коррозия металлов в различных средах

 ПЛАН РАБОТЫ:

1. Введение.

2. История изучения коррозии металлов.

3. Современное понятие о коррозии.

4. Виды коррозии.

5. Практическая часть.

6. Заключение. Методы защиты металлов от коррозии.

7. Список используемой литературы.

 Введение.   

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

«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.

             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.

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.

Современное понятие о коррозии. Виды коррозии.

       И так, что же такое коррозия.

       Коррозия (от латинского слова «коррозио» - разъедание) – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой.

      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.

      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 тока. Она протекает по механизму гальванического элемента.

      Для того чтобы лучше понять механизм электрохимической коррозии, рассмотрим два примера:

     1 – растворение чистого цинка в кислоте;

     2 – растворение цинка, который находится в контакте с медью.

     Известно, что большинство химически чистых металлов устойчиво к воздействию внешней среды. Так, если химически чистый цинк поместить в раствор соляной кислоты, то сначала реакция протекает быстро, а затем постепенно замедляется. Это обусловлено тем, что ионы цинка переходят в раствор и образуют у поверхности метала слой положительно заряженных ионов. Этот слой является барьером, препятствующим проникновению одноименно заряженных ионов водорода к поверхности металла. Кроме этого, при растворении цинка в его кристаллической решетке накапливаются электроны, которые затрудняют дальнейший переход поверхностных ионов цинка в раствор. Это и приводит к замедлению взаимодействия цинка с кислотой.

                                    Рис.1 Химическая коррозия

                                          + + + + + + + + + +                                           

                                          + + + + + + + + + +                                          

                                       пластина чистого цинка

                            рис.2 Электрохимическая коррозия.

                                          + + + + + + + + + +    

                                          +      + +                 

                                 цинк в контакте с медью в кислоте

      Если же цинк находится в контакте с медью, то растворение цинка усиливается, что объясняется следующим образом. Медь в ряду напряжения металлов находится за водородом и с кислотами, у которых окислителем являются ионы водорода  не взаимодействует, поэтому в кристаллической решетке меди (в отличии от цинка) свободные электроны не накапливаются. При контакте этих двух металлов свободные электроны цинка переходят к меди и беспрепятственно восстанавливают ионы водорода.  Следовательно, в этом случае наряду с химическими процессами(отдача электронов) протекают и электрические (перенос электронов одного металла к другому).

       Освободившись от избыточных электронов, цинк снова посылает свои ионы в раствор, то есть окисляется , а вновь появившиеся избыточные электроны перемещаются к меди и так далее. Кроме этого, поверхностные ионы цинка теперь не удерживаются электростатическим притяжением электронов и распределяются по раствору. Таким образом, усиление коррозии цинка в контакте с медью объясняется возникновением короткозамкнутого гальванического элемента, в котором цинк выполняет роль анода, а медь – катода. Аналогично происходит коррозия металлов, которые, как правило, неоднородны и содержат те или иные примеси. В присутствии электролитов одни участки поверхности металла играют роль анода, другие – катода.

      На аноде происходит окисление атомов металла , при этом на металле остаются избыточные электроны. Роль анода выполняет более активный металл.

       На катоде происходит принятие электронов, которые поступают с анода, каким-либо окислителем (ионы, молекулы, которые содержатся в растворе электролита и способны восстанавливаться).

       В кислотах в качестве окислителя преимущественно выступают ионы водорода, тогда на катоде протекает следующий процесс:

       В нейтральной среде в качестве окислителя преимущественно выступает растворенный кислород, тогда на катоде протекает следующий процесс:  

       Роль катода выполняет менее активный металл или примесные включения.

      Скорость разрушения металла тем больше, чем дальше расположены соприкасающиеся металлы в ряду напряжений.

      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.

Практическая часть.

       При использовании металлических материалов очень важен вопрос о скорости их коррозии. Для того, что бы убедиться, мы решили провести опыт в различных средах и с различными металлами. Для проведения опыта мы приготовили 5 стаканов и 5 железных гвоздей.

1й стакан – заполнили обыкновенной водопроводной водой и опустили в

                    него гвоздь.

2й стакан – заполнили водопроводной водой, добавили поваренной соли

                    и опустили в него гвоздь.

3й стакан – заполнили водопроводной водой с поваренной солью, к гвоздю

                    прикрепили медную проволоку и опустили в стакан.

4й стакан - заполнили водопроводной водой с поваренной солью, к гвоздю

                   прикрепили предварительно зачищенную наждачной бумагой

                   алюминиевую проволоку и опустили в стакан.

5й стакан - заполнили водопроводной водой с поваренной солью,  добавили

                   в раствор гидроксид натрия и опустили в него железный гвоздь.

                   Результаты получились следующие:

 1.12.2009г Начало опыта:

      № 1                    № 2                  № 3                    № 4                    № 5

5.12.2009г.  

      № 1                       № 2                   № 3                 № 4                    № 5

Гвоздь начинает слабо         Коррозия гвоздя идет           Железный гвоздь             Гвоздь покрыт нале-        Гвоздь абсолютно

корродировать.                      сильнее чем в первом          покрыт слое ржав-           том ржавчины                   чист, коррозия не

                                                 стакане.                                чины.                                                                             идет.

15.12.2009г.

         № 1                     № 2                    № 3                   № 4                 № 5

Количество ржавчины          Ржавчины становится         Гвоздь покрыт боль-        Коррозия гвоздя уси-       Гвоздь абсолютно чист,

увеличивается                       больше                                 шим налетом ржавчины    ливается                            коррозия не идет.

25.12.2009г.  

         № 1                  № 2                      № 3                   № 4                   № 5

Гвоздь покрыт налетом      Гвоздь сильно покрыт на-     Коррозия идет интенсивно   Гвоздь постепенно разру-   Гвоздь абсолютно чист,

ржавчины, на дне стакана  летом ржавчины, толщина    большой слой осадка на       шается, покрываясь нале-    коррозия не идет

появился осадок из ржав-   осадка на дне стакана 0,3см.  дне стакана – 0.5 см.            том ржавчины, алюминии-

чины.                                                                                                                                       евая проволока не изменя-

                                                                                                                                                 ется.

15.01.2010г. Итоги опыта:

       № 1                   № 2                    № 3                     № 4                    № 5

1й стакан – железо слабо прокорродировало, в чистой воде коррозия идет

                    медленнее, так как вода слабый электролит. В данном случае мы

                    наблюдаем химическую коррозию.

2й стакан – химическая коррозия. Но здесь скорость коррозии гораздо выше,

                    чем в первом случае, следовательно, хлорид натрия увеличивает

                    скорость коррозии.

3й стакан –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.

                     А (+) на железе                                     на меди К(-)

4й стакан – так же наблюдается коррозия железного гвоздя, алюминиевая

                     проволока остается без изменений, хотя её перед началом опыта

                     была очищена от оксидной пленки наждачной бумагой, вероятно,

                     оксидная пленка образовалась снова.

5й стакан – железный гвоздь опущен в раствор хлорида натрия, к которому

                     добавили гидроксид натрия. Коррозия железа в данном случае

                     отсутствует.

    Выводы: Мы убедились на опыте, что коррозию железа можно уменьшить с

                     помощью гидроксида натрия. Он  замедляет процесс коррозии, а

                     гидроксид анионы являются ингибиторами, то есть замедлителями

                     коррозии. Из моих наблюдений можно сделать вывод, что

                     алюминий для протекторной защиты использовать нельзя, так как

                     железо все равно разрушается.

           Заключение. Методы защиты металлов от коррозии.

           Для защиты металлов от коррозии используют различные методы:

1. Легирование металлов. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, кремний, кобальт и другие элементы. Так, нержавеющая сталь содержит до 18 % хрома и до 10% никеля.

2. Металл изолируют от контакта с окружающей средой путем применения различных покрытий, которые можно разбить на две группы: неметаллические – эмали, лаки, краски; металлические – лужение (покрытие оловом), цинкование, никелирование. Но если, например, целостность поверхности луженного железа нарушена, то, поскольку защищающий металл (олово) менее активен, разрушаться будет железо.

3. Можно для защиты железа так же использовать протекторную защиту с помощью более активного металла, который будет вызывать действие агрессивной среды на себя, например – цинк или магний.

4. Понижение агрессивных свойств среды достигается добавлением в раствор веществ, замедляющих коррозию, - ингибиторов. В зависимости от природы металла и раствора применяют различные ингибиторы. Так, для защиты железа и стали в нейтральных средах можно использовать щелочи.

О том, что с коррозией металлов можно бороться мы убедились на нашем опыте.

                        Список используемой литературы:

1. Беккерт М.  Мир металла.  М., 1980г.

2. Венецкий С.  В мире металлов.  М., 1988г.

3. Кукушкин Ю.  Химия вокруг нас.  М., 1992г.

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

5. Улиг Г., Реви Р.  Коррозия и борьба с ней.  Л., 1989г.

6. Химическая энциклопедия Т.2. М., 1990г.

Новошинский И.И., Новошинская Н.С.  Химия 9, 10. М. 2003г.