Урок по химии «Коррозия металлов и способы защиты от коррозии » (10 класс)
Тема : Коррозия металлов и способы защиты от коррозии
ООШ №1 г. Славянска
1) изучить сущность процесса коррозии металлов и способы защиты от коррозии; научить использовать приобретённые знания для объяснения явлений окружающей среды;
2) развивать умения наблюдать, сравнивать, обобщать, делать самостоятельные выводы, работать с учебником; развивать познавательный интерес к предмету, используя межпредметные связи;
3) воспитывать активную личность, умеющую высказывать своё мнение; воспитывать культуру речи; воспитывать гармонично развитую личность.
Оборудование и материалы: 1) мультимедийный проектор;
2) компьютерная презентация по теме урока;
3) портрет В. Кистяковского
4) 5 стаканов, 5 железных гвоздей, проволока медная и цинковая, вода кипячёная, р-ры NaCl , NaOH .
Тип урока: урок изучения нового материала.
Актуализация опорных знаний
Почему большинство металлов в природе встречаются в виде соединений?
Какие металлы в земной коре встречаются в чистом виде? Почему?
Какие соединения называют минералами?
Какие соединения называют рудами?
Изучение нового материала
Многие химические соединения при обычных условиях более стойкие, чем металлы. Именно поэтому в рудах большинство металлов содержится не в чистом виде, а в виде химических соединениях.
Приходится применять сложные и очень электроёмкие процессы, чтобы выделить металлы из химических соединений, в составе которых они содержатся в рудах. Но у металлов есть враг, который приводит к огромным потерям металлов. Ежегодно более 10% производимого железа разрушается и превращается в ржавчину.
Под действием ветра, дождя, снега, грунтовой влаги металлические материалы постепенно разрушаются и снова переходят в состав соединений, подобных тем, в составе которых они содержались в рудах.
А как же по-другому называется этот процесс? – Коррозия.
Итак, тема нашего урока: Коррозия металлов и способы защиты от коррозии.
(слайд 1 — ) Тема урока
Слово коррозия происходит от латинскогo corrodere, что означает разъедать. Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, пластмассы и другие полимерные материалы и дерево. Например, в настоящее время мы являемся свидетелями большого беспокойства широких слоёв людей в связи с тем, что от кислотных дождей катастрофически страдают памятники (здания и скульптуры), выполненные из известняка или мрамора.
Таким образом, коррозией называют самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.
(слайд 2 — ) Определение коррозии
Процессы физического разрушения к коррозии не относят, хотя часто они наносят не меньший вред памятниками культуры. Их называют истиранием, износом, эрозией.
Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов.
(слайд 3- коррозия железа)
Другие металлы корродируют, но не ржавеют.
(слайд 4 — коррозия меди )
(слайд 5 — коррозия серебра)
(слайд 6 — Тема урока)
Сущность процесса коррозии
Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа. Поэтому сущность процесса коррозии мы рассмотрим на примере ржавления железа.
Наиболее опасным для металлов компонентами окружающей среды являются кислород О2 , водяной пар Н2О, карбона ( IV ) оксид СО2 , сульфура( IV ) оксид SO 2 , нитрогена ( IV ) оксид NO 2 .
Коррозионное разрушение железа и его сплавов под действием кислорода:
Часто коррозия развивается во влажном воздухе, а также при контакте металла с растворами электролитов.
Задание : 1) Укажите степени окисления элементов и с помощью метода
электронного баланса расставьте коэффициенты.
Беседа : 1) Какие реакции называются окислительно-восстановительными.
2) Какие процессы называют процессами восстановления ?
3) Какие процессы называют процессами окисления?
(слайд 7 — Определение коррозии)
Коррозия- это окислительно — восстановительный процесс, при котором атомы металлов переходят в ионы.
При использовании металлических материалов всех интересует вопрос скорости протекания коррозии. Давайте выясним, от чего зависит скорость коррозии.
(Слайд 8 – проведение опыта)
Железный гвоздь+ Н2О
Слабая коррозия, т.к. вода-слабый электролит
Железный гвоздь+р-р NaCl
Скорость коррозии больше, следовательно NaCl ускоряет коррозии
Жел. Гвоздь+ Cu +р-р NaCl
Скорость коррозии велика при контакте с более слабым металлом
Жел. Гвоздь+ Zn +р-р NaCl
Скорость коррозии небольшая, т.к. корродирует Zn , как более активный металл
Жел. Гвоздь+р-р NaCl + NaOH
Коррозии нет , следовательно ионы ОН — её замедляют
(слайд 9- Тема урока)
3.4 Ущерб, причиняемый коррозией
Коррозия причиняет огромный ущерб. По подсчётам экономистов , убытки, причиняемые коррозией, во много раз больше, чем убытки, которые причиняет человечеству такая беда, как пожары. И это не удивительно. Пламя действует редко, а коррозия «работает» почти всё время, ни на минуту не останавливая свою работу- разъедание.
Самостоятельная работа с учебником- составление конспекта.
Вред, причиняемый коррозией :
-разрушение металлических материалов в аппаратах химической промышленности (под влиянием кислот, щелочей, высокой температуры и давления)
-выход из строя деталей машин , оборудования, сооружений
-загрязнение окружающей среды
-очень дорогая защита от коррозии.
(Слайд 10- Ущерб, наносимый коррозией)
Знаете ли вы, что является символом Парижа? – Эйфелева башня.
(Слайд 11- Эйфелева башня)
31 марта этого года исполняется120 лет со дня завершения её строительства. Но, к сожалению, она неизлечимо больна, ржавеет и разрушается, и только постоянная химиотерапия помогает бороться с этим смертельным недугом. Её красили 18 раз, отчего её масс 9000 т каждый раз увеличивается на 70 тонн.
В III веке до н. э. на острове Родос был построен маяк в виде огромной статуи Гелиоса высотой 34 м. Коллос Родосский считался одним из чудес света. Изображение статуи не сохранилось. Существует несколько предположений как она выглядела.
(Слайд 12- Коллос Родосский)
Но , к сожалению, он просуществовал всего 66 лет и рухнул во время землетрясения. Оказывается, у Коллоса Родосского бронзовая оболочка была смонтирована на железном каркасе. Под действием влажного, насыщенного солями средиземноморского воздуха железный каркас разрушился.
(Слайд 13- Тема урока.)
3.5 Методы защиты от коррозии
С давних времён людей интересовало, как защитить металлы от коррозии.
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.
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить.
Одним из учёных , изучавших данную проблему, был Владимир Кистяковский, который в начале 20 века разработал теорию коррозии металлов и практические способы защиты от неё.
Основные методы защиты от коррозии
Применение защитных покрытий
неметаллические покрытия (краски, эмали, лаки и др.)
металлические покрытия (никель, хром, серебро,медь)
Изготовление сплавов, стойких
Части машин, инструменты изготавливают из нержавеющей стали
изготовление заклёпок из более активных металлов;
протекторная защита (прикрепление пластинок из более активных металлов)
Изменение состава среды
(слайд 14- неметаллические покрытия)
(слайд 15 –металлические покрытия)
(слайд 16- изделия из нержавеющей стали)
(слайд 17- протекторная защита)
(слайд 18-применение ингибиторов)
Очень распространённым является использование нержавеющих сплавов. Многие из стальных изделий, используемых в быту(кухонная утварь, посуда, баки стиральных машин и др.) изготовлены из нержавеющей стали. Нержавеющую сталь разработал в 1913 году химик Гарри Бриартли. Его сталь с высоким содержанием хрома не растворялась в кислоте, а оставленные в лаборатории образцы сохраняли первоначальный блеск. Нержавеющая сталь не подвергается коррозии вследствие образования пленки оксида хрома ( III ), которая непроницаема для воздуха и воды и защищает металл. Эта плёнка невидима для глаза и не скрывает естественный блеск металла. Нержавеющая сталь дорога, и её использование не всегда оправдано.
Иногда железо покрывают тонким слоем другого металла. Некоторые изготовители делают кузова автомобилей из стали с защитным цинковым покрытием. При такой обработке образуется слой оксида цинка, и если покрытие не повреждено, оно хорошо защищает от ржавчины. Даже если покрытие имеет изъяны, стальной корпус машины все- таки защищён от быстрого разрушения, так как в этой системе преимущественно корродирует цинк, а не железо. Этот метод называют «протекторной защитой».
В наши дни цинковые блоки используют для защиты от коррозии нефтедобывающих платформ в морях: коррозия дорогостоящих сложных стальных конструкций переводится на куски металла, которые легко заменить.
Через определенные промежутки на протяжении всей опоры, находящейся в море, прикреплены цинковые блоки. Поскольку цинк более активен, чем железо (находится левее в электрохимическом ряду напряжений), то преимущественно окисляется цинк, а железная поверхность остаётся нетронутой.
Аналогичный принцип используется для защиты железобетонных конструкций жилых домов, в которых все железные прутья соединены друг с другом и соединяются с куском магния, который зарыт в землю.
Наилучшим способом защиты железа от коррозии является получение высоко очищенного вещества. Так в 20 веке в Индии был найден столб высотой около 3 м , изготовлены из чистейшего железа. Этот столб простоял несколько тысячелетий и до сих пор нисколько не прокорродировал и даже не потерял своего металлического блеска. До сих пор неизвестно происхождение этого реликта, так как неизвестно, существовала ли в то время технология изготовления железа такой высокой чистоты.
Самые древние железные изделия – бусы были найдены в дофараонвском Египте в стоянках раннего медного века. Этим бусам около 6 тыс. лет.
В гробнице фараона Тутанхамона был обнаружен железный кинжал.
В Месопотамии также найден кинжал из этого металла, изготовленный 5100 лет назад.
Все эти находки относятся к более раннему периоду, чем нижняя граница железного века ( IX — VII вв. до н.э.), когда люди научились выплавлять железо.
Первоначально человек использовал 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.
Обобщение и систематизация
Что такое коррозия?
Под влиянием чего происходит коррозия?
Почему коррозию относят к окислительно — восстановительным реакциям?
Какие факторы влияют на скорость коррозии?
Какие способы защиты от коррозии вы знаете? Какие из них вы использовали в своей повседневной жизни?
Подведение итогов урока
Домашнее задание (слайд 19)
Выучить параграф 26
Повторить параграф 16
Составить тест по теме урока из 12 вопросов (оформить на листах формата А4 )
Источник
Химия. 11 класс
Конспект урока
Урок № 9. Коррозия металлов и её предупреждение
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён изучению видов коррозии, особенностям химической и электрохимической коррозии, методам защиты металлических изделий от коррозионного разрушения.
Анодное покрытие – способ защиты металлического изделия от коррозии, когда защищаемый металл покрывается металлическим покрытием из более активного металла.
Газовая коррозия – разрушение металла в среде агрессивных газов (кислорода, оксида серы, хлороводорода) обычно при высоких температурах.
Гальванокоррозия – вид электрохимической коррозии, при которой два контактирующих металла в среде электролита образуют коррозионный гальванический элемент с возникновением электрического тока между металлами.
Жидкостная коррозия – разрушение металла в жидкостях, не проводящих электрический ток (органические растворители, нефтепродукты).
Ингибиторы – вещества, вводимые в коррозионную среду, в результате чего снижается её окисляющая способность.
Катодная защита – способ защиты металла от коррозии, когда защищаемое металлическое изделие подсоединяется к отрицательному полюсу внешнего источника электрического тока.
Катодное покрытие – способ защиты металла от коррозии, когда металлическое изделие покрывается тонким слоем из менее активного металла.
Коррозия – разрушение металла в результате окислительно-восстановительных реакций между металлом и окружающей средой
Осушение – удаление из окружающей среды влаги для предотвращения возникновения коррозии.
Протекторная защита – способ защиты металла от коррозии, когда к защищаемому металлическому изделию присоединяют кусок другого, более активного металла.
Химическая коррозия – разрушение металла в среде, не проводящей электрический ток.
Электрокоррозия – вид электрохимической коррозии, возникающей в среде электролита под действием внешнего электрического поля.
Электрохимическая коррозия – разрушение металла в среде электролита при контакте двух металлов с образованием коррозионного элемента и возникновением электрического тока.
Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.
1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.
2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс: учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение. – 2018. – 352 с.
Открытые электронные ресурсы:
- Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ
Коррозия и её виды
Коррозия металлов – процесс разрушения металлического изделия в результате окислительно-восстановительной реакции металла с окружающей средой. В зависимости от механизма различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия происходит в среде, не проводящей электрический ток. К этому виду коррозии относится газовая коррозия, в результате которой металл разрушается под действием агрессивных газов: кислорода, оксида серы, хлороводорода. Газовая коррозия обычно происходит при высоких температурах. Другой вид химической коррозии – жидкостная коррозия, которая возникает в агрессивных жидкостях, не проводящих электрический ток, например, в органических растворителях или нефтепродуктах.
Электрохимическая коррозия происходит в среде электролитов, которые хорошо проводят электрический ток. Различают два вида электрохимической коррозии: гальванокоррозия и электрокоррозия. Гальванокоррозия возникает в месте контакта двух металлов, наличия в металле примесей, разной температуры на соседних участках металлов, разной концентрации электролитов в среде, контактирующей с металлом и в случае разной концентрации кислорода на соседних участках металла. Например, в чугуне примеси углерода и карбида железа играют роль катода, на котором происходит восстановление молекулярного кислорода в присутствии паров воды: 2Н2О + О2 + 4е → 4ОН-, а железо становится анодом и окисляется.
Fe 0 – 2e → Fe 2+ . В результате среда становится щелочной, образуется сначала «белая» ржавчина Fe(ОН)2: Fe 2+ + 2OH — → Fe(ОН)2↓, которая окисляется кислородом воздуха во влажной среде до трёхвалентного гидроксида железа.
4Fe(ОН)2↓ + 2Н2О + О2 → 4Fe(ОН)3↓, Fe(OH)3 + nH2O → Fe2O3·xH2O (ржавчина).
Если в атмосфере присутствует большое количество кислых газов (СО2, SO2, NO2), то при растворении их в воде образуются кислоты. В кислой среде коррозия идет ещё интенсивнее. В присутствии кислорода на катоде образуется вода, а в бескислородной среде выделяется водород.
На аноде: Fe0 – 2е → Fe2+;
На катоде: О2 + 4Н+ + 4е → 2Н2О
или в бескислородной среде: 2Н+ + 2е → Н20↑.
Ионы железа образуют соли с кислотными остатками образовавшихся при растворении газов кислот. В дальнейшем под действием кислорода воздуха, соли двухвалентного железа окисляются до солей трёхвалентного железа.
Электрокоррозия возникает под действием на металл электрического тока от внешнего источника постоянного тока. Часто она происходит под действием блуждающих токов от рельсов электротранспорта, от плохо изолированных опор линий электропередач. Участок, на который попадает ток от внешнего источника, заряжается отрицательно и становится катодом. На нём происходит восстановление элементов среды. А соседний участок становится анодом, на нём металл окисляется.
Факторы, увеличивающие скорость коррозии
Возникновение коррозионного гальванического элемента увеличивает скорость коррозии. При контакте двух металлов более активный металл отдает электроны менее активному. Возникает электрический ток. Активный металл растворяется и в результате реакции со средой, и за счет передачи электронов менее активному металлу. Принятые электроны менее активный металл отдает в окружающую среду, таким образом, окисление активного металла и восстановление компонентов окружающей среды происходит быстрее. Скорость коррозии зависит от количества кислорода, который контактирует с металлом. Железный гвоздь, погруженный в воду на половину своей длины, разрушается быстрее всего, так как доступу кислорода ничего не препятствует. Гвоздь, полностью погруженный в воду, разрушается медленнее, так как количество кислорода, участвующего в реакции, ограничивается скоростью растворения кислорода в воде. В пробирке, где сверху воды налили масло, коррозия идет медленнее всего, так как масло препятствует поступлению кислорода в воду.
Методы защиты металлов от коррозии
Одним из распространённых методов защиты металлов от коррозии является нанесение защитных покрытий. Покрытия бывают металлическими и неметаллическими. Если металлическое изделие покрыто слоем более активного металла, покрытие называют анодным. Если покрытие изготовлено из менее активного металла, оно называется катодным. Неметаллические покрытия – это различные эмали, лаки, краски, резиновые, битумные и полимерные покрытия. По отношению к железу анодными покрытиями будут цинковые, хромовые, алюминиевые покрытия. Эти покрытия защищают металл даже в случае появления царапин или трещин. Так как покрытие изготовлено из более активного металла, оно является анодом по отношению к защищаемому металлу и будет разрушаться. Защищаемое металлическое изделие разрушаться не будет. Катодные покрытия обычно делают из малоактивных металлов. Это никель, олово, свинец, медь, серебро, золото. Из-за низкой активности такие металлы слабо подвергаются воздействию коррозии, но в случае нарушения покрытия, возникнет коррозионный элемент, в котором анодом станет защищаемое металлическое изделие. Оно начнет разрушаться. Защитные оксидные покрытия на поверхности металла можно создать путем химической обработки концентрированной азотной кислотой (пассивация алюминия, хрома), концентрированным раствором щелочи и горячего масла (воронение), фосфорной кислотой и её кислыми солями (фосфатирование).
Эффективным, но дорогим методом защиты металлов от коррозии является введение в сплав антикоррозионных легирующих добавок: хрома, никеля, молибдена, титана. Для повышения стойкости к коррозии в кислой среде в сплав добавляют кремний.
К методам электрохимической защиты относятся протекторная и катодная защита. Протекторная защита предусматривает закрепление на защищаемом изделии пластин из активного металла: цинка, алюминия, магния. Попадая в агрессивную среду, протектор становится анодом, начинает разрушаться, а металлическое изделие, являясь катодом, не разрушается до полного разрушения протектора. Катодная защита производится путём подсоединения защищаемого металлического изделия к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного электрического тока. В результате защищаемый металл приобретает отрицательный заряд и становится катодом. В качестве анода используют вспомогательный кусок металла (железный лом, старый рельс), который заземляют.
Важным направлением предотвращения коррозии металлов является снижение агрессивности окружающей среды. Для этого проводят осушение почвы, воздуха. В жидкие среды добавляют ингибиторы – вещества, реагирующие с окислительными компонентами среды и снижающие скорость коррозии. Для борьбы с блуждающими токами проводят надёжную изоляцию токопроводящих конструкций, организацию бесстыкового пути.
Предотвращение потерь металла от коррозии позволит не только сберечь тонны металла, но и предотвратить аварии на производстве и транспорте, сберечь человеческие жизни.
ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ
1. Расчёт массы металла, предохраняемого от разрушения за счёт нанесения защитных покрытий
Условие задачи: В результате атмосферной коррозии толщина стального изделия уменьшается на 0,12 мм/год. Потерю какой массы стального изделия плотностью 7750 кг/м 3 и площадью 10 м 2 можно предотвратить путем нанесения лакокрасочного покрытия, которое сохраняет свои защитные свойства в течение 4 лет? Ответ запишите в виде целого числа в килограммах.
Шаг первый: необходимо перевести скорость коррозии из мм/год в м/год.
Для этого скорость коррозии умножим на 10 -3 :
0,12·10 -3 = 1,2·10 -4 (м/год).
Шаг второй: Найдём объём слоя металла, который может быть разрушен коррозией за 1 год. Для этого толщину слоя разрушенного в течение года металла умножим на площадь стального изделия:
1,2·10 -4 ·10 = 1,2·10 -3 (м 3 /год).
Шаг третий: Найдём массу вычисленного объёма металла.
Для этого объём металла умножим на его плотность:
1,2·10 -3 ·7750 = 9,3 (кг/год).
Шаг четвёртый: Найдём массу металла, которая могла бы разрушиться за 4 года. Для этого массу сохранённого за год металла умножим за 4 года:
9,3·4 = 37,2 (кг). Округляем до целого числа, получаем 37 (кг).
2. Расчёт массы металла, разрушенного в результате коррозии
Условие задачи: Через железную решётку, предохраняющую от попадания в канализацию крупного мусора, проходит 20 м 3 воды в сутки. Содержание кислорода в воде 1 % от объёма воды. Какая масса железа окислится за 6 месяцев использования решётки, если на окисление металла расходуется 60% содержащегося в воде кислорода? Ответ записать в килограммах в виде целого числа.
Шаг первый: найдём объём кислорода, который содержится в 20 м 3 воды.
Для этого разделим 20 м 3 на 100:
20 : 100 = 0,2 (м 3 /сутки) = 200 (л/сутки)
Шаг второй: Найдём объём кислорода, который проходит в воде через решётку в течение 6 месяцев.
Для этого объём кислорода, проходящий через решетку в сутки, умножим на 30 дней и на 6 месяцев:
200·30·6 = 36000 (л).
Шаг третий: Найдём объём кислорода, который расходуется на окисление железа. Для этого умножим найденный объём кислорода на 60 и разделим на 100:
(36000·60) : 100 = 21600 (л).
Шаг четвёртый: Запишем уравнение реакции взаимодействия железа с кислородом в нейтральной среде:
Шаг пятый: Найдём массу железа, окисленного 21600 л кислорода.
Для этого составим пропорцию с учётом того, что масса 1 моль железа равна 56 г/моль, а 1 моль газа в нормальных условиях занимает 22,4 л.
2·56 г железа реагирует с 22,4 л кислорода;
х г железа реагирует с 21600 л кислорода.
х = (2·56·21600) : 22,4 = 108000 (г) = 108 кг.
Источник
