«Исследование влияния различных факторов на коррозию металлов»

Министерство образования и науки Республики Бурятия

МКУ образования Джидинского района

        Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Оёрская средняя общеобразовательная школа»

                                                    Секция: Химия

Тема исследовательской работы:

«Исследование влияния различных факторов

 на коррозию металлов»

                                                    Выполнил: Машеев Амирид, ученик 9 класса

                                                Руководитель: Машеева Мария Дашеевна,

                                                     учитель химии МБОУ «Оёрская СОШ»

2023 г.

Оглавление

Стр.

1. Введение………………………………………………………...1
2. Теоретическая часть

1. Понятие «коррозия» ………………………………………... 2
2. Классификация видов коррозии металлов …………………2 – 4
3. Способы зашиты металлов от коррозии:

А. Нанесение защитных покрытий………………………    4 – 5

Б.  Протекторная защита…………………………………… 5

В.  Легирование………………………………………………5

Г.  Введение ингибиторов…………………………………   5 – 6

       III.      Практическая часть

                  Исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов

                   Опыт 1. Роль кислорода воздуха в коррозии железа………  6

                   Опыт 2. Влияние природы металлов на процесс коррозии…6

                   Опыт 3. Влияние электролитов на процесс коррозии……… 6

                   Опыт 4. Коррозия при контакте двух различных металлов…7

                   Опыт 5. Химическая и электрохимическая коррозия цинка   7

                   Опыт №6. Ионы хлора как активаторы коррозии……………7

                   Опыт №7. Влияние ингибиторов на процесс коррозии………8

4. Заключение ……………………………………………………      8-9
5. Список литературы……………………………………………      10
6. Приложение

I. Введение

С изделиями железа мы встречаемся на каждом шагу и знаем, как много хлопот доставляет его ржавление и сама ржавчина. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы коррозируют, но не ржавеют. Хотя коррозируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще сталкивается с коррозией железа и его сплавов. [1]

Коррозия наносит не только прямой ущерб (ежегодно от нее теряется около трети произведенного за год во всем мире металла), но и косвенный: ведь разрушаются конструкции, на которых затрачен огромный труд (машины, крыши, памятники, мосты), также тратятся огромные средства на борьбу с этим явлением. [2]

Также коррозия вызывает и серьезные экологические последствия. Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно воздействует на жизнь и здоровье людей.

Возникает вопрос: Что же такое коррозия, какие факторы определяют ее протекание?

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

Для выполнения поставленной цели следует решить задачи:

 1.  Изучить литературные источники и материалы из интернета;

 2.Исследовать влияние внешних условий на процесс коррозии металлов;                                      

 3. Ознакомиться со способами защиты металлов от коррозии.

Методы исследования: визуальное наблюдение, химический эксперимент, описание, наблюдение, анализ.

Объект исследования: коррозия металлов.

Предмет исследования: влияние различных факторов на процесс коррозии.

Гипотеза исследования: Если на коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние определенные условия, значит есть вещества, ускоряющие и замедляющие коррозию металлов, тем самым можно регулировать процесс коррозии.

II. Теоретическая часть

1.  Понятие «коррозия».

Металлы составляют одну из основ цивилизации на Земле. Среди них как конструкционный материал выделяется железо и его сплавы. Объем промышленного производства железа в 20 раз больше, чем объем производства других металлов вместе взятых. Причиной коррозии металлов является способность некоторых металлов и их сплавов вступать в окислительно-восстановительные реакции с веществами окружающей среды. Процессы коррозии необратимы, поэтому их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, давать количественную оценку коррозионного повреждения, прогнозировать опасность развития коррозии. Установление причин коррозионного разрушения позволяет правильно выбрать методы защиты. [3]

2.  Классификация видов коррозии металлов.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов:

А) Химическая коррозия развивается при контакте металла с растворами неэлектролитов или с газами при высокой температуре (газовая коррозия). Суть ее – в непосредственном окислении металла веществами окружающей среды. Химическая коррозия встречается на химических производствах (при контакте металлов с кислородом, галогенами, углекислым газом СО2, сернистым газом SO2, оксидами азота, парами воды и другими окислителями), при зубопротезировании (в основном при изготовлении и починке протезов).  

Коррозионное разрушение железа и его сплавов в атмосфере кислорода обусловлено реакцией:

 4 Fe + 3O2 = 2 Fe2O3 или 4 Fe +3O2 + 6 H2O = 4 Fe(OH)3

C повышением температуры скорость коррозии возрастает. [4]

Б) электрохимическая коррозия металлов.

 Это вид коррозии происходит в среде, которая проводит электрический ток. Металл в грунте подвергается, преимущественно, электрохимической коррозии. Также электрохимическая коррозия возникает в случае контакта металлов, находящихся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего возникает гальваническая пара: катод – анод.

Процесс коррозии металлов в растворах электролитов – это результат работы гальванических элементов, у которых в качестве катода выступают неметаллические примеси в металле, загрязнения, ненапряженные, недеформированные участки металлической поверхности, а в качестве анода – сам металл.

Атомы железа на разных участках имеют различные способности отдавать электроны (окисляться):   Fe0 – 2e- → Fe2+, участки металла, на которых   происходит окисление железа, выступают в роли анода. Остальные участки – катодные, на которых происходит процесс восстановления воды и кислорода:

 H2O + 2e- →2OH- + H2↑

 O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

  Fe2+  + 2OH-  →  Fe(OH)2

  4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4 Fe(OH)3 (ржавчина)

3) Способы защиты от коррозии

  Для предупреждения коррозии используется комплекс противокоррозионных мероприятий, включающий защиту металлических поверхностей различными методами, применение специальных сплавов с повышенной коррозионной стойкостью, обработку рабочей среды веществами, снижающими её коррозионную активность. [5,6]

А. Нанесение защитных покрытий.

- нанесение металлических покрытий. Для защиты металлов от коррозии широко применяются покрытия из цинка, никеля, хрома, свинца, олова, меди, кадмия и других металлов.

-Нанесение неметаллических покрытий. Эффективную защиту металлов от коррозии обеспечивают различные лакокрасочные покрытия.       Б.   Протекторная защита – к защищаемому изделию присоединяют протекторы – более активные металлы. Защита будет действовать до тех пор, пока полностью не растворится этот металл.

В. Катодная защита – защищаемое изделие соединяют с отрицательным полюсом источника постоянного тока, искусственно делают его катодом. Положительный полюс присоединяют к другому вспомогательному металлу, который помещают в ту же среду, что и защищаемое изделие.

Г. Легирование. При легировании в состав сплава входят компоненты, вызывающие пассивирование металла. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу: никеля, хрома, кобальта, вольфрама, кремния и т.д. [7]

Д. Введение ингибиторов – замедлителей коррозии. Ингибиторы создают на поверхности металла защитную пленку, либо уменьшают агрессивность среды. В качестве ингибиторов коррозии применяют многие неорганические и органические вещества. [3]

III. Практическая часть

Исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов [8]

Опыт 1. Роль кислорода воздуха в коррозии железа (фото 1)

  Налили в 4 пробирки дистиллированную воду, в одной из них воду прокипятили. В пробирку №1 налили воду, чтобы наполовину покрывала гвоздь, во №2 – полностью покрывала гвоздь, в №3 -  сверху воды налили растительное масло, в №4 – кипяченную воду и плотно закрыли пробкой. В каждую пробирку поместили железную гвоздь, предварительно очищенную наждачной бумагой.

Наблюдение:

Процесс коррозии железа можно выразить уравнением:

         4 Fe + 6H2O + 3O2 = 4Fe(OH)3

Опыт 2. Влияние природы металлов на процесс коррозии (фото 2)

 В 4 пробирки на 1/3 часть объема налили раствор хлорида натрия и в каждую пробирку прилили по 3 капли фенолфталеина. Поместили в пробирки кусочки металлов: в №1 – гранулу алюминия, в №2 – гранулу цинка, в №3 – маленькую железную гвоздь, в №4 – кусочек медной фольги.

 Наблюдение:

Опыт 3. Влияние электролитов на процесс коррозии (фото3)

В 5 пробирках налили растворы следующих электролитов: в №1 – водопроводную воду, в №2 – дистиллированную воду, в №3 – раствор хлорида натрия, в №4 – раствор гидроксида натрия, в №5 – раствор соляной кислоты. Опустили в пробирки железные гвозди и закрыли пробкой.

Опыт 4. Коррозия при контакте двух различных металлов (фото 4)

 В 3 пробирки налили раствор хлорида натрия. В №1 – поместили алюминиевую проволоку, соединенную с медной проволокой, в №2 – железную гвоздь, соединенную с цинком, в №3 – железную гвоздь, соединенную с медной проволокой.

Наблюдение: через неделю

Опыт 5. Химическая и электрохимическая коррозия цинка (фото 5)

В фарфоровую чашку налили раствор серной кислоты, опустили в нее гранулу цинка. Наблюдается слабое выделение водорода:

 Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 ↑

Затем опустили медную проволоку, не доводя ее до соприкосновения с цинком, далее медную проволоку подвели к цинку, чтобы они контактировали.

Наблюдение и выводы: 1. Выделение водорода при взаимодействии цинка с серной кислотой -  химическая коррозия; 2. При контакте медь – цинк наблюдается более энергичное выделение водорода на меди. Происходит электрохимическая коррозия -  образование гальванической пары:

анод (Zn) – Zn0 – 2е-   = Zn2+

катод (Cu) – 2H+ + 2е-   = H2

Опыт №6. Ионы хлора как активаторы коррозии (фото 6)

 В 2 пробирки положили алюминиевые гранулы и прилили раствор сульфата меди (II), слегка подкисленный серной кислотой. В одну из них добавили несколько капель раствора хлорида натрия.

Наблюдение и выводы: в первый момент ничего не наблюдается. После добавления хлорида натрия начинается реакция с выделением пузырьков газов, выделяется медь. В пробирке с хлоридом натрия процесс ускорился при выделении меди.

Опыт №7. Влияние ингибиторов на процесс коррозии (фото 7)

 В 3 пробирки налили раствор хлорида натрия и опустили железные гвозди. В№1 добавили раствор гидроксида натрия, в №2 – раствор фосфата натрия, в №3 – раствор дихромата калия и оставили на неделю.

Наблюдение и выводы: коррозия железа не наблюдалась. Данные вещества являются ингибиторами.

IV. Заключение

Изучив теоретический материал по теме и исследовав практически, выполняя химические опыты, мы пришли к следующим выводам:

1)  коррозия металлов – это опасный, нежелательный процесс, с которым нужно бороться;

2) коррозия металлов – это окислительно-восстановительный процесс разрушения металлов и сплавов под действием веществ окружающей среды;

3) кислород воздуха оказывает огромное влияние на процесс коррозии, являясь одним из наиболее агрессивных факторов, особенно в паре с водой;

4) на процесс коррозии влияет природа металла. Более активный металл коррозирует быстрее, чем малоактивный металл.

5) на процесс коррозии влияет среда раствора. Самой агрессивной средой для железа является растворы кислот и солей. В растворе хлорида натрия коррозия протекает активно, т.к. хлорид –ионы усиливают коррозию.

6) коррозия металла возникает в результате контакта двух металлов в растворе электролита, из-за чего возникает гальванический элемент и в результате идет разрушение более активного металла;

7) растворы NaOH, Na3PO4, K2Cr2O7 замедляют коррозию, т. е. являются ингибиторами.

       Таким образом, коррозия металлов и сплавов сильно зависит от условий внешней среды. Зная, какие условия и как влияет на процесс коррозии, можно регулировать этим процессом. Важнейшей проблемой остается поиск новых и совершенствование старых способов защиты металлов от коррозии.

V. Список литературы

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

2.     Габриелян О.С., Остроумов И.Г., С.А. Сладков С.А. Химия. 9 класс: учебник для общеобразовательных организаций. – 2 –е изд. – М. : Просвещение, 2020.

3.      Защита металлов от коррозии ингибиторами – StudFil. net

4.     Кузнецова Н.Е. , Литвинова Т.Н.,. Левкин А.Н.   Химия 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (профильный уровень)- М.: «Вентана-Граф», 2006.

5.      Метод металлических покрытий – материал из интернета

6.     Сычев А.П., Фадеев Г.Н. Химия металлов – М.: Просвещение, 1974

7.    Хлебников А.И.,. Аржанова И.Н.,. Напилкова О.А. - «Защита металлов от коррозии» - статья из интернета

       8.       Е.А. Вайтулевич, Г.В. Лямина. Коррозия металлов: методические указания.

– Томск: Изда-во Том. гос. архит-строит. ун-та, 2007