§ 13. Коррозия металлов
«Ржа ест железо» — гласит русская народная поговорка. Ржавчина, которая появляется на поверхности стальных и чугунных изделий, — это яркий пример коррозии.
| Коррозией (от лат. corrodere — разъедать) называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под влиянием окружающей среды. |
У поэта В. Шефнера есть очень образные строчки:
- Коррозия — рыжая крыса,
Грызёт металлический лом.
Ежегодно из-за коррозии теряется около четверти всего произведённого в мире железа. Однако не только потеря металлов, но и порча изготовленных из них изделий обходится очень дорого. Затраты на ремонт или на замену деталей судов, автомобилей, аппаратуры химических производств, приборов и коммуникаций во много раз превышают стоимость металла, из которого они изготовлены.
Коррозия вызывает серьёзные экологические последствия. Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно влияет на здоровье и жизнь людей. Понятно, почему на защиту металлов и сплавов от коррозии тратят большие средства.
Коррозию металлов и сплавов (их окисление) вызывают такие компоненты окружающей среды, как вода, кислород, оксиды углерода и серы, содержащиеся в воздухе, водные растворы солей (морская вода, грунтовые воды). Эти компоненты непосредственно окисляют металлы — происходит химическая коррозия.
Чаще всего коррозии подвергаются изделия из железа. Особенно сильно корродирует металл во влажном воздухе и при соприкосновении с водой (рис. 43). Упрощённо этот процесс можно выразить следующим уравнением химической реакции:
Рис. 43.
Влияние факторов окружающей среды на коррозию металлов
Химически чистое железо почти не корродирует, а техническое железо, которое содержит различные примеси, например в чугунах и сталях, ржавеет. Следовательно, одной из причин возникновения коррозии является наличие примесей в металле, т. е. его неоднородность.
Сущность процесса коррозии для этого случая покажем на следующем примере. Если два различных металла, находящихся в контакте между собой, опустить в водный раствор электролита (в реальных условиях это, например, грунтовые воды, сконденсированная влага из атмосферы), то металл более активный, расположенный в электрохимическом ряду напряжений левее, будет разрушаться, предохраняя менее активный металл от коррозии.
Например, при контакте железа с медью в водной среде железо, как более активный металл, постепенно корродирует, переходя в воду в виде ионов железа (рис. 44, а).
Рис. 44.
Электрохимическая коррозия металлов при контакте металлов в электропроводной среде: а — Fe—Сu; б — Zn—Fe
Электроны, высвободившиеся из атомов железа, перейдут к меди и на её поверхности соединятся с ионами водорода, выделившимися из компонентов водной среды (например, серной или других кислот; вам, очевидно, известно выражение «кислотные дожди»). Этот электрохимический процесс можно представить так:
И наоборот, при контакте железа с более активным цинком последний, разрушаясь, защищает железо от коррозии (рис. 44, б).
Для борьбы с коррозией существует много способов. Назовём некоторые из них.
1. Нанесение защитных покрытий на поверхности предохраняемого от коррозии металла. Для этого часто используют масляные краски, эмали, лаки (рис. 45). Эти неметаллические покрытия дешёвые, но обычно недолговечные. Раз в два года, а иногда и чаще их требуется обновлять. Так, например, красят Эйфелеву башню в Париже.
Рис. 45.
Защита металлов от коррозии. Защитные покрытия:
1 — краски; 2 — эмали; 3 — смазки
Предохраняемый металл можно покрыть слоем другого металла: золота, серебра, хрома, никеля, олова, цинка и др. Один из самых старых способов — это лужение, или покрытие железного листа слоем олова. Такое железо называют белой жестью.
2. Использование нержавеющих сталей, содержащих специальные добавки. Например, «нержавейка», из которой изготавливают столовые приборы, содержит до 12% хрома и до 10% никеля. Лёгкие нержавеющие сплавы включают алюминий или титан. Всякий, кто был во Всероссийском выставочном центре, видел перед входом обелиск «Покорителям космоса», облицованный пластинками из титанового сплава (рис. 46). На его блестящей поверхности нет ни одного пятнышка ржавчины.
Рис. 46.
Обелиск «Покорителям космоса» (облицовка из титана)
3. Введение в рабочую среду, где находятся металлические детали, веществ, которые в десятки и сотни раз уменьшают агрессивность среды. Такие вещества называют ингибиторами коррозии.
Ингибиторы коррозии вводят в замкнутые системы охлаждения, в нефтепродукты и даже впрыскивают в газопроводы для снижения коррозии труб изнутри. Для предотвращения коррозии железа в серной кислоте к ней добавляют в качестве ингибитора азотную кислоту.
4. Создание контакта с более активным металлом — протектором. Например, для защиты стальных корпусов морских судов обычно используют цинк (рис. 47). На суше металлические конструкции линии электропередачи (ЛЭП) и трубопроводов соединяют с листом или куском более активного металла. С этой же целью к деталям конструкции мостов приваривают куски цинка.
Рис. 47.
Протекторная защита от коррозии гребного вала морского судна (а); элемент защиты от коррозии (б)
Источник
Коррозия металлов и способы защиты от нее
| Коррозия – это процесс разрушения металлов и металлических конструкций под воздействием различных факторов окружающей среды – кислорода, влаги, вредных примесей в воздухе. |
Коррозионная стойкость металла зависит от его природы, характера среды и температуры.
- Благородные металлы не подвергаются коррозии из-за химической инертности.
- Металлы Al, Ti, Zn, Cr, Ni имеют плотные газонепроницаемые оксидные плёнки, которые препятствуют коррозии.
- Металлы с рыхлой оксидной плёнкой – Fe, Cu и другие – коррозионно неустойчивы. Особенно сильно ржавеет железо.
Различают химическую и электрохимическую коррозию.
| Химическая коррозия сопровождается химическими реакциями. Как правило, химическая коррозия металлов происходит при действии на металл сухих газов, её также называют газовой. |
При химической коррозии также возможны процессы:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
Как правило, такие процессы протекают в аппаратах химических производств.
| Электрохимическая коррозия – это процесс разрушения металла, который сопровождается электрохимическими процессами. Как правило, электрохимическая коррозия протекает в присутствии воды и кислорода, либо в растворах электролитов. |
В таких растворах на поверхности металла возникают процессы переноса электронов от металла к окислителю, которым является либо кислород, либо кислота, содержащаяся в растворе.
При этом электродами являются сам металл (например, железо) и содержащиеся в нем примеси (обычно менее активные металлы, например, олово).
В таком загрязнённом металле идёт перенос электронов от железа к олову, при этом железо (анод) растворяется, т.е. подвергается коррозии:
Fe –2e = Fe 2+
На поверхности олова (катод) идёт процесс восстановления водорода из воды или растворённого кислорода:
2H + + 2e → H2
O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
| Например, при контакте железа с оловом в растворе соляной кислоты происходят процессы: |
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: 2H + + 2e → H2
Суммарная реакция: Fe + 2H + → H2 + Fe 2+
Если реакция проходит в атмосферных условиях в воде, в ней участвует кислород и происходят процессы:
Анод: Fe –2e → Fe 2+
Катод: O2 + 2H2O + 4e → 4OH –
Суммарная реакция:
Fe 2+ + 2OH – → Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + O2+ 2H2O → 4Fe(OH)3
При этом образуется ржавчина.
Методы защиты от коррозии
Защитные покрытия
Защитные покрытия предотвращают контакт поверхности металла с окислителями.
- Катодное покрытие – покрытие менее активным металлом (защищает металл только неповреждённое покрытие).
- Покрытие краской, лаками, смазками.
- Создание на поверхности некоторых металлов прочной оксидной плёнки химическим путём (анодирование алюминия, кипячение железа в фосфорной кислоте).
Создание сплавов, стойких к коррозии
Физические свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств чистых металлов. Добавление некоторых металлов может приводить к повышению коррозионной стойкости сплава. Например, нержавеющая сталь, новые сплавы с большой коррозионной устойчивостью.
Изменение состава среды
Коррозия замедляется при добавлении в среду, окружающую металлическую конструкцию, ингибиторов коррозии. Ингибиторы коррозии — это вещества, подавляющие процессы коррозии.
Электрохимические методы защиты
Протекторная защита: при присоединении к металлической конструкции пластинок из более активного металла – протектора. В результате идёт разрушение протектора, а металлическая конструкция при этом не разрушается.
Источник
Конспект урока в 9 классе.Коррозия металлов и меры борьбы с нею.
Тема урока: Коррозия металлов и меры борьбы с ней. 9 класс
“ Знать – значит победить.”
А. Н. Несмеянов
Цель: — сформировать представление о коррозии металлов как самопроизвольном окислительно-восстановительном процессе, её значении, причинах, механизме и способах защиты; показать влияние на скорость коррозии таких факторов, как природа веществ и присутствие катализатора (ингибитора).
— развить умение проведения химического эксперимента с соблюдением правил техники безопасности, строить логические цепочки и выводы из наблюдений, прогнозировать решение некоторых проблем.
— совершенствовать коммуникативные умения в ходе коллективного обсуждения, продолжать формировать убеждения учащихся в необходимости привлечения средств химии к пониманию и описанию процессов, происходящих в окружающем.
Образовательные : Познакомить обучающихся с понятием коррозии, классификацией коррозиционных процессов и способах защиты от коррозии; изучить сущность химической и электрохимической коррозии металлов.
Развивающие : развить умение проведения химического эксперимента с соблюдением правил техники безопасности, строить логические цепочки и выводы из наблюдений, прогнозировать решение некоторых проблем.
Воспитательные : совершенствовать коммуникативные умения в ходе коллективного обсуждения, продолжать формировать убеждения учащихся в необходимости привлечения средств химии к пониманию и описанию процессов, происходящих в окружающем мире.
1.самостоятельная работа учащихся ( по вариантам)
I Вариант – закончить уравнения реакций (возможных)
I I Вариант – закончить уравнения реакций (возможных)
I I I Вариант – закончить уравнения реакций (возможных)
2.вывод по работе (беседа)
1. Какие свойства Ме представлены этими уравнениями реакций?
Учитель: Да . Согласно этой схеме.
2. В чем смысл этих всех процессов? Верно. Идет разрушение металлов.
Этот процесс называется коррозией
II .Изучение нового материала
Отгадав загадку вы сможете узнать тему урока..
Лопата, стоя у дверей
Без дела стала тяжелей.
Какой процесс произошел? (окисление, покрытие ржавчиной, коррозия)
Хвастается новенький металл:
«Как силен я, смел и как удал!
Неподвластен никакой угрозе я,
Кроме рыжей крысы с именем
Прошу учащихся записать тему урока в тетрадях:
Коррозия металлов и меры борьбы с ней.
Что такое коррозия — учитель
Слово «коррозия» происходит от латинского «коррозио» — разъедание.
Коррозия – самопроизвольное разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. «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.
Коррозия это окислительно — восстановительный процесс, при котором атомы металлов переходят в ионы (идет процесс окисления)
2.Причина коррозии(записываем в тетрадь)
б)среда кислая или растворы солей;
в)контакт с менее активным металлом.
В зависимости от вызываемых коррозией повреждений поверхности металлов различают следующие ее виды:
Как вы думаете какой вид коррозии самый опасный?
Почему? ( Питтинг – большая глубина поражения и малая площадь)
По механизму протекания коррозия делиться на два вида: химическую и электро-химическую.
— Как вы думаете, почему этот блок изображен в виде пламени?
Это вид коррозии протекает в средах, непроводящих электрический ток (газ, нефть, керосин ) или при высоких температурах, когда невозможна конденсация воды.
В результате химической коррозии происходит переход электронов от восстановителя к окислителю. Если прокалить медную проволоку в пламени, образуется серый налет, это и будет оксид меди.
Второй вид коррозии – электрохимическая.
— Какой процесс будет сопровождать этот вид коррозии?
— Что такое электрический ток с точки зрения физики?
Этот вид коррозии протекает в среде электролита.
Если в среде электролита находится контактная пара металлов (Cu – Fe ), то ионы более активного металла – железа переходят в раствор, при этом поверхность железа заряжается положительно, выполняя роль анода. Электроны с поверхности железа переходят на поверхность более электроположительного металла – меди. В результате она заряжается отрицательно, выполняя роль катода. На поверхности меди восстанавливаются ионы водорода, образуя газообразный водород. Это пример коррозии, протекающей в кислой среде.
Но на поверхности металлических изделий, находящихся в атмосферных условиях, всегда конденсируется влага. Капля воды играет роль электролита, в ней растворен кислород из воздуха. Кислород восстанавливается до гидроксид-ионов, а железо окисляется, переходя в гидроксид железа (II) и гидроксид железа (III). Смесь этих гидроксидов и есть ржавчина.
4. Лабораторный опыт (воспроизведение процесса в лабораторных условиях)
Учитель: Вы знаете, что химия – наука экспериментальная. Большинство процессов, протекающих в природе, быту и на производстве мы можем воспроизвести в лаборатории. Но для многих из них требуется большой промежуток времени, чтобы получить результат. Мы сегодня с вами заложим опыты, а через неделю проверим, а вы попытаетесь дома предугадать результат на основании знания химических свойств металлов.
5. Способы защиты от коррозии ( обращаемся к эпиграфу)
Защита более активным металлом. Протекторы – слитки более активного металла, чем обшивка днища корабля (чаще – цинк)
Защита малоактивным металлом, но нельзя допускать нарушения целостности покрытия
Отделение металла от агрессивной среды (смазка, окраска, покрытие лаками, эмалями)
Использование ингибиторов (чаще орг.вещества или неорг.соли)
Электрозащита – нейтрализация тока, возникающего при коррозии, постоянным током в противоположном направлении) Так защищают нефте- и газопроводы
Пассивация металлов – образование плотно прилегающих оксидных пленок.
Изготовление сплавов, стойких к коррозии .
III .Закрепление (если не сожжете ответить на некоторые вопросы, поищите дома)
Что такое «коррозия»? Какие факторы способствуют замедлению коррозии металлов?
Перечислите способы борьбы с коррозией?
На стальной крышке поставлена медная заклепка. Что разрушится раньше – крышка или заклепка? Почему?
Почему луженный (покрытый оловом) железный бак на месте повреждения защитного слоя быстро разрушается?
Почему на оцинкованном баке на месте царапины цинк разрушается, а железо не ржавеет?
Какие клепки нужно поставить на дно кораблей?
Ваше мнение как влияет температура на процесс коррозии?
Почему считают, что рядом со стальной коронкой не рекомендуется ставить золотую?
Знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели (Индия) вот уже полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. Сделана она из железа, в котором почти нет примесей. Объясните, почему в данном случае статуя не подвергается коррозии.
Объясните химические процессы, упоминаемые А.Ахматовой:
На рукомойнике моем
Но так играет луч на нем,
Что весело глядеть.
11.Перед восстановлением лакокрасочного покрытия автомобилей места, поврежденные коррозией, надо промыть, обезжирить, протравить (удалить продукты коррозии с поверхности). В Вашем распоряжении есть следующие вещества: фосфорная кислота, бензин, кальцинированная сода, силикат натрия, технический спирт. Какое из них можно использовать для травления?
IV. Подведение итогов
Рыжей крысе-ржавчине, что шарит по угла м,
Ни одной железочки, болшьше я не дам!
Пусть не разевает свой зубастый рот –
Ей больше не достанется «железный бутерброт».
Источник
