных процессов, то есть они образуются не непосредственно на поверхности корродирующего металла, а в объеме раствора, поэтому обладают более низкими защитными свойствами, чем первичные пленки, образующиеся на поверхности металла при химической коррозии.

Глава 2. Экспериментальные исследования.

В нашей работе для экспериментальных исследований в качестве объекта коррозии были взяты железные гвозди.

2.1   Изучение зависимости скорости коррозии от присутствия кислорода  [5]

В три пробирки поместили по одному железному гвоздю. В первую пробирку добавили воды так, чтобы гвоздь оказался покрытым наполовину. Во вторую пробирку добавили воды так, чтобы гвоздь целиком был погружен в воду. В третьей пробирке гвоздь целиком погружен в воду, а сверху дополнительно добавляем слой растительного масла.

Через 5 дней получили следующие результаты:

Наибольшее количество ржавчины образовалось в пробирке №1, где железо соприкасалось и с водой и с кислородом. В пробирке №  2 ржавчины меньше т. к. железо соприкасалось только с водой. В пробирке № 3 гвоздь почти не проржавел, кислород не смог пройти через слой масла.

Уравнения химических реакций:

А(-): Fe – 2e →Fe⁺²

К(+): О₂+ 2Н₂О+ 4е → 4ОН^--

Fe⁺² + 2ОН^-- → Fe(ОН)₂

4Fe(ОН)₂ + 2Н₂О + О₂ → 4 Fe(ОН)₃

Вывод: с наибольшей скоростью коррозия протекает в присутствии кислорода. Кислород в роли сильного деполяризатора стимулирует коррозию железа, увеличивая скорость ее за счет активации катодного процесса. Если доступ кислорода ограничен (использован слой масла на поверхности воды), то процесс коррозии незначителен.

           2.2  Изучение влияния электролитов на процесс коррозии железа. 

В четыре химических стакана поместили по железному гвоздю. В первый стакан налили чистой воды так, чтобы вода покрывала половину гвоздя. Во второй стакан налили р-р NaCl. В третий стакан поместили гвоздь, обмотанный алюминиевой проволокой, и налили р-р NaCl. В четвертый стакан поместили гвоздь, обмотанный медной проволокой, и налили р-р NaCl. [5]

Через 5 дней получили следующие результаты:

в стакане № 1наблюдается незначительное количество  ржавчины. В данном случае мы наблюдаем химическую коррозию. В стакане № 2 ржавчины намного больше, следовательно хлорид ионы увеличивают скорость коррозии. В стакане  №3 тоже наблюдаем коррозию, но не железа, а алюминия, так как железо в контакте с более активным металлом в сильно коррозионной среде - NaCl не корродирует до тех пор, пока не прокорродирует весь алюминий. В стакане № 4  -скорость коррозии очень велика, образовалось много ржавчины.

Вывод: в чистой воде коррозия идет медленно, т.к вода слабый электролит. В данном случае мы наблюдаем химическую коррозию. Присутствие электролита значительно увеличивает скорость коррозии. При соприкосновении железа с другими металлами возникает гальванический элемент, при этом более активный металл будет выступать в роли анода и будет окисляться (разрушаться), менее активный металл будет катодом, и на нем будет происходить кислородная деполяризация. При контакте железа с более активным металлом (алюминием) само железо не разрушается, а окисляется более активный металл. При контакте железа с менее активным металлом (медью), железо будет подвергаться разрушению и скорость коррозии при этом сильно возрастет. В стаканах 3 и 4 наблюдается процесс электрохимической коррозии.

Уравнения химических реакций: [6]

В стаканах № 1 и 2:

А(-): Fe – 2e →Fe⁺²

К(+): О₂+ 2Н₂О+ 4е → 4ОН^--

Fe⁺² + 2ОН^-- → Fe(ОН)₂

4Fe(ОН)₂ + 2Н₂О + О₂ → 4 Fe(ОН)₃

В стакане № 3:

А(-): Al – 3е → Al⁺³

К(+): О₂+ 2Н₂О+ 4е → 4ОН^—

Al⁺³ + 3ОН^-- → Al(ОН)₃

В стакане № 4:

А^—( Fe): Fe – 2e →Fe⁺²

К⁺(Cu): О₂+ 2Н₂О+ 4е → 4ОН^—

Fe⁺² + 2ОН^-- → Fe(ОН)₂

4Fe(ОН)₂ + 2Н₂О + О₂ → 4 Fe(ОН)₃

 2.3 Изучение влияния ингибиторов на процесс коррозии.  [5,6]

В три пробирки поместили по одному железному гвоздю. В первую пробирку налили NaOH и прилили р-р NaCl . Во вторую пробирку налили  Na₃PO₄ и прилили  р-р NaCl. В третью пробирку налили K₂Cr₂O₇ и  прилили р-р NaCl. Растворы налили так, чтобы гвозди находились полностью в растворах.

Через 5 дней получили следующие результаты:

Уравнения химических реакций:

               А(-) Fe – 2e →Fe⁺²

            К(+)О₂+ 2Н₂О+ 4е → 4ОН^—

 2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe(OH)₂

            4Fe(ОН)₂ + 2Н₂О + О₂ → 4 Fe(ОН)₃

Cr₂O₇^2- +2OH^- = 2CrO ₄ ^2- +H₂O

Вывод: в первых двух пробирках процесс коррозии железа не наблюдается, т.к. ингибитор замедляет коррозию. В третьей пробирке имеет место коррозия, но скорость разрушения металла очень мала. Поскольку в процессе коррозии образуются в небольшом количестве OH- , то наблюдаем переход дихромата в хромат и изменение окраски раствора.

Экспериментальная часть по созданию «шиферного» гвоздя, более устойчивого к процессу коррозии в атмосфере.

На основании изучения теоретического материала и выполнения экспериментальной части работы, мы попытались создать «шиферный гвоздь» более устойчивый к процессу коррозии в атмосфере.

Оборудование: железный гвоздь, паяльник, алюминий листовой, флюс для пайки алюминия, дрель, ножницы по металлу.

«Шиферный» гвоздь создан на основе железного гвоздя. При этом к шляпке железного гвоздя припаиваются алюминиевые пластинки, которые значительно увеличивают ее площадь. Данный вид гвоздя может быть использован при монтаже кровли и, в частности, шиферной.

Изучение влияния электролитов на процесс коррозии «шиферного» гвоздя.

В 3 химических стакана поместили по изготовленному «шиферному» гвоздю. В первый стакан прилили чистой воды так, чтобы вода покрывала  гвоздь наполовину. Во второй стакан прилили раствор NaCl, а в третий стакан к гвоздю прилили раствор Na₃PO₄.

Через 5 дней получили следующие результаты:

Уравнения химических реакций:

А(-): Al – 3е → Al⁺³

К(+): О₂+ 2Н₂О+ 4е → 4ОН^—

Al⁺³ + 3ОН^-- → Al(ОН)₃

Вывод: во всех трех химических стаканах коррозии самого гвоздя не наблюдается. В стаканах № 1 и 2 корродирует алюминий как более активный металл.  Наибольшая степень его коррозии в стакане № 2 с р-ром NaCl.  В стакане № 3 с раствором Na₃PO₄ по-прежнему наблюдается ингибирование данного процесса. Таким образом, «шиферный» гвоздь оказался более устойчивым к процессу коррозии по сравнению с обычным гвоздем. Его устойчивость будет сохраняться до тех пор, пока не прокорродирует весь алюминий.

Заключение.

Для достоверности полученных результатов, в своей работе мы не стали ограничиваться только исследованием влияния кислорода на степень протекания коррозии, но и провели ряд дополнительных экспериментов, указанных в работе.

            Согласно гипотезе, выдвинутой перед началом данного исследования, скорость коррозии железа уменьшается при погружении его в щелочную среду. Данная гипотеза полностью нашла свое подтверждение в ходе экспериментальных исследований данной работы. На основании данных исследований мы смогли сделать следующие  общие выводы:

●  коррозия железа резко усиливается в присутствии кислорода.

●  коррозия железа усиливается, если железо соприкасается с менее активным металлом.

 ● скорость коррозии зависит от состава омывающей металл среды, хлорид ионы усиливают коррозию железа.

 ● коррозия железа ослабляется в присутствии гидроксид-, фосфат-, хромат -ионов.

Подводя итог своей работы, в ходе проведенного эксперимента, можно выделить следующие  способы защиты металлов от коррозии:

1. Применение защитных покрытий.

а) Металлические изделия покрывают лаками, красками, эмалями.

 б) металлические изделия покрывают другими металлами. В качестве металлов для покрытия применяют металлы, образующие на своей поверхности защитные пленки. К таким металлам относятся хром, никель цинк, олово и другие.

2. Приготовление сплавов стойких к коррозии части машин, инструменты и предметы быта изготовляют из нержавеющей стали и других сплавов, стойких к коррозии. В сплав вводят хром, никель, кремлей, кобальт, алюминий.

3. Электрохимические методы защиты.

а) применение заклепок изготовленных из более активных металлов.

б) Прикрепление пластинок из более активного металла для защиты основного металлического изделия. Например в паре Zn-Fe (оцинкованное железо) защищено железо, в паре Sn-Cu защищена медь и т. д.

К днищам кораблей прикрепляют протекторы -слитки более активного металла, чем обшивка днища корабля-это протекторная защита с помощью цинка (анодная защита) Катодная защита - защита менее активным металлом (лужёное железо)Особые требования - не допускать разрушении целостности покрытия.

4. Добавление ингибиторов. Использование замедлителей коррозии (органические, неорганические вещества)

Список использованной литературы.

1. Сюгаев А.В., Ломаева С.Ф., Шуравин А.С. и др. // Коррозия: защита, материалы. 2007. № 1. С. 2
2. Шевченко А.А.- Химическое сопротивление неметаллических материалов и защита от коррозии. Учебное пособие. Химия, КОЛОСС; 2004 г.; 248 стр.

      3. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии. 2002 год. 335 стр.

      4. В.В. Экилик. Электрохимические методы защиты металлов. Методическое пособие по спецкурсу. 2004 год. 50 стр.

     5. Кофанова. Коррозия и защита металлов. Уч. пособие. 2003 год. 

     6. Мезенин Н.   Занимательно о железе.  М., 1985г.

Приложение

Рис. 1.
Схема электрохимической коррозии железа
без контакта с другими металлами

Рис. 2.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и олова

Рис. 3.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и цинка