Проект "Изучение влияния различных факторов на протекание процесса коррозии металлов"

Изучение влияния различных факторов

на протекание процесса коррозии металлов

Выполнил ученик 10 а класса

МБОУ "СОШ №12"

Калуцкий Максим Андреевич

Руководитель работы : учитель химии

высшей категории МБОУ "СОШ №12"

Леонова Татьяна Евгеньевна

Обнинск 2022г

Оглавление

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

 Глава 1Теоретическая часть…………………………….....................4

1.1. Понятие и классификация коррозии металлов …..........................4

1.2. Катализаторы и ингибиторы коррозии ……………………...........5

1.3. Способы защиты от коррозии…………….......................................5

Глава 2 Практическая часть ………………………….......................7

Выводы.………………….……………....................................................9

Заключение.………………….……………............................................10

Список литературы.………………….……………..............................11

Приложения………………….……………...........................................12

Введение

Жизнь человека без металлов невозможна. Металлы и их сплавы являются наиболее важными конструкционными материалами. Но, к сожалению, очень часто под воздействием окружающей среды поверхность металла самопроизвольно разрушается, вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Процесс самопроизвольного разрушения металлов под воздействием окружающей среды называют коррозией.

Цель работы: исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов.

Актуальность исследования обусловлена тем, что ежегодно до 25% произведённых металлов и сплавов разрушается от коррозии.

Объект исследования: коррозионный процесс, протекающий в металлах и сплавах.

Предмет исследования: коррозия.

Методы исследования: визуальное наблюдение, химический эксперимент

Гипотеза исследования: на коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние природа металла и минеральный состав воды.

Задачи исследования:

1. Изучить теоретические основы коррозии металлов.

2. Установить влияние природы металла на коррозию.

3. Установить влияние природы и состава раствора на коррозию металлов.

Глава 1 Теоретическая часть

1.1. Понятие и классификация коррозии металлов

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.

По механизму действия различают:

А) коррозию химическую,

Б) коррозию электрохимическую

По виду коррозионного воздействия различают:

А) сплошную или общую коррозию поверхности металла

Б) точечную коррозию поверхности металла

По характеру среды, в которой протекают эти процессы, различают:

А) газовую коррозию (коррозия в сухих газах),

Б) атмосферную коррозию (коррозия в условиях влажного воздуха),

В) жидкостная коррозия – в растворах электролитов, неэлектролитов (нефти),

Г) почвенную коррозию

При химической коррозии большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связанная с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные оксидные пленки образуются у Zn, Al, Cr, Ni, Pb, Nb, и др.

У железа же оксидная пленка рыхлая, пористая и легко отделяется от поверхности и поэтому не способна защищать металл от дальнейшего разрушения. На поверхности щелочных и щелочноземельных металлов в процессе окисления кислородом воздуха также образуются толстые, рыхлые оксидные пленки, которые не защищают эти металлы от разрушения.

3Fe+2O₂ → Fe₃O₄ (FeO _* Fe₂O₃)

4Fe + 6H₂O + 3O₂ → 4Fe(OH)₃

При электрохимической коррозии два различных металла (Zn и Fe), находятся в контакте между собой и водным раствором электролита (например, грунтовая вода). Металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений металлов левее (Zn), будет разрушаться, предохраняя тем самым менее активный металл (Fe) от коррозии.

Важнейшими окислителями, вызывающими электрохимическую коррозию являются катионы водорода и растворенный кислород.

1.2. Катализаторы и ингибиторы коррозии

Катализаторы коррозии – вещества, которые при введении в коррозионную среду увеличивают скорость коррозии. Активными стимуляторами коррозии являются ионы галогенов. На поверхности металла в атмосферных условиях имеется оксидная пленка, которая может обладать защитным характером. Ионы галогена, оседают на пленке и вытесняют кислород, как бы образуя хлорид, который переходит в раствор. В пленке образуются поры, облегчающие коррозию.

Ингибиторы коррозии – это органические и неорганические вещества, вводимые в агрессивную среду в целях замедления процесса коррозии. Обычно это различные амины, альдегиды, кетоны, сульфокислоты, дихроматы, фосфаты и нитраты. Оседая на поверхности того или иного металла, они изолируют его от среды.

1.3. Способы защиты от коррозии

1.3.1. Нанесение защитных покрытий на поверхности предохраняемого от коррозии металла. Защита может быть:

А) неметаллическая (лаки, смолы, краска, резина, эмаль, цемент, бетон) Эти неметаллические покрытия дешевые, но обычно недолговечные. Раз в два года, а иногда и чаще их требуется обновлять. Так, например, красят Эйфелеву башню в Париже.

Б) химическая – фосфатирование (покрытие стальных изделий прочными нерастворимыми пленками фосфата железа), оксидирование (покрытие металла прочными защитными оксидными пленками), окрашивание цветных металлов

В) металлическая – цинкование, алюминирование, меднение, хроминирование, никелирование, золочение, серебрение. и др..

Предохраняемый металл можно покрыть слоем другого металла, либо образующего оксидные пленки, либо труднее корродирующего: золота, серебра, хрома, никеля, олова, цинка и др. Один из самых старых способов – лужение, или покрытие железного листа слоем олова. Такое железо называют белой жестью.

1. 3. 2. Использование нержавеющих сталей, содержащих специальные добавки. Например, «нержавейка», из которой изготавливают столовые приборы, содержит до 12% хрома и до 10% никеля. Легкие нержавеющие сплавы включают алюминий или титан.

1. 3. 3. Ингибиторный метод – введение замедлителей коррозии. Для предотвращения коррозии железа в серной кислоте к ней в качестве ингибитора добавляют азотную кислоту.

1. 3. 4. Создание контакта с более активным металлом – протектором. Например, для защиты стальных корпусов морских судов обычно используют цинк. Таким образом, пока не растворится весь цинк, железное изделие защищено от коррозии.

Глава 2 Практическая часть

Для изучения процесса коррозии был выбран широко используемый металл – железо (гвоздь). Нами были проведены 2 опыта в лабораторных условиях.

Опыт 1.Выявление факторов, влияющих на химическую коррозию железа

1 пробирка: кристаллический хлорид кальция (осушитель воздуха) + железный гвоздь

2 пробирка: дистиллированная вода + подсолнечное масло + железный гвоздь

3 пробирка: раствор хлорида натрия NaCl, покрывающая железный гвоздь наполовину 

4 пробирка: дистиллированная вода, покрывающая железный гвоздь наполовину

5 пробирка: раствор гидроксида натрия NaOH+ железный гвоздь

6 пробирка: раствор соляной кислоты HCl+ железный гвоздь

7 пробирка: отвар чистотела (выступающий в роли ингибитора коррозии) + железный гвоздь

В результате наблюдений выяснилось, что в первой пробирке коррозия не протекала, так как кристаллический CaCl₂ выступил в качестве осушителя воздуха. Во второй пробирке с дистиллированной водой также коррозия практически не протекала, так как слой подсолнечного масла предотвращал доступ воздуха в пробирку. В третьей пробирке коррозия протекала достаточно быстро и наиболее заметно, так как в ней находилась соленая вода, а хлорид натрия в данном случае выступил стимулятором коррозии. В четвертой пробирке коррозия протекала, но недостаточно интенсивно. В пятой пробирке с щелочью NaOH коррозия железа не протекала. В шестой пробирке с кислотой мы наблюдали выпадение осадка хлорида железа и в начале опыта выделение водорода, в конце моего исследования стало очевидно и образование ржавчины.

В седьмой пробирке коррозия не протекала, так как там находился отвар чистотела, который замедлял коррозию. Известно также, что из семян растения можно получить масло, которое также хорошо защищает металл от коррозии.

Проведение и результаты опыта 1 фиксировались фотографиями, которые представлены в Приложении 1.

Опыт 2. Изучение электрохимической коррозии металлических пар

«железо – медь», «железо – алюминий»

Для второго опыта несколько железных гвоздей я обмотал медной проволокой, а несколько других алюминиевой фольгой и проволокой. Все гвозди были помещены в некипячёную дистиллированную воду, часть с доступом воздуха и часть без доступа воздуха.

Уже через несколько дней я заметил, что в пробирке 3 с участием медной проволоки и воздуха коррозия железа протекала достаточно быстро.

При контакте железа с медью железо, как более активный металл, постепенно коррозирует, переходя в воду в виде ионов железа. (Приложение 2).Электроны, высвободившиеся из атомов железа, переходят к меди и на ее поверхности соединяются с ионами водорода, выделившимися из компонентов водной среды (воды). В результате возникает электрический ток. Такое разрушение металла называется электрохимической коррозией. Этот процесс можно представить так:

Fe⁰ – 2e → Fe²⁺  2H⁺ + 2e →H₂⁰ Fe⁰+ 2H⁺→ Fe²⁺+ H₂⁰

^{(на железе) (на меди) (в ионном виде)}

В пробирках «железо – алюминий» коррозии подвергалась алюминиевая фольга и проволока. Так как при контакте с более активным металлом алюминием последний, разрушаясь, защищает железо от коррозии.

Выводы

1. Выделяют два основных типа коррозии: химическая и электрохимическая. Нами изучены оба варианта коррозии.

2. Коррозия металлов зависит от природы окружающей среды. При погружении железного гвоздя в различные растворы мы наблюдали его ржавление над раствором, что можно объяснить наличием в воздухе кислорода и водяных паров.

3. Коррозия металлов зависит от свойства и природы материала. Это доказано в ходе опыта при изучении коррозии металлических пар. Установлено, что при контакте двух разных металлов коррозия может усиливаться, а может ослабевать.

Заключение

Наибольшую распространенность приобрела электрохимическая коррозия. Это объясняется тем, что окружающая среда представляет собой смесь различных электролитов в воде. Электрохимическая коррозия зависит от состава раствора.

Необходимо совершенствовать старые и разрабатывать новые методы защиты металлов от коррозии, т.к. она наносит большой экономический вред и может быть опасна для здоровья и жизни людей.

В эпоху современных конструкционных материалов используемых в машиностроении, проблема коррозии до сих пор остается актуальной.

Молодые специалисты технического профиля должны понимать специфику процессов коррозии и методов защиты от нее.

Возвращаясь к выдвинутой нами гипотезе, нужно отметить, что, действительно, коррозия металлов зависит от их природы, от химического состава раствора.

Список литературы

1. Габриелян О.С. Химия. 9 класс. М.: Дрофа, 2018г

2. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.И. Ермакова. - изд. 30-е, исправленное - М.: Интеграл - Пресс, 2007.

3. Экилик В.В, Электрохимические методы защиты металлов. Методическое пособие по спецкурсу. – Ростов-на-Дону, 2004.

Приложения

Приложение 1

13 января опыт поставлен

15 января

27 января

Приложение 2

14 января опыт поставлен

15 января

19 января

27 января

11 февраля