Что угрожает железу

Муниципальная  научно-практическая конференция

«Шаг в будущее»

Секция: «Химия»

        Тема «Что угрожает железу»        

Авторы  работы:  Кочубей Максим и Янкин Степан,

5 «б» класс,  МОУ “СОШ№1 г. Пугачева

Саратовской    области  имени Т.Г. Мазура»

Научный руководитель:

Сафонова Татьяна Викторовна,

учитель химии  МОУ “СОШ №1 г.Пугачева

Саратовской области   имени Т.Г. Мазура»

г. Пугачев, ул. Топорковская, д.40/1

т. 2-33-27

Пугачев  2014

Оглавление:

1. Введение

 Проблема у железа  ………………………………………………………4-5

2. Основная часть

Что такое коррозия…………………………………………………………………………………..6

Химическая и  электрохимическая коррозия ……………………………7

Меры защиты металлов от коррозии……………………………………..8-9

       3. Заключение

 Металлы – основа цивилизации на Земле………………………………10

4. Литература………………………………………………………………………………….11

Цель:

изучить виды коррозии: химическую и электрохимическую; протекание  ее в различных средах и меры защиты металлов от коррозии.

Задачи:

•  использовать приобретённые знания для объяснения явлений окружающей среды;

• научиться грамотному использованию металлических изделий;

• развивать умения проведения химического эксперимента с соблюдением правил Техники безопасности;

   Железо – элемент, всем хорошо известный. Железо используют как в чистом виде, так и в составе различных сплавов. О значении железа очень ярко сказал академик А. Е. Ферсман: «Я хочу поразить читателя и нарисовать картину того, что было бы с человеком, если бы он вдруг узнал, что все железо на поверхности земли исчезло и что его ниоткуда больше достать нельзя. Правда, он узнал бы это довольно решительным образом, ибо исчезли бы его кровать, распалась бы вся мебель, уничтожились все гвозди, обвалились потолки и развалилась  крыша. На улицах стоял бы ужас разрушения: ни рельсов, ни вагонов, ни паровозов, ни автомобилей, ни экипажей, ни решеток не оказалось бы, даже камни мостовой превратились бы в глинистую труху, а растения начали бы чахнуть и гибнуть без живительного металла. Разрушение ураганом прошло бы по всей Земле, и гибель человека сделалась бы неминуемой».

    Иногда создается впечатление, что природа, творя железо, снабдила его таким комплексом свойств, которые необходимы и вполне достаточны, чтобы сполна удовлетворить все разнообразные нужды человека. Ошиблась природа в одном: не обеспечила железо устойчивостью к внешней среде – оно легко корродирует и этим создает человеку очень много проблем научных, технических и, конечно, материальных. Человеку приходится применять сложные и чрезвычайно энергоемкие металлургические процессы, чтобы извлечь металлы из химических соединений, в виде которых они находятся в рудах. «Поедают» металл все вещества, которые могут с ним реагировать: кислород и вода, кислоты и щелочи, растворы солей (морская вода).

   Аппетит у «металлоедов» чудовищный – ежегодно они уносят до 30% производимого металла; 2/3 этого количества в виде металлолома возвращаются в промышленность, а 1/3 теряется безвозвратно. Но убытки этим не ограничиваются.  Какие еще расходы возникают в результате коррозии?

    Стоимость деталей и конструкций, вышедших из строя вследствие коррозии, выше стоимости самого металла. По причине коррозии случаются аварии. Коррозия увеличивает расходы на ремонт машин, на бензин. Значительные средства требует профилактика коррозии. Таким образом, коррозия порождает своеобразную цепную реакцию расходов, которые растут как снежный ком, причем косвенные расходы во много раз превышают прямые.  В природе, хотя и очень редко, но встречается самородное железо. Его происхождение считают метеоритным, т.е. космическим, а не земным. Поэтому первые изделия из железа (они изготавливались из самородков) ценились очень высоко – гораздо выше, чем из серебра и даже золота.

  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.

  Цель нашей  работы состоит в том, чтобы узнать, что такое коррозия, как она происходит, и какие  предпринять  меры защиты металлов от коррозии.

  Несмотря на то, что тема  достаточно изучена, проблема остается актуальной, так как потери железа очень велики  из-за коррозии.

   Значительную долю результатов труда у людей отнимает злейший враг металлов – коррозия. В процессе коррозии металлы снова превращаются в сложные вещества, подобные тем, которые содержались в рудах. О коррозии упоминается даже в Ветхом Завете: «не сотвори себе кумира на земле, ибо ржавчина и моль его разрушат»

  Хвастается новенький металл:

 «Как силен я, смел и как удал!

  Неподвластен никакой угрозе я,

   Кроме рыжей крысы с именем «коррозия».

  В чем сущность этого процесса? Как бороться с коррозией? Именно этому мы  посвятили  свою исследовательскую работу.

  Сначала мы  решили подковать себя теоретически. И вот что  узнали.

  Коррозия - от латинского corrodere - разъедать. Больше всего страдают от коррозии сплавы на основе железа - главные материалы современной техники. Есть старая, но очень точная поговорка: "ржа ест железо". Около 20% железа, производимого ежегодно, идет на замену железных изделий, пришедших в негодность из-за ржавления. За коррозией следует эрозия - разрушение металлических изделий в результате механических воздействий, после чего металл уже непригоден.

  Мы сделали вывод, что различают несколько видов коррозии:

- по характеру разрушения: сплошная, точечная, язвенная, межкристаллическая и др. (особенно опасна межкристаллическая коррозия, которая, не разрушая металл с поверхности, распространяется вглубь по границам составляющих металл частиц-кристаллов);

- по природе агрессивных сред: воздушная, почвенная, морская, биологическая (вызванная водорослями, моллюсками, плесенью), газовая;

- по механизму возникновения: химическая, электрохимическая.

  Химическая коррозия протекает в средах, не проводящих электрический ток (в газах, нефти), при высоких температурах, когда невозможна конденсация водяного пара. Ей подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин, аппаратура химической промышленности.

   Электрохимическая коррозия возможна в присутствии влаги и распространена значительно шире, чем химическая. Ей подвергаются подводные части судов в морской и пресной воде, металлические сооружения и конструкции под водой и в атмосфере, паровые котлы, проложенные в грунте трубопроводы, оболочки кабелей и др. В начале XIX в. один из основателей электрохимии Г. Деви и его ученик М. Фарадей изучают процесс электрохимической коррозии и 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.

  Мы провели  эксперимент – изучили факторы, влияющие на скорость коррозии.

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

2 пробирка: Железный гвоздь + кипяченая дистиллированная вода

3 пробирка: Железный гвоздь + дистиллированная вода

4 пробирка: Железный гвоздь + раствор хлорида натрия

5 пробирка: Железный гвоздь + медная проволока + раствор хлорида натрия

6 пробирка: Железный гвоздь + цинковая пластинка + раствор хлорида натрия.

Признаки коррозии  мы  наблюдали  в пробирках 3,4,5.

  На основании опыта  сделали вывод, что коррозию железа вызывают такие компоненты окружающей среды, как вода, кислород, водные растворы солей. Это химическая коррозия. В пробирке №5 разрушалось железо, а в пробирке №6 – цинк. Эти металлы (железо, цинк и медь) отличаются своей активностью,  разрушается в паре  в водной среде – более активный. Это электрохимическая коррозия.

  Далее, поняв масштабы коррозийного бедствия, решили узнать, как защитить металлы.

  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 из-за 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.

  Люди издавна интересовались вопросами защиты металлов от коррозии. Древнегреческий историк Геродот (V в. до н. э.), древнеримский ученый Плиний Старший (I в. н. э.) упоминают о применении олова для защиты железа от ржавчины.

  Средневековые алхимики мечтали о получении нержавеющего железа.

  В начале XIX в. по заказу одного миллионера была построена яхта "Зов моря". Дно ее было обшито монель-металлом (сплав меди и никеля), а рама руля и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода (монель-металла), стального анода и раствора электролита - морской воды.

  Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя. "Зов моря" остался в истории мореплавания примером конструкторской недальновидности.

  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, легированные молибденом и вольфрамом.

  В январе 1986 г. в Брюсселе проходила международная автомобильная выставка, на которой демонстрировали более 1300 автомобилей из трех десятков стран. Всеобщее внимание привлекли машины шведской фирмы "Вольво", которая сумела существенно повысить антикоррозионную стойкость своей продукции и давала покупателям соответствующую гарантию. Чтобы ни у кого не возникло сомнений, фирма придумала оригинальную рекламу: на одном из ее стендов был установлен гигантский аквариум с водой, в котором, пока функционировала выставка, все время находился автомобильный остов, прошедший перед этим специальную антикоррозионную обработку. "Не знаем, как насчет восьми лет, - шутила одна из бельгийских газет, - металлическая рыбка "Вольво" не поржавела".

   Таким образом, мы  узнали, что к основным  способам защиты металлов от коррозии относятся:

- Отделение металла от агрессивной среды (окраска, смазка, покрытие лаками, эмалями).

- Изготовление сплавов, стойких к коррозии.

- Защита металлов более активным металлом (например, оцинкованное железо). К доньям кораблей прикрепляют протекторы - слитки металла более активного, чем обшивка для корабля.

  Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Их широкое внедрение в промышленное строительство и транспорт произошло на рубеже XVIII-XIX. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Начало практического использования человеком железа относят к IX веку до нашей эры. Именно в этот период человечество перешло из бронзового века в век железный.  В XXI веке высокие темпы развития промышленности, интенсификация производственных процессов, повышение основных технологических параметров (температура, давление, концентрация реагирующих средств и др.) предъявляют высокие требования к надежной эксплуатации технологического оборудования и строительных конструкций. Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и применению в связи с этим высококачественных химически стойких материалов. Необходимость осуществления мероприятий по защите от коррозии диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10% ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих металлических конструкций, т.к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло- и электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества. К потерям, которые терпит народное хозяйство от коррозии, должны быть отнесены также громадные затраты на всякого рода защитные антикоррозионные мероприятия, ущерб от ухудшения качества выпускаемой продукции, выход из строя оборудования, аварий в производстве и так далее.

   Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей большое значение для народного хозяйства.

   Коррозия является физико-химическим процессом, защита же от коррозии металлов – проблема химии в чистом виде.

  Примерно 90 % всех используемых человечеством металлов - это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире очень много, примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о других металлах. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны, дешевы. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.

Список использованной литературы:

1. Андреев И.Н. Коррозия металлов и их защита. – Казань: Татарское книжное издательство, 1979.
2. Войтович В.А., Мокеева Л.Н. Биологическая коррозия. – М.: Знание, 1980, № 10.
3. Краткая химическая энциклопедия под редакцией И.А. Кнуянц и др. – М.:
4. Лукьянов П.М. Краткая история химической промышленности. – М.: Издательство АН СССР, 1959.
5.  Советский энциклопедический словарь. – М.: Советская энциклопедия, 1983.
6. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. – Л.: Химия, 1989.

Приложение 1. Эксперимент для проекта «Что угрожает железу»