МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «Средняя общеобразовательная школа №19» города Курска ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ Предметная область: «ХИМИЯ» ТЕМА: «Изучение влияния различных факторов на протекание процесса коррозии металлов» Выполнила: Обучающаяся 9 «Б» класса Будякова Инга Руководитель проекта: Бондарева Светлана Николаевна, Учитель химии и биологии Курск, 2024 СОДЕРЖАНИЕ Введение................................................................................................. 3 Глава 1. Теория коррозии металлов .................................................... 5 1.1. Понятие коррозии металлов.......................................................... 5 1.2. Виды коррозии металлов............................................................... 6 1.2.1. Химическая коррозия ................................................................. 6 1.2.2. Электрохимическая коррозия ................................................... 7 1.3. Защита металлов от коррозии ....................................................... 8 Глава 2. Исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов ........................................................................................ 10 2.1. Методика исследований .............................................................. 10 2.2. Результаты исследований ............................................................ 12 Заключение .......................................................................................... 15 Список литературы ............................................................................. 17 Приложения ......................................................................................... 18 Приложение 1 ...................................................................................... 18 Приложение 2 ...................................................................................... 19 Приложение 3 ...................................................................................... 21 Приложение 4 ...................................................................................... 22 Приложение 5 ...................................................................................... 22 Приложение 6 ...................................................................................... 24 2 ВВЕДЕНИЕ Жизнь человека без металлов невозможна. Металлы и их сплавы являются наиболее важными конструкционными материалами. Но, к сожалению, очень часто под воздействием окружающей среды поверхность металла самопроизвольно разрушается, вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Процесс самопроизвольного разрушения металлов под воздействием окружающей среды называют коррозией. Коррозия металлов наносит большой экономический вред. Человечество несет огромные материальные потери в результате коррозии 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, 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. 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. Таким образом, потери от коррозии в сотни раз превосходят стоимость металла. 3 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. Процессы коррозии необратимы, поэтому их необходимо обнаруживать на ранних стадиях, давать количественную оценку коррозионного повреждения, прогнозировать опасность развития в случае непринятия мер по усилению коррозионной защиты. Установление причин коррозионного разрушения позволяет правильно выбрать метод защиты. Цель работы: исследование влияния различных факторов на процесс коррозии металлов. Актуальность исследования обусловлена тем, что ежегодно до 20% выплавленного, обработанного и воплощенного в конструкции металла разрушается от коррозии. Объект исследования: коррозионный процесс, протекающий в металлах и сплавах. Предмет исследования: коррозия. Методы исследования: визуальное наблюдение, химический эксперимент Гипотеза исследования: на коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние природа металла, минеральный состав воды, температура окружающего воздуха и т.д. Задачи исследования: 1. Изучить явление коррозии в различных системах, используя методы качественного и количественного анализа. 2. Установить влияние природы металла на коррозию. 3. Установить влияние природы и состава раствора на коррозию металлов. 4. Установить влияние температуры на коррозию металлов. 4 ГЛАВА 1. ТЕОРИЯ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ 1.1. Понятие коррозии металлов Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodere», что означает «разъедать». Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, дерево, пластмассы и другие полимерные материалы. Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. В основе этого взаимодействия лежат химические и электрохимические реакции, а иногда и механическое воздействие внешней среды. Способность металлов сопротивляться воздействию среды называется коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением материала. Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом, а среда, в которой протекает коррозионный процесс - коррозионной средой. В результате коррозии изменяются свойства металла, и часто происходит ухудшение его функциональных характеристик. Металл при коррозии может частично или полностью разрушаться. Химические соединения, образующиеся в результате взаимодействия металла и коррозионной среды, называют продуктами коррозии. Продукты коррозии могут оставаться на поверхности металла в виде оксидных пленок, окалины или ржавчины. В зависимости от степени сцепления продуктов коррозии с поверхностью металла наблюдаются различные случаи. Например, ржавчина на поверхности железных сплавов образует рыхлый слой, процесс коррозии распространяется далеко вглубь металла и может привести к образованию сквозных язв и свищей. Напротив, при окислении алюминия на поверхности образуется плотная сплошная пленка оксидов, которая предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Коррозия является физико-химическим процессом, и закономерности ее протекания определяются общими законами термодинамики и кинетики 5 гетерогенных систем. Различают внутренние и внешние факторы коррозии. Внутренние факторы характеризуют влияние на вид и скорость коррозии металла (природа, состав, структура и т.д.). Внешние факторы определяют влияние на коррозию состава коррозионной среды и условий протекания коррозии (температура, давление). 1.2. Виды коррозии металлов Различают два основных вида коррозии металлов: химическую и электрохимическую. 1.2.1. Химическая коррозия металлов Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами (газовая коррозия) при повышенных температурах и не сопровождается возникновением электрического тока. Газовой коррозии подвергаются металлы при термической обработке (ковка, прокат), детали двигателей внутреннего сгорания, арматура печей и т.д. Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки. Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связанная с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные оксидные пленки образуются у Zn, Al, Cr, Ni, Pb, Nb, и др. У железа же оксидная пленка рыхлая, пористая и легко отделяется от поверхности и поэтому не способна защищать металл от дальнейшего разрушения. На поверхности щелочных и щелочно-земельных металлов в процессе окисления кислородом воздуха также образуются толстые, рыхлые оксидные пленки, которые не защищают эти металлы от разрушения. Химическая коррозия протекает не только в сухих газах, но и в неэлектролитах (бензин, керосин, дизельное топливо и т.д.). Например, коррозия бензобаков автомобилей, оборудования. 6 нефтепроводов, нефтехимического 1.2.2. Электрохимическая коррозия Этот вид коррозии происходит в токопроводящей среде - в электролите. Электролиты - вещества, растворы которых проводят электрический ток (например, минеральные соли, содержащиеся в морской воде). Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат металлы различных примесей. При контакте их с растворами электролитов одни участки поверхности начинают выполнять роль анода (отдают электроны), а другие - роль катода (принимают электроны). Если два различных металла (Zn и Fe), находящихся в контакте между собой, опустить в водный раствор электролита (например, грунтовая вода), то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений металлов левее (Zn), будет разрушаться, предохраняя тем самым менее активный металл (Fe) от коррозии. Цинк, отдавая электроны (разрушается), выполняет роль анода, а железо, принимая электроны - роль катода. При этом Zn заряжается отрицательно, а Fe - положительно. Если соединить эти металлы проводником через гальванометр, то он покажет наличие тока. Важнейшими окислителями, вызывающими электрохимическую коррозию являются катионы водорода и растворенный кислород. Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы, находящиеся в составе сплава по своей активности, т.е. чем дальше они расположены в электрохимическом ряду напряжений металлов друг от друга. Усиливается коррозия и при увеличении температуры. Итак, электрохимическая коррозия — это окислительно- восстановительная реакция, происходящая в средах, проводящих ток (в отличие от химической коррозии). 1.3. Защита металлов от коррозии 7 Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и прежде всего легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н, э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии. 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. 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 низкой газопроницаемостью, высокими 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. Поэтому большое значение имеет качество покрытия — толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. Для защиты металлов от коррозии используют стекловидные и фарфоровые эмали. Эмали обладают высокими защитными свойствами, 8 которые обусловлены их непроницаемостью для воды и воздуха (газов) даже при длительном контакте. Их важным качеством является высокая стойкость при повышенных температурах. К основным недостаткам эмалевых покрытий относят чувствительность к механическим и термическим ударам. При длительной эксплуатации на поверхности эмалевых покрытий может появиться сетка трещин, которая обеспечивает доступ влаги и воздуха к металлу вследствие чего и начинается коррозия. Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Металлические покрытия делят на две группы: коррозионно-стойкие 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. С протекторной защитой весьма сходна катодная защита металлов от коррозии. Можно сказать, что катодная защита является модификацией протекторной защиты. В данном случае металлическая конструкция или корпус корабля присоединяются к катоду источника постоянного тока и тем самым защищают его от растворения. ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ 2.1. Методика исследований Для изучения процесса коррозии был выбран широко используемый металл – железо, а также пары металлов «железо – медь», «железо – алюминий». Для качественного изучения влияния среды раствора на коррозию 9 железа и гальванических пар подготовили разные растворы: водопроводную воду, раствор щелочи, раствор кислоты, раствор поваренной соли, дизельное топливо и бензин. Для проведения и количественного изучения процесса газовой коррозии в лаборатории подготовили муфельную печь. Для проведения пробы на медную пластинку подготовили термостат. Опыт 1. Изучение коррозии железа в различных средах В стаканы с водопроводной водой, раствором щелочи, раствором кислоты и раствором поваренной соли поместили железные гвозди и оставили на время. Каждые сутки визуально отмечали происходящие изменения. Стакан 1 Водопроводная вода Железо Стакан 2 Раствор соляной кислоты Железо Стакан 3 Раствор гидроксида натрия Железо Стакан 4 Раствор хлорида натрия Железо Опыт 2. Изучение коррозии металлических пар «железо – медь», «железо – алюминий» в различных средах. В стаканы с водопроводной водой, раствором щелочи, раствором кислоты и раствором поваренной соли поместили металлические пары «железо – медь», «железо – алюминий» и оставили на время. Каждые сутки визуально отмечали происходящие изменения. Стакан 1 Водопроводная вода Железо+медь Стакан 2 Раствор соляной кислоты Железо+медь Стакан 3 Раствор гидроксида натрия Железо+медь Стакан 4 Раствор хлорида натрия Железо+медь Стакан 5 Водопроводная вода Железо+алюминий Стакан 6 Раствор соляной кислоты Железо+алюминий Стакан 7 Раствор гидроксида натрия Железо+алюминий Стакан 8 Раствор хлорида натрия Железо+алюминий Опыт 3. Изучение газовой коррозии железа 10 Предварительно зачистили железный гвоздь, на аналитических весах определили его массу и поместили в разогретую до 8000С муфельную печь. Проводили нагревание в течение 3-х часов. Опыт 4. Коррозия железа в среде неэлектролитов В мерные цилиндры с бензином и дизельным топливом поместили железные гвозди. В первом случае железный гвоздь был полностью погружен в среду неэлектролита, т.е. не было контакта железа с кислородом воздуха. Во втором случае железный гвоздь был наполовину погружен в среду неэлектролита, т.е. был контакт железа с кислородом воздуха. Цилиндр 1 Дизельное топливо + железо (без кислорода) Цилиндр 2 Бензин + железо (без кислорода) Цилиндр 3 Дизельное топливо + железо + воздух Цилиндр 4 Бензин + железо + воздух Опыт 5. Проба на медную пластинку. В отдельных случаях, окисление металла может быть необходимо для осуществления контроля над каким-либо технологическим процессом или для контроля качества выпускаемой продукции. Например, проба на медную пластинку, которая проводится в лаборатории на нефтеперерабатывающем заводе. Отшлифованную медную пластинку промыли спиртом и высушили, промокая фильтровальной бумагой. Погрузили в стакан с испытуемым топливом и закрыли полиэтиленовой крышкой. Затем стаканы поместили в термостат, где выдерживали 3 часа при температуре 50оС. По истечению этого времени достали пластинки из стаканов и промыли в фарфоровой чашке ацетоном, после чего высушили, промокая их фильтровальной бумагой. 2.2. Результаты исследований Результаты опыта 1: «Изучение коррозии железа в различных средах» 11 Коррозия железа протекает со значительной скоростью. Уже на вторые сутки на гвозде образовалось Стакан 1 значительное количество налета ржавчины. На пятые сутки было замечено появление налета на гвозде не только в воде, но и над водой Коррозия железа в растворе кислоты протекает с Стакан 2 незначительной скоростью. Было замечено, что на гвозде над раствором кислоты появилась ржавчина Стакан 3 Коррозия не происходит в растворе щелочи Скорость коррозии максимальна. В растворе наблюдаем Стакан 4 максимальное количество осадка Проведение и результаты опыта 1 фиксировались фотографиями, которые представлены в приложении 1. Результаты опыта 2 «Изучение коррозии металлических пар «железо – медь», «железо – алюминий» в различных средах» Стакан 1 Коррозия железа протекает со значительной скоростью. С медью никаких видимых изменений не произошло. Коррозия железа в растворе кислоты в присутствии меди Стакан 2 протекает с незначительной скоростью. С медью никаких видимых изменений не произошло Стакан 3 Скорость коррозии железа незначительна. В растворе наблюдаем небольшое количество осадка. Скорость коррозии железа значительна. В растворе Стакан 4 наблюдаем большое количество осадка. Отметили появление зеленоватого налета, что может быть связано с окислением меди Наблюдали появление налета на гвозде в месте Стакан 5 соприкосновения с алюминием. С алюминием видимых изменений не произошло 12 Коррозия железа в растворе кислоты в присутствии Стакан 6 алюминия не протекает. Было замечено, что на гвозде над раствором кислоты появилась ржавчина. Алюминий подвергается коррозии В растворе щелочи коррозия железа не происходит, в Стакан 7 растворе щелочи коррозии подвергается алюминий. Наблюдали образование белого осадка. Первые трое суток признаков коррозии железа в присутствии алюминия не наблюдали. Было отмечено Стакан 8 появление белого налета на алюминии. На пятые сутки была замечена ржавчина на гвозде. В местах соприкосновения металлов ржавчины не наблюдалось. Проведение и результаты опыта 2 фиксировались фотографиями, которые представлены в приложении 2. Результаты опыта 3 «Изучение газовой коррозии железа» После охлаждения муфельной печи визуально отметили образование черного налета (окалины) на гвоздях. Очистили гвозди от этого налета и повторно взвесили. Масса гвоздей уменьшилась. Результаты эксперимента представлены в приложении 3,4. Результаты опыта 4 «Изучение коррозии железа в среде неэлектролитов» Каждые сутки визуально отмечали происходящие изменения. В течение первой и второй недели эксперимента никаких визуальных изменений отмечено не было ни в одном цилиндре. В конце третьей недели в цилиндре, где гвоздь был погружен в бензин наполовину и был контакт железа с кислородом воздуха, мы отметили, что цвет поверхности гвоздя изменился. Проведение и результаты опыта 4 фиксировались фотографиями, которые представлены в приложении 5. Результат опыта 5 «Проба на медную пластинку» Если после опыта медная пластинка хотя бы в одной из проб покрылась налетом или пятнами черного, темно-коричневого или серно-стального цвета, 13 то топливо считается не выдержавшим испытания. В нашем случае изменение цвета пластинки не наблюдалось в бензине, следовательно, топливо считается выдержавшим испытание. В случае дизельного топлива изменение цвета пластинки наблюдалось, следовательно, топливо считается невыдержавшим испытание. Проведение и результаты опыта 5 фиксировались фотографиями, которые представлены в приложении 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной исследовательской работе объектом изучения был процесс коррозии. Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. В ходе выполнения исследовательской работы выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение в связи, с чем были сделаны следующие выводы: 14 1. Коррозия металлов зависит от свойства и природы материалов, из которых изготовлены конструкции. Это доказано в ходе опыта при изучении коррозии металлических пар. Установлено, что при контакте двух разных металлов коррозия может усиливаться, а может ослабевать. 2. Коррозия металлов зависит от природы окружающей среды. При погружении железного гвоздя в различные растворы мы наблюдали его ржавление над раствором, что можно объяснить наличием в воздухе кислорода и водяных паров. 2. Выделяют два основных типа коррозии: химическая и электрохимическая. Нами изучены оба варианта коррозии. 3. Наибольшую распространенность приобрела электрохимическая коррозия. Это объясняется тем, что окружающая среда представляет собой смесь различных электролитов в воде. Электрохимическая коррозия зависит от состава раствора. 4. Возможна коррозия металла в среде неэлектролита. 5. Необходимо совершенствовать старые и разрабатывать новые методы защиты металлов от коррозии, т.к. она наносит большой экономический вред и может быть опасна для здоровья и жизни людей. В эпоху современных конструкционных материалов, используемых в машиностроении, проблема коррозии до сих пор остается актуальной. Молодые специалисты технического профиля должны понимать специфику процессов коррозии и методов защиты от нее. Возвращаясь к выдвинутой нами гипотезе, нужно отметить, что, действительно, коррозия металлов зависит от их природы, от химического состава раствора, от температуры. 15 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Вячеславов П. М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом / П. М. Вячеславов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 103 с. 2. Герасимов Я. И. Курс физической химии / Я. И. Герасимов, В. П. Древинг, Е. Н. Еремин и др. - М.: Химия, 1973. - 624 с. 3. Иванов Е.С. Ингибиторы коррозии металлов в кислых средах Е.С. Ивано. - М.: Металлургия, 1986. - 175 с. 4. Исаев Н. И. Теория коррозийных процессов / Н. И. Исаев. - М.: Металлургия, 1997. - 368 с. 5. Люблинский Е. Я. Электрохимическая защита от коррозии / Е. Я. Люблинский. - М.: Металлургия, 1987. - 96 с. 6. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы / В. М. Никифоров. - М.: Высшая школа, 1980. - 450 с. 7. Розенфельд И. Л. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями / И. Л. Розенфельд, Ф. И. Рубинштейн, К. А. Жигалова. - М.: Химия, 1987. - 222 с. 8. Строкан Б. В. Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии / Б. В. Строкан. -Л.: Химия, 1987. - 280 с. 9. Улиг Г.Г. Коррозия и борьба с ней / Г.Г. Улиг, Р.У. Реви. - Л.: Химия, 1989. - 344 с. 10. Френкель Г.Я. Протекторная защита от коррозии металлического оборудования и специальных стальных конструкций гидротехнических сооружений / Г.Я. Френкель. - М.: Гидропроект, 1993. - 186 с. 11. Шлугер М. А. Коррозия и защита металлов / М. А. Шлугер, Ф. Ф. Ажогин, Е. А. Ефимов. - М.: Металлургия, 1981. - 215 с. 16 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Результаты опыта «Изучение коррозии железа в различных средах» Начало эксперимента Окончание эксперимента 17 Приложение 2 Результаты опыта «Изучение коррозии металлических пар «железо – медь», «железо – алюминий» в различных средах» Металлическая пара «железо – медь» Начало эксперимента Окончание эксперимента 18 Металлическая пара «железо – алюминий» Начало эксперимента Окончание эксперимента 19 Приложение 3 Проведение опыта «Химическая (газовая) коррозия железа» Муфельная печь Гвозди в муфельной печи 20 Приложение 4 Результаты опыта «Химическая (газовая) коррозия железа» Масса гвоздей Гвоздь 1 Гвоздь 2 Масса до прокаливания, г 3,82125 г 3,83390 г Масса после прокаливания, г 3,79470 г 3,82020 г Разность масс, г 0,02655 г 0,01370 г Приложение 5 Проведение опыта «Изучение коррозии железа в среде неэлектролитов» Начало проведения эксперимента Конец проведения эксперимента 21 22 Приложение 6 Проведение и результаты опыта «Проба на медную пластинку» 1. Отшлифованн ую медную пластинку промыли спиртом и высушили 2. Погрузили медную пластинку в стакан с испытуемым топливом и закрыли полиэтиленовой крышкой. 3. Стаканы поместили в термостат, где выдерживали 3 часа при температуре 50оС. 23 4. Достали пластинки из стаканов и промыли в фарфоровой чашке ацетоном. В нашем случае изменение цвета пластинки не наблюдалось в бензине, следовательно, топливо считается выдержавшим испытание. В случае дизельного топлива изменение цвета пластинки наблюдалось, следовательно, топливо считается не выдержавшим испытание. 24
