I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЗАЩИТА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ОТ ХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ СОСТАВАМИ НА ОСНОВЕ ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЦИНКА

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Ламехова В.Н. 1

---

1Гатчинская СОШ №9

Работа в формате PDF

746.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьника

Содержание:

1. Введение

2. Гипотеза, цель, задачи, актуальность, социальная полезность, методы исследования

3. Теоретическая часть

- коррозия, виды коррозии

- защита от коррозии

- углеродистая сталь

- железо

- ортофосфорная кислота

- испытания на коррозионную стойкость

4. Практическая часть.

1)Подготовка пластинок

2)Приготовление растворов ортофосфорной кислоты концентрациями 5%,10%,20%,30%,40%, 50%

3)Приготовление растворов ортофосфорной кислоты разных концентраций с цинком

4)Покрытие пластинок

5)Испытание на коррозионную стойкость

6) Расчет себестоимости растворов

5. Вывод

6. Литература

7. Приложения

Введение:

Металлы и их сплавы являются наиболее важными современными конструкционными материалами. Всюду, где эксплуатируются металлические конструкции, есть вещества, которые, взаимодействуя с металлами, постепенно их разрушают: ржавление металлических конструкций в атмосфере; обшивки судов в речной и морской воде; стальных трубопроводов в земле; разрушение металлических баков и аппаратов растворами кислот, солей и щелочей на химических и других заводах. Коррозия - это актуальная экономическая проблема. Она причиняет народному хозяйству огромные убытки. Вред коррозии многообразен: помимо выхода из строя оборудования, ухудшаются технические свойства еще не “отживших” изделий: увеличивается трение, уменьшается их твердость, пластичность. Экологический вред – утечки нефти, газа и других химически опасных продуктов из-за разрушенных коррозией трубопроводов. Из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год.

Цель: Выяснить, какая концентрация ортофосфорной кислоты в растворе с цинком даст наиболее высокий результат коррозионной стойкости. Найти оптимальный и наиболее доступный способ защиты от коррозии. Рассмотреть покрытия под микроскопом лаборатории Архимед.

Задачи:

• Выяснить, что такое коррозия

• Выяснить причины коррозии

• Приготовить растворы для опыта на стальных пластинках

• Покрыть стальные пластинки

• Провести испытание на коррозионную стойкость

• Анализировать результаты проведенных опытов

• Рассчитать себестоимость приготовленных растворов

Социальная полезность:Мы боремся с коррозией относительно дешевым способом, так как коррозия разрушает и портит многие металлические изделия.

Методы исследования: Сбор информации из разных источников, эксперимент, наблюдение, анализ.

Теоретическая часть:

Коррозия.

Коррозия - самопроизвольное разрушение металлов в результате химического и физического взаимодействия с окружающей средой. При этом образуются продукты коррозии, состав которых зависит от условий разрушения металлов. (Я рассмотрела коррозию стали под микроскопом, приложение 6, 7). Все металлы, взаимодействуя с внешней средой, стремятся перейти в ионное состояние, то есть окислиться. Причиной коррозии служит неустойчивость металлов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде.

Последствия коррозии:

1. Разрушение оборудования.

2. Утечка химических продуктов.

3.Отрицательное влияние на жизнь и здоровье людей.

Виды коррозии по механизму протекания процесса, зависящему от характера внешней среды, с которой взаимодействует металл. Различают коррозию химическую и электрохимическую.

Электрохимическая коррозия - процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости.

Химическая коррозия- взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз.

Виды коррозии по механизму разрушения: сплошная, местная, точечная. Коррозию так же различают по множеству других факторов. Приложение1

Способы защиты от коррозии:

• Применение химически стойких сплавов (нержавеющие стали, содержащие до 18% хрома и 10% никеля)

• Защита поверхности металла:

1) металлами, образующими на своей поверхности простые пленки

2) неметаллами – пассивные пленки, лаки, краски, эмали, смолы, создающие защитные пленки

• Подавление влияния среды коррозионной среды ингибиторами

• Электрохимическими методами – применение протекторов

Углеродистые стали – это сплавы в основном железа с углеродом, содержащие до 2% углерода, 0,8% марганца и до 0,4% кремния, а также вредные примеси — до 0,055% серы и до 0,045% фосфора. Железа около 97%, поэтому рассматриваем все процессы (реакции) на основе железа. (Приложение 2)

Углеродистая сталь является основным материалом для изготовления деталей машин и аппаратов.

Железо.

Железо – важнейший металл современной техники – обладает слабой коррозионной стойкостью во многих условиях. При его применении, как правило, требуется защита от коррозии. Продуктами коррозии железа являются соединения как Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Fe₃O₄*H₂O, Fe₂O₃.

В обычной атмосфере железо неустойчиво: даже в относительно чистом воздухе оно покрывается ржавчиной. В загрязненной атмосфере городов железо коррозирует быстрее, и его необходимо защищать от коррозии.

Ортофосфорная кислота

Ортофосфорная кислота является неорганической кислотой средней силы. Ее химическая формула – H₃PO₄. Ортофосфорная кислота представляет собой бесцветную жидкость, хорошо растворимую в воде.

Испытания на коррозионную стойкость.

Гост 9.302-88. Раствор № 35.Применяется для контроля защитной способности неметаллических неорганических покрытий. Состав: Медь сернокислая 5-водная (82г/л), натрий хлористый (33г/л), соляная кислота 0,1 моль/л (13 см³/л)

Признак неудовлетворительного покрытия: изменение цвета капли от голубого до желтого, светло-зеленого или красного.

Практическая часть:

1 Этап. Подготовка пластинок. Пластинки были покрыты слоем масла и грязи (Приложение 4). Я сняла этот слой при помощи бензина БР-2 (Приложение 5). Обезжиренные пластинки начали реагировать с кислородом и влагой, находившимися в воздухе.

4Fe + 6H₂O+3O₂= 4Fe(OH)₃

Гидроксид железа Fe(OН)₃ и является тем, что называют ржавчиной.

2 Этап. Приготовление растворов. Из 82% ортофосфорной кислоты получаю концентрации этой же кислоты: 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5% (Расчеты веду по правилу креста) (Приложение 3)

3 Этап. Приготовление растворов ортофосфорной кислоты разных концентраций с цинком. В пробирки добавили по 1г цинка. Дальше мы наблюдали, как начали выделяться пузырьки газа – водород. Раствор бесцветный. Цинк не растворился в 1,2 и 3 пробирках. Признаком окончания реакции является прекращение выделения водорода (Приложение 8).

Ортофосфорная кислота (H₃PO₄) образует три вида солей: дигидрофосфаты, гидрофосфаты, фосфаты.

Дигидрофосфаты Zn(H₂PO₄₎₂ – однозамещенные соли образуются сразу при первичном контакте металла с фосфорной кислотой. Взаимодействие описывается реакцией: Zn + 2H₃PO₄ → Zn(H₂PO₄₎₂ + H₂↑

При дальнейшем взаимодействии кислоты с металлом (концентрация кислоты уменьшается) образуются двухзамещенные (гидрофосфаты цинка ZnHPO₄) и трехзамещенные (фосфаты цинка Zn₃(PO₄₎₂) соли.

Реакции образования вторичных и третичных солей:

Zn(H₂PO₄₎₂ ↔ ZnHPO₄ + H₃PO₄ - продуктами реакции являются двухзамещенная соль и свободная ортофосфорная кислота;

3Zn(H₂PO₄₎₂ ↔ Zn₃(PO₄₎₂ + 4H₃PO₄ – образуется трехзамещенная соль, свободная ортофосфорная кислота.

4 Этап. Покрытие пластинок. Для того чтобы покрыть пластинки мне понадобилась обычная кисточка и полиэтилен, для защиты мебели. Я покрыла раствором из каждой пробирки по одной пластинке (Приложение 10). Пластинка меняла цвет с рыжего на тёмно-серый, а при высыхании на светло-серый. Время образования пленки приведено в приложении 11. Труднорастворимые фосфаты железа и цинка – основная составляющая часть фосфатного покрытия. Железо и оксид железа (|||) взаимодействуют с веществами находящимися в растворах, а именно H₃PO₄, Zn(H₂PO₄₎₂, ZnНРО₄. Продуктами являются соли - Zn₂Fe(PO₄₎₂*H₂O – фосфофиллит, Zn₃(PO₄₎₂*4H₂O –гопеит, FePO₄ – фосфат железа (|||), которые кристаллизуются на обрабатываемой поверхности, образуя фосфатное покрытие по схеме реакций представленной в приложении 14. Мы рассмотрели покрытия пластинок под микроскопом:

5 Этап. Испытания на коррозионную стойкость. Я взяла готовый раствор №35 применяемый для контроля защитной способности неметаллических неорганических покрытий. (Приложение 9)

Я капнула раствор на каждую пластинку и засекла время от нанесения капли до появления контактно выделившейся меди. (Приложения 12, 13).

Анализ, проведенных опытов.

• При испытании на коррозионную стойкость было выявлено, что результаты пластинок №6 и №7 (растворы 5 и 6) являются наиболее высокими

• Следовательно, концентрации ортофосфорной кислоты 40% и 50% оптимально подходят для защиты стали от химической коррозии

Расчет себе стоимости полученных растворов.

Цена ортофосфорной кислоты – 60 руб/кг. Цена гранулированного цинка – 130 руб/кг. Цена литра дистиллированной воды – 12 рублей. Расчеты буду вести исходя из объёма раствора 1 л.

Цена раствора ортофосфорной кислоты 50% концентрацией с цинком равна 54 рублям 28 копейкам.

Аналогично рассчитываю раствор ортофосфорной кислоты 40% концентрацией с цинком. Цена равна 48 рублям 52 копейкам.

Вывод:

Нашей задачей было найти относительно дешевый и действенный способ защиты от коррозии. Наши результаты таковы: раствор №4 (40% кислоты) показал такое же время при испытании на коррозионную стойкость, как и раствор №5 (с концентрацией 50% ортофосфорной кислоты), но так же он оказался дешевле. Следовательно, раствор с концентрацией 40% оптимально подходит под подставленную задачу.

Используемая литература:

1. Гаршин, А.Б. Общая и неорганическая химия в схемах, рисунках, таблицах, химических реакциях: учебное пособие. – СПб: Питер, 2011. - 288с.

2. Бахвалов Г.Т. Коррозия и защита металлов: учебное пособие/ Бахвалов Г.Т., Турковская А.В. – 2-е изд. – М., Металлургиздат, 1959.- 312с.

3. Гельфанд, Попов, Чайванов: Водород: параметры горения и взрыва

4. Редакция Шлугера, том 2 (1985): Гальванические покрытия в машиностроении.

Электронные источники:

1. Википедия: коррозия металлов [https://ru.wikipedia.org/wiki/]

2. Все о коррозии [http://www.okorrozii.com/]

3. Единая база гостов [РФ: http://gostexpert.ru]

4. Фосфатирование [http://www.okorrozii.com/fosfatirovanie.html]

Приложение 32

Приложение 34