Исследовательская работа «Влияние среды на ржавление железного гвоздя»
Влияние среды на ржавление железного гвоздя.
МБОУ «Гимназия» п.г.т. Богатые Сабы
Сабинского муниципального района
учитель Миннегалиева А.М.
История изучения коррозии металлов.
Современное понятие о коррозии.
Заключение. Методы защиты металлов от коррозии.
Список используемой литературы.
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.
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
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:
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
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
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:
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.
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.
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.
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.ГабриелянО.С. Химия 9, 10. М. 2003г.
2.Кукушкин Ю. Химия вокруг нас. М., 1992г.
3.Мезенин Н. Занимательно о железе. М., 1
Источник
Про железо
Мы до сих пор живем в железном веке. Несмотря на устремленность к новым материалам, таким как разнообразная керамика, полимеры, композиты и т.п., все же основными конструкционными материалами нашей цивилизации остаются металлы, и главный из них – железо. Автомобили, железные дороги, ножи и топоры – все это немыслимо для нас без железа и его сплавов. Однако так ли неуязвима железная «опора» нашего мира!
Горит ли железо?
В домах пожарные лестницы изготовлены из железа. Значит, пожарные рассчитывают на их безопасность? Но мы не будем полагаться на чужое мнение. Проверим сами!
Внесем железный гвоздь в пламя горелки. Если бы вместо железа была бумага, она бы уже загорелась. Но, может, надо просто дольше греть? Греем еще. Уже загорелась бы и сырая деревяшка. Гвоздь уже светится, настолько он раскалился, а загораться не хочет.
Но в воздухе всего около 20% кислорода, а в чистом кислороде вещества должны гореть лучше. Осторожно опустим раскаленный гвоздь в банку с кислородом. Откуда взять кислород? Например, из кислородной подушки. Заполним кислородом прозрачную банку или колбу с широким горлом, вытесняя из нее током кислорода заранее налитую воду. Банку накрываем стеклянной пластинкой или другой крышкой, чтобы кислород не улетучился, пока мы возимся с гвоздем.
Снова ничего не получается, гвоздь в кислороде не горит. Можем ли мы быть уверены, что железо не горит никогда?
Конечно, нет! И наверняка вы видели горящее железо. Замечательные искры в пиротехнических фонтанчиках обусловлены сгоранием чугунных опилок, то есть мелко покрошенного железа. Оно сгорает в кислороде, выделяющемся при разложении другого компонента пиротехнической смеси.
Чем мельче раскрошено вещество, тем активнее оно со всем реагирует, в том числе горит. Можно напилить опилок, например, с чугунной гири, поместить их металлическую ложечку, хорошо разогреть и внести в банку с кислородом – опилки загорятся (опыт не всегда получается с первого раза, будем терпеливы; лучше всего «помочь» процессу, перед самым внесением поместив в ложечку горящую спичку). Возможно использовать и тонкую железную проволоку, на конце завитую в небольшую спираль, с прикрепленной к ней спичкой. При удаче проволока, внесенная в банку с кислородом, зажигается от спички и горит, разбрасывая красивые искры.
А можно ли измельчить железо так, чтобы оно загоралось не только в кислороде, но и на воздухе? Напильником – нет. Но вполне реально получить очень мелкодисперсное железо с помощью химической реакции. Для этого нам понадобится соль железа и щавелевой кислоты – оксалат железа (II).
При нагревании оксалат железа разлагается, его желтоватая окраска сменяется более темной – это образуется железо в виде очень тонкого черного порошка. Почему оно черное, а не серое с металлическим блеском, как мы привыкли? Потому что частички железа чрезвычайно мелкие. Если, не охлаждая, медленно вытряхнуть порошок из пробирки с высоты на негорючую подложку (например, асбестовый лист), то частички железа, падая, трутся о воздух и загораются. Сами, без всякого поджигания! Вот что значит мелкодисперсное железо. Выходит, железо может быть не только горючим, но и пожароопасным. Все зависит от размера его частиц.
Видео: Горит ли железо? Гвоздь не загорается даже в пламени паяльной горелки, а мельчайшие частицы железа, образующиеся при разложении оксалата, самовоспламеняются от трения о воздух.
Впрочем, на самом деле, если хорошенько постараться, можно зажечь и большой кусок железа. Чтобы стальная балка загорелась в кислороде, нужно нагреть ее до 1200-1300 °С. Именно при таких температурах происходит кислородная резка стали . А при температурах ядерного взрыва железо прекрасно горит и на воздухе.
Растворяется ли железо?
Правильный ответ: смотря в чем. Железо неплохо растворяется в кислотах с протеканием химической реакции. Исключения – концентрированные серная и азотная кислоты. Они реагируют с железом с поверхности, превращая его в прочный твердый оксид, который препятствует дальнейшему взаимодействию. Поэтому серную и азотную кислоты можно возить в железных цистернах (но только концентрированные! разбавленные прекрасно растворяют железо).
Однако чаще всего нас интересует растворимость в воде. И это правильно: кислоты еще поискать надо, а вода – везде. Положим гвоздь в стакан с водой, помешаем… Ничего не происходит. Возьмем железные опилки – тоже не растворяются. Значит, можно рассчитывать на надежность железных конструкций в воде?
Не стоит торопиться. Оставим гвоздь в стакане на несколько дней. Вот тут уже станут заметны изменения. На гвозде появятся рыжие язвочки – ржавчина. Это гидроксид железа (III) Fe2O3*nH2O. Строго говоря, ржавление – один из видов коррозии металла, т.е. разрушения при взаимодействии с компонентами окружающей среды – это не растворение. Но гидроксид железа рыхлый и отнюдь не препятствует дальнейшему разрушению железа. В итоге вода может проесть металл насквозь, если конструкция достаточно велика, а маленькое железное изделие и вовсе уничтожить. Медленно, но верно.
С коррозией можно бороться: шлифовать поверхность железного изделия, чтобы уменьшить площадь контакта с водой; подщелачивать воду; покрывать железо слоем краски или смазки; подавать на него положительный электрический заряд, делая непривлекательным для окислителя в лице воды; «подставлять» врагу-воде на растерзание более активный металл, например, цинк… Но по сути, это борьба с ветряными мельницами. Рано или поздно ржавчина возьмет свое.
У железа масса преимуществ перед другими металлами. Оно широко распространено, дешево, просто в получении, довольно твердо и при этом неплохо поддается обработке – оптимальное сочетание. Но век его недолог. На нашей водной планете, в кислородной атмосфере мало шансов, что спустя тысячелетия археологи найдут железные остатки нашей цивилизации.
Если вам было интересно – ставьте плюсик. Пишите в комментариях, о чем еще рассказать.
Источник
