Министерство образования и науки Удмуртской Республики Управление образования администрации МО «Воткинский район» Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Июльская средняя общеобразовательная школа» Исследовательская работа Коррозия железа Автор: Мелехова Дарья Ученик 5 «Б» класса МБОУ Июльская СОШ Руководитель: Загребина Анастасия Павловна, учитель химии МБОУ Июльской СОШ с. Июльское 2014г СОДЕРЖАНИЕ Стр. ВВЕДЕИЕ . . . . . . . 3 ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИИЯ КОРРОЗИИ . . . . . . 4 КОРРОЗИЯ И ЕЁ ВИДЫ КОРРОЗИИ. . . . . . . 5 ВРЕД КОРРОЗИИ . . . . . . . 7 СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ . . . . . . 9 4.1 Легирование . . . . . . 9 . . . . . . 9 . . . . . . 10 4.4 Изменение состава коррозионной среды . . . . . 11 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ . . . . . . 12 РЕЗУЛЬТАТЫ . . . . . . . . . 13 ВЫВОДЫ . . . . . . . . . 14 . . . . . . . . . 15 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . 16 . . . . . . . 4.2Защитные поверхности . 4.3 Протекторы . ЗАКЛЮЧЕНИЕ . . . 2 ВВЕДЕНИЕ 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. Коррозия - это самопроизвольное разрушение металлов под воздействием химического или физико-химического влияния окружающей среды. Актуальность. Ежегодные потери из-за коррозии составляет от 20 до 30 млн. тон металла. Прямой экономический ущерб от неё исчисляется сотнями миллиардов долларов в год. В связи с этим исследование механизма коррозии и разработка методов защиты от неё имеют большое значение. Коррозии подвергаются различные металлы и сплавы, но наиболее часто приходится сталкиваться с коррозией самого распространенного металла - железа и его различных сплавов. Цель исследования. Определить, какие условия способствуют, а какие препятствуют коррозии железа. Задачи: Изучить литературу по теме; Провести химический эксперимент по выявлению эффективности средств в защите от коррозии; Провести химический эксперимент по выявлению усиливающих коррозию; Определить химическую сущность процесса коррозии; Гипотеза: Существуют такие вещества, которые могут усилить коррозию и вещества которые защищают железо от коррозии. Предмет изучения : коррозия железа. Объект изучения: Железные гвозди, в различных средах и в присутствии различных добавок (хлорид натрия, хлорид кальция, соляная кислота, раствор гидрокарбоната натрия, медь, цинк, подсолнечное масло) Методы: работа с литературными источниками информации, эксперимент, наблюдение анализ и обобщение полученных результатов. 3 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ КОРРОЗИИ Проблемой защиты от коррозии заинтересовались еще люди древнего мира. В своих трудах древнегреческий историк Геродот (V в. до н. э.) и древнеримский ученый Плиний Старший (I в. н. э.) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины. В Индии уже полтора тысячелетия существует "общество по борьбе с коррозией". В XIII в. оно принимало участие в постройке на побережье Бенгальского залива Храма Солнца. Сооружение, веками подвергавшееся действию соленых ветров и морской влаги, уже превратилось в руины, но его железная арматура сохранилась в хорошем состоянии. Стало быть, уже в те далекие времена индийские мастера знали, как противостоять коррозии.[5] В начале XIX в. один из основателей электрохимии Г. Деви и его ученик М. Фарадей изучают процесс электрохимической коррозии, я публикуют работы. С тех пор во многих странах мира было выполнено очень много работ по изучению коррозии различных материалов. Однако научно обоснованной теории электрохимической коррозии не было. Существовала лишь теория, выдвинутая в 1830 г. швейцарским ученым Де ла Ривом, оказавшаяся неверной. Согласно этой теории, коррозии подвергается материал, и котором есть инородные включения. В 1935 г. отечественный ученый А. И. Шултин объяснял коррозию как индивидуальных металлов, так и сплавов. Он рассмотрел механизм протекания процесса коррозии и факторы, влияющие на его скорость. В том же 1935 г. Я. В. Дурдин обосновал растворение металлов в кислотах без наличия инородных включений в них. Таким образом, отечественные ученые сформулировали теорию электрохимической коррозии металлических материалов. Большим достижением металлургов в защите от коррозии стало создание коррозионностойкой стали. Снижение содержания углерода нержавеющей стали до 0,1% один из способов создания материала, стойкого к коррозии. В 1923 г. получили наиболее типичную нержавеющую сталь - хромоникелевую (18% хрома и 8% никеля). Первые тонны нержавеющей стали в нашей стране выплавили в 1924 г. в Златоусте. Сейчас уже создан широкий ассортимент коррозионностойких сталей. Это и сплавы на железохромоникелевой основе, и особо коррозионностойкие никелевые, вольфрамом.[10] 4 легированные молибденом и 2.КОРРОЗИЯ И ЕЁ ВИДЫ 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.[8] 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.[7] Коррозия металлов чаще всего сводится к их окислению и превращению в оксиды. В частности, коррозия железа может быть описана упрощенным уравнением 4Fe + 3O2 + 2H2О = 2Fe2O3·H2О [5] Гидратированный оксид железа Fе2O3·H2О и является тем, что люди называют ржавчиной. Это рыхлый порошок светло-коричневого 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 2Al + 3H2О = Al2O3 + 3H2[5] Однако его поверхность покрывается плотной пленкой оксида Al 2O3, 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. [1] 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. Она заключается в образовании сквозных поражений, т.е. в образовании точечных полостей – так называемых питтингов. Местной коррозии 5 благоприятствуют морская вода, растворы солей, в частности галогениды (хлорид натрия, магния и др.). Опасность местной коррозии состоит в том, что, снижая прочность отдельных участков, она резко уменьшает надежность конструкций, сооружений, аппаратов.[4] 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 они плавятся, 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. 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.[4] 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. 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.[9] 6 3. ВРЕД КОРРОЗИИ 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, к потерям сырья и продукции (утечка нефти, газов, воды), к энергетическим затратам для преодоления дополнительных сопротивлений, вызванных уменьшением проходных сечений трубопроводов из-за 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 капиталистических странах стоимость потерь, связанных с коррозией, составляет 3...4% валового национального дохода.[3] Ржавчина является одной из наиболее распространенных причин аварий мостов. Так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста. 15 декабря 1967 года Серебряный мост, соединяющий Поинт Плезант, штат Западная Виржиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Причиной обрушения стала коррозия. Мост Кинзу в Пенсильвании был разрушен в 2003 году от торнадо, прежде всего потому, что центральные основные болты проржавели, существенно снизив его устойчивость.[5] 7 4. СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ 4.1 Легирование Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, – это легирование металлов, т.е. получение сплавов. Например, 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 хотя и с малой скоростью, но имеет место. Оказалось, что при добавлении легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. 4.2 Защитные поверхности 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. Лаки и краски обладают водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит коррозию Для снижения смачиваемости водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми составами или кремнийорганическими соединениями. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. В большинстве случаев они непригодны для защиты подземных сооружений и конструкций, так как трудно предупредить механические повреждения защитных слоев при контакте с грунтом. Опыт показывает, что срок службы лакокрасочных покрытий в этих условиях невелик. Намного практичнее, оказалось, применять толстослойные покрытия из каменноугольной смолы (битума). Часто под лакокрасочный слой наносят слой грунтовки. Пигменты, входящие в ее состав, также должны обладать ингибиторными свойствами. Проходя через слой грунтовки, 8 вода растворяет некоторое количество пигмента и становится менее коррозионноактивной. Среди пигментов, рекомендуемых для грунтов, наиболее эффективным признан свинцовый сурик Рb3O4. Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали – силикатные покрытия, коэффициент теплового расширения которых должен быть близок к таковому для покрываемых металлов. Эмалирование осуществляют нанесением на поверхность изделий водной суспензии или сухим напудриванием. Эмалевые покрытия в основном наносят на сталь, а также на чугун, медь, латунь и алюминий. Для защиты чугунных и стальных водяных труб от коррозии используют цементные покрытия. Недостаток цементных покрытий тот же, что и эмалевых, – высокая чувствительность к механическим ударам. 4.3 Протекторы Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Металлические покрытия делят на две группы: коррозионностойкие и протекторные. Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. Они более электроположительны по отношению к железу, т.е. в электрохимическом ряду напряжений металлов стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. По отношению к железу они более электроотрицательны, т.е. в ряду напряжений находятся левее железа. В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а из второго изготавливают консервные банки. И то и другое получают главным образом протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла. Для большей стойкости водопроводные трубы и арматуру из стали и серого чугуна часто подвергают оцинковыванию также окунанием в расплав данного металла. Это резко повышает срок их службы в холодной воде. Интересно, что в теплой и горячей воде срок службы оцинкованных труб может быть даже меньше, чем не оцинкованных. Луженое железо до сих пор в больших количествах идет на изготовление тары для хранения пищевых продуктов (консервные банки). Однако в последние годы для этой цели все шире применяется алюминиевая фольга. Посуда из цинка и оцинкованного железа не 9 рекомендуется для хранения пищевых продуктов. Несмотря на то, что металлический цинк покрыт плотной оксидной пленкой, он все же подвергается растворению. Хотя соединения цинка относительно мало ядовиты, в больших количествах они могут оказать вредное действие. Иногда зубные коронки, изготовленные из различных металлов (золота и стали) и близко расположенные друг к другу, доставляют их носителям неприятнейшие болевые ощущения. Поскольку слюна является электролитом, эти коронки образуют гальванический элемент. Электрический ток протекает по десне и вызывает зубную боль.[11] 4.4 Изменение состава коррозионной среды. Агрессивность коррозионной среды можно снизить уменьшением концентрации активных коррозионных компонентов. Коррозию, протекающую с поглощением кислорода, снижают деаэрацией среды (кипячение, барботаж инертного газа). Широкое распространение для защиты от коррозии получили ингибиторы. Ингибитор – это вещество, которое при добавлении в небольших количествах в коррозионную среду значительно уменьшает скорость коррозии металла. Ингибиторы, адсорбируясь на корродирующей поверхности, вызывают торможение процессов.[6] 10 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Оборудование: железные гвозди, 10 пробирок. Реактивы: дистиллированная вода (H2O), раствор хлорида натрия (NaCl), раствор хлорида кальция (CaCl2), раствор гидрокарбоната натрия (питьевой соды (NaHCO3)), раствор соляной кислоты (HCl) , гранулы цинка (Zn) , медная проволока (Cu), масло подсолнечное. Ход эксперимента В десять пробирок опускаем по одному железному гвоздю. В пробирке № 1 гвоздь предварительно окрасили лаком для ногтей. Залили дистиллированной водой. В пробирке №2 гвоздь находится в дистиллированной воде. В пробирке №3 гвоздь находится в растворе хлорида кальция В пробирке №4 гвоздь погружен в раствор хлорида натрия. В пробирке №5 гвоздь предварительно обмотали медной проволокой и погрузили в дистиллированную воду. В пробирку №6 с дистиллированной водой добавили подсолнечное масло (2-3 капли) Добавили 5 гранул цинка в пробирку № 7, с дистиллированной водой. В пробирке № 8 разбавленная соляная кислота. В пробирке № 9 гвоздь находится растворе соды. №10 гвоздь засыпали поваренной солью (кристаллы). Все пробирки находятся при комнатной температуре и оставлены на 10 дней эксперимента. 11 РЕЗУЛЬТАТЫ В ходе эксперимента мы можем наблюдать, что в пробирке с окрашенным гвоздем (№1), с цинком (№7), питьевой соды (№9) и пищевой содой (№ 10) не произошло видимых изменений. В пробирке №7 цинк покрылся белым студенистым налетом, а гвоздь остался без изменений. В пробирках №2, №3, №4, №5, №6, №8 через сутки замечено появление ржавчины. Наиболее сильно она проявилась в пробирке с хлоридом кальция (Приложение1 рис. 3) В растворе с хлоридом натрия также заметное проявлении коррозии (Приложение 1 рис4.)В пробирке с медной проволокой медь имеет первоначальный вид, а гвоздь в местах свободных от меди потемнел, раствор содержит хлопья ржавчины (Приложение 1, рис2а и рис.2б). В растворе с кислотой при погружении железного гвоздя в раствор наблюдаем медленное выделение пузырьков газа (Приложение 1. рис.5) Со временем гвоздь темнеет, а раствор покрывается ржавчиной. В пробирке №6, где контакт раствора с воздухом был ограничен подсолнечным маслом, появление ржавчины не произошло. Наглядно результаты эксперимента представлены в таблице №1 Приложения 1. И на рис 1. Приложения 2. 12 ВЫВОДЫ 1. Коррозии способствует присутствие воды. 4Fe + 6Н2О + ЗО2 = 4Fe(OH)3 2. Коррозия усиливается в присутствии растворов солей, из-за агрессивности среды, которая создается растворимыми солями ; 3. Коррозия усиливается в присутствии менее активного металла. При контакте железа с медью усиливается разрушение железа вследствие электрохимической коррозии, т. к. железо более активный металл, чем медь (в электрохимическом ряду напряжений металлов железо стоит левее меди ; 4. Коррозия ослабляется в присутствии более активного металла, при контакте железа с цинком явление коррозии железа практически не выражено. В данном случае электрохимическая коррозия затронула цинк, как более активный металл; 5. В кислой среде железо разрушается, а коррозия усиливается, можно выразить в виде уравнения реакции: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑ 6. Отсутствие кислорода снижает время наступления коррозионных процессов; 7. В щелочной среде коррозия не происходит, так как щелочь ингибирует (замедляет) процесс ржавления. 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ С развитием науки о коррозии и защите металлов методы предохранения металлических конструкций и сооружений от коррозии все более и более совершенствуются. Появляются новые, неизвестные ранее способы защиты, которые дают возможность успешно эксплуатировать металлы и сплавы во все усложняющихся условиях современной техники. Несомненно, успехи в открытии и усовершенствовании средств антикоррозионной защиты возможны только при одновременном углубленном развитии научной основы коррозионных явлений и установлении функциональной количественной зависимости кинетики коррозионных процессов от различных факторов, как со стороны металла, так и со стороны коррозионной среды. В настоящее время интенсивно усовершенствуется технология антикоррозионной защиты, и бурно развиваются научные методы исследования коррозионных процессов в самых разнообразных условиях. Я узнала, что существуют вещества усиливающие ржавление железа и вещества, которые препятствуют коррозии. Знание о факторах, влияющих на появление ржавчины или, наоборот, на ликвидацию коррозии, могут оказать неоценимую помощь и в повседневной жизни человека. Это проявляется в правильности хранения продуктов питания, хранении орудий труда и строительства. Чтобы предотвратить глобальные катастрофы на судах, фабриках, заводах, нужно упорно изучать методы защиты от этой проблемы. И в то же время необходимо найти применение коррозии металлов. Одним из направлений может быть её применение для разрушения конструкций в труднодоступных местах. Изучая коррозию более подробно, видим, что она оказывает как отрицательное, так и положительное влияние. Разрушение металлов и сплавов можно применить как один из способов борьбы с космическим мусором. Коррозия металлов осуществляется в соответствие с законами природы, и поэтому её нельзя полностью устранить, её можно лишь замедлить. Таким образом, знание о коррозионных процессах важно знать не только инженеру, архитектору, скульптору, водителю или механику, но и простому обывателю. 14 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Багоцкий В.С. Основы электрохимии. – М.:Химия, 1988.-400 с 2. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; 3. Венецкий С.И. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986. 4. Люблинский Е.Я. Что нужно знать о коррозии. Л.: Лениздат, 1980, С. 7. 5. Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; 6. Химия. Пособие-репетитор. Под ред. А.С.Егорова. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996; 7. Шевченко А.А.- Химическое сопротивление неметаллических материалов и защита от коррозии. Учебное пособие. Химия, КОЛОСС; 2004 г.; 248 стр.. 8. http://him.1september.ru/2006/17/32.htm 9. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D1%80%D0%BE%D0%B7%D0 %B8%D1%8F 10. http://festival.1september.ru/articles/581254 11. http://www.okorrozii.com/ 15 ПРИЛОЖЕНИЕ 16 Приложение 1 Рис. 1 (С лева на право) 1- гвоздь покрытый лаком; 2- Гвоздь содержащийся в воде дистиллированной с доступом кислорода; 3- гвоздь из раствора хлорида натрия; 4- гвоздь из раствора хлорида кальция; гвоздь из раствора; 5- гвоздь, был обмотан медной проволокой.; 6гвоздь , который был помещен в раствор с дистиллированной водой без доступа кислорода; 7Гвоздь, который находился в растворе питьевой соды; 8 – гвоздь, который находился в растворе соляной кислоты; 9- контрольный гвоздь. Рис.2(а) Железный гвоздь обмотан Рис 2(б) Железный гвоздь после 2-х недель медной проволокой в воде; пребывания в воде. Рядом медная проволока, которой был обмотан гвоздь; 17 Рис. 3 Железный гвоздь Рис.4 Железный гвоздь в Рис 5 Железный гвоздь в . в растворе хлорида кальция; растворе поваренной соли; растворе соляной кислоты; 18