XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Коррозионное поведение меди в различных рН растворах
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования.
Коррозию называют «тихим» врагом экономики России, поскольку подобная проблема наносит колоссальный ущерб экономике Российской Федерации, который практически невозможно оценить. По данным специалистов, убытки от коррозии могут составлять от 3 до 5 % ВВП стран, с развитой промышленностью. Более того, ржавчина и другие коррозионные последствия, буквально, «съедают» металл. Его потери в мире, по оценкам экспертов, могут доходить до 20%. В Российской Федерации, только прямые потери от коррозии достигли 12% национального дохода, а также общей массы металлофонда страны. Специалистами подсчитано, что около 15 % этих потерь можно избежать, своевременно используя постоянно совершенствуемые средства противокоррозионной защиты.
Самый первый металл, который стал использовать человек, – это медь.
С этим металлом я встречаюсь повсюду: медный век на уроках истории, медные жилы в сетевом шнуре на занятиях в технопарке «Кванториум», медный самовар у бабушки, медная кофеварка у мамы, медный купорос у дедушки и т. д. Несмотря на долгую (более 6000 лет) и разнообразную историю использования этого металла человеком проблема защиты меди от коррозии, вероятно, окончательно всё ещё не решена. Вывод этот я делаю хотя бы на том основании, что памятник «Медный всадник» Э. Фальконе в Санкт-Петербурге реставрировался в 2021 году, в том числе и от коррозии бронзы, около 90% которой – медь.
Желание узнать свойства меди, делающей её столь популярным металлом и в наши дни, а также стойкость меди к коррозии и методы борьбы с ней определило актуальность настоящего исследования.
Несмотря на то, что проблема борьбы с коррозией металлов, возникшая в глубокой древности (4–5 тысяч лет тому назад), коррозионные процессы и способы защиты от коррозии металлов всё ещё продолжают интересовать исследователей разного возраста: А. И. Богданову и В. Д. Гринцова [1], И. Н. Кирилову [2], А. А. Мижеву [5], Ю. И. Харисову [7], А. М. Царегородцева [8], А. В. Швыдкую [9] и многих других.
Кирилова И. Н. (2018), изучая сущность электрохимической коррозии металлов и способы защиты металлов от коррозии, пришла к выводу, что анодное покрытие более надежно, чем катодное, потому что при нарушении целостности покрытия анодного типа корродирует металл покрытия, а основной металл не разрушается, а при нарушении целостности покрытия катодного типа корродирует основной металл [2].
Мижева А. А. (2017), изучая химическую сущность, условия и методы защиты от коррозии, пришла к выводу, что коррозия действительно сильно зависит от условий внешней среды, а ингибиторы необходимо подбирать индивидуально, учитывая pH среды [5].
Харисова Ю. И. (2017) посвятила своё исследование изучению способов предотвращения коррозии, солеотложения и биообрастания нефтяного оборудования и трубопроводов, в том числе и ингибиторной защите как наиболее эффективному методу защиты трубопроводов [7].
Царегородцев А. М. (2017) в ходе исследования стремился понять сущность процесса коррозии и ее влияния на окружающий мир, предполагая, что основательное изучение процесса коррозии даст возможность её контролировать [8].
Богданова А. И. и В. Д. Гринцов (2021), проводя металлографическое исследование, установили, что в зоне соединения двух металлов при воздействии коррозионной среды слой меди практически не повреждается воздействием среды, благодаря протеканию катодного процесса в электролите [1].
Швыдкая А. В. (2020) исследовала влияние определенных условий на коррозию металлов в окружающей среде, а также выявляла вещества, ускоряющие и замедляющие коррозию металлов [9].
Перечисленные выше исследования дают представление о коррозии металлов, общих подходах к защите от коррозии металлов вообще или определённых видах металлов, но не помогают разрешить проблему исследования – какие ингибиторы коррозии меди наиболее эффективны.
Цель исследования: изучение коррозионного поведения меди в различных рН растворах, в том числе при наличии органических и неорганических ингибиторов.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
1. Проанализировать литературу по исследуемой теме.
2. Изучить свойства меди, познакомиться с коррозионным эффектом на меди и её сплавах, защитным действием ингибиторов коррозии меди.
3. Экспериментально проверить действие ингибиторов коррозии меди.
Объектом исследования являются ингибиторы коррозии меди.
Предмет исследования: защитное действие органических и неорганических ингибиторов коррозии меди.
Гипотеза исследования: знание действия органических и неорганических ингибиторов коррозии меди в нейтральных солевых растворах поможет выбрать ингибитор, обеспечивающий наибольшую степень защиты меди от коррозии.
Методы исследования
На различных этапах работы и при решении отдельных задач, поставленных в исследовании, использовался широкий набор методов: анализ научно-популярной литературы, методы наблюдения и сравнения, методы эксперимента и обобщения информации.
Исследование проводилось в химической лаборатории Майкопского государственного технологического университета.
Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Основные этапы развития науки о коррозии
Проблема борьбы с коррозией металлов возникла в глубокой древности одновременно с появлением первых железных изделий, т. е. 4–5 тыс. лет тому назад. Основным видом защиты металлов от разрушения, применяемым с тех далеких времен, явились защитные покрытия [3].
Рассмотрим основные этапы развития науки о коррозии (Таблица 1).
Таблица 1 – Основные этапы развития науки о коррозии
|
Дата |
Государство / город |
Учёный |
Открытия / защитные покрытия |
|
950 г. до н. э. |
Древний Египет |
природные смолы |
|
|
966–959 гг. до н.э. |
Древний Иерусалим |
При строительстве дворца Соломона железные сооружения покрывали асфальтом. |
|
|
23–79 гг. н. э. |
Древний Рим |
Плиний старший «Естественная история» |
свинцовые белила и деготь |
|
1748 г. |
Россия |
М. В. Ломоносов |
Положил начало научному изучению коррозии металлов. Открыл закон сохранения массы и обнаружил прибавление массы металлов (коррозионное взаимодействие). Опроверг теорию о флогистоне, так называемом теплороде или огненной материи. Показал принципиальное отличие механизма растворения металлов в кислотах, сопровождающегося выделением тепла, от растворения солей, при котором тепло поглощается. |
|
1782 г. |
Франция |
химик Лавуазье |
Показал, что при окислении железа образуются соединения железа с кислородом. |
|
начало XIX в. |
Англия |
Деви |
Открыл явление электрохимической защиты меди в морской воде при присоединении к ней железа или цинка. |
|
1833–1834 гг. |
Англия |
М. Фарадей |
Установил законы электролиза |
|
1833–1834 гг. |
Швейцария |
А. Де-ля-Рив |
Объяснил растворение цинка в кислоте действием микрогальванических элементов. |
|
1865 г. |
Россия |
Н. Н. Бекетов |
Исследовал явления вытеснения из растворов одних металлов другими. |
|
1881 г. |
Н. Н. Каяндер |
Пришёл к выводу, что растворенные вещества распадаются на составные части. |
|
|
1887 г. |
Швеция |
С. Аррениус |
Сформулировал теорию электролитической диссоциации. |
|
1888 г. |
Германия |
В. Нернст |
Объяснил механизм возникновения электродных потенциалов. |
|
1820 г. |
Россия |
С. П. Власов |
Разработка стойких красок |
|
к 1925 г. |
Англия |
Р. А. Гадфильд |
Установил потери металла от коррозии (из 1860 млн. т стали, выплавленной с 1860 г. по 1920 г., разрушено ржавчиной примерно 33% от общего количества). |
|
1856 г. |
Россия |
Б. С. Якоби |
Электрохимическая защита стали цинковым протектором. |
|
1910 г. |
Россия |
А. И. Онуфрович |
Разработка наиболее устойчивого кровельного железа. |
|
1910 г. |
Россия |
Е. Куклин |
Травление металлов. |
|
с 1890 г. |
Россия |
В. А. Кистяковский |
Создал фильмовую теорию коррозии металлов. Открыл мотохимические и мотоэлектрические явления, в основе которых – изменение электрохимических потенциалов металлов при их движении в растворах электролитов. |
|
1962 г. |
Россия |
Ю. Эванс |
Объяснил причину ускорения коррозии при неравномерном доступе кислорода к конструкции (явление дифференциальной аэрации). Изучил структуру и свойства тонких окисных пленок, образующихся на поверхности металла. |
|
1929 г. |
Россия |
Г. В. Акимов |
Создал первую специализированную лабораторию в ЦАГИ - по исследованию коррозии металлов в растворах электролитов, протекающей с участием кислорода воздуха, - по теории многоэлектродных систем и стационарных потенциалов, - по разработке нержавеющих сталей, - по пассивности металлов. |
|
СССР |
ИФХ АН СССР |
Разработаны методы защиты с помощью покрытий, ингибиторов коррозии и катодной поляризации. |
|
|
1933–1939 гг. |
СССР |
А. Н. Фрумкин |
Развил гомогенно-электрохимические представления о природе стационарных потенциалов, что позволило количественно оценить материальный эффект коррозии по электрохимическим характеристикам металла. |
Современное состояние учения о коррозии металлов определяется большими достижениями всей науки, а дальнейшее развитие представлений немыслимо без использования всех новых методов исследования; электронной микроскопии и электронографического анализа, меченых атомов и сложных электронных приборов, позволяющих анализировать быстропротекающие процессы. Несомненно, что в течение ближайших лет будут раскрыты многие, еще непонятные явления и на этой основе разработаны эффективные методы защиты металлов от коррозионного разрушения [3].
К основным способам защиты от коррозии относятся [6]:
1. Металлические покрытия.
2. Неметаллические покрытия.
3. Лакокрасочные и гуммировочные покрытия.
4. Антикоррозионные грунтовки и преобразователи ржавчины.
1.2 История открытия меди и медь в истории человечества
Медь – один из первых металлов, которые человек стал применять для технических целей. Периоды использования меди и бронзы ознаменовали целые эпохи культурного развития человечества под названием медный век и бронзовый век.
Древнейшие изделия, по-видимому, из самородной меди, найденные в Египте, относятся к I тысячелетию до н. э. Позднее египтяне добывали медь из её окисных руд (бирюзы, малахита и др.). Руды плавили при 10830 С в примитивных горнах с применением дутья.
Около II – III в. выплавка меди производилась в широком масштабе не только в Египте, но и в Месопотамии, на Кавказе и в других странах древнего мира. Огромное количество древних медных и бронзовых изделий, обнаруживаемых археологами, позволяет предположить, что для добычи меди использовались и сернистые руды.
В Х – ХII вв. до н. э. медные и бронзовые орудия труда и оружие начинают вытесняться железными. Однако это не помешало меди сохранить свое важное техническое значение до наших дней.
Латинское название меди Cuprum (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где уже в III в. до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди.
Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь венера (Venus); в более древние времена встречается название марс (Mars) [4].
1.3 Свойства меди
Медь – золотисто-розовый металл. Она очень пластична, обладает высокой теплопроводностью, считается отличным проводником, уступая только серебру. В слабой соляной кислоте, пресной и морской воде коррозия меди незначительная.
На открытом воздухе происходит окисление меди с образованием оксидной пленки, которая защищает металл и придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок, что отличает её от других металлов, имеющих серый оттенок.
Слой, покрывающий медь, называют патиной. Он изменяет свой цвет от коричневатого оттенка до зеленого и даже черного, поэтому тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.
Патина у меди рыхлая, поэтому коррозионно неустойчива и способна защищать медные изделия лишь в легких условиях эксплуатации, поэтому требуется дополнительная защита.
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Методика эксперимента
В экспериментальной части определяли скорость коррозии меди в водных растворах кислот, щелочей и солевых электролитов.
С этой целью провели классические коррозионные испытания, для чего использовали медные образцы марки М0к (содержание меди 99,98%) площадью 1,57 см2.
Коррозионные испытания проводили в течение одних суток.
Перед испытаниями образцы зачистили, обезжирили и высушили фильтровальной бумагой (Приложение 1).
Измерения массы выполнили на лабораторных аналитических весах (Приложение 2).
Результаты получили, усредняя измерения массы для трех образцов.
В качестве коррозионных сред 0,1–2 М растворы серной кислоты (Н2SО4 – ос. ч.), едкого натра (NaOH – ос. ч.) и хлорида натрия (NaCl – ос. ч.) (Приложения 3, 4).
Коррозионную стойкость меди (скорость коррозии) характеризовали массовым показателем коррозии (формула 1), а степень защиты от коррозии оценивали с помощью формулы 2.
|
(1) |
|
|
где К – массовый показатель коррозии m – убыль (увеличение) массы металла при коррозии S – площадь поверхности – время коррозии металла |
|
|
(2) |
|
|
где Z – степень защиты от коррозии Кз – коэффициент защитного действия К0 – скорость коррозии металла без защиты |
2.2 Результаты эксперимента
Полученные в результате эксперимента данные представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты коррозионных измерений для меди в водных растворах кислот, щелочей и солевых электролитов.
|
№ серии |
Электролит |
Средняя масса, г |
Скорость коррозии, |
Степень защиты от коррозии, % |
|
1 |
0,1 М H2SO4 |
0,00020 |
0,147 |
- |
|
2 |
0,1 M NaOH |
0,00014 |
0,103 |
- |
|
3 |
0,1 M NaCl |
0,00033 |
0,243 |
- |
|
4 |
0,1 M NaCl + 0,001ЭДТА |
0,00011 |
0,081 |
33,33 |
|
5 |
0,1 M NaCl + 0,001NaNO2 |
0,00029 |
0,213 |
87,65 |
Анализ полученных результатов показывает, что максимальная скорость коррозии меди наблюдается в нейтральном растворе хлорида натрия (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Скорость коррозии меди
В кислой и щелочной средах на поверхности меди образуются плотные слои продукта коррозии, обладающего определенными защитными свойствами, что приводит к значительному понижению массового показателя коррозии в данных растворах, поэтому для исследования защитных свойств ингибиторов различной природы мы выбрали солевые электролиты различной концентрации.
Результаты, полученные для 0,1 М растворов NаСl с добавками органического ингибитора этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) в серии 4 и неорганического ингибитора NаNО2 в серии 5, иллюстрирует рисунок 2.
Рисунок 2 – Степень защиты от коррозии
В присутствии органического ингибитора (серия 4) степень защиты составила 33,33 %, в случае нитрита натрия (серия 5) – 87,65 %.
Снижение степени защиты от коррозии в случае органического ингибитора (серия 4) может быть связано с образованием растворимого хелатного комплекса с металлом на поверхности.
Таким образом, для защиты меди в нейтральных солевых растворах можно рекомендовать неорганический ингибитор нитрит натрия (NаNО2), показавший высокую степень коррозионной защиты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования я проанализировал литературу по исследуемой теме, изучил историю открытия меди и медь в истории человечества, познакомился с основными этапами развития науки о коррозии, свойствами меди.
В ходе экспериментов выяснил следующее:
1. В кислой и щелочной средах на поверхности меди образуются плотные слои продукта коррозии, обладающего определенными защитными свойствами, что приводит к значительному понижению массового показателя коррозии в данных растворах. Патина, изменяя цвет медного изделия от коричневатого оттенка до зеленого и даже черного, коррозионно неустойчива, поэтому требуется дополнительная защита.
2. Знание действия органических и неорганических ингибиторов коррозии меди в нейтральных солевых растворах позволило выбрать ингибитор, обеспечивающий наибольшую степень защиты меди от коррозии, в нашем случае можно рекомендовать нитрит натрия (NаNО2), что подтвердило выдвинутую гипотезу.
Список использованных источников и литературы
1. Богданова А. И. Исследование коррозионной стойкости металлического СКМ Cu-Al / А. И. Богданова, В. Д. Гринцов // Молодой ученый. – 2021. – № 23 (365). – С. 15–18. – Режим доступа: https://moluch.ru/archive/365/81981/ (дата обращения: 20.05.2022).
2. Кирилова И. Н. Электрохимическая коррозия и защита от неё // X Международная студенческая научная конференция «Студенческий научный форум – 2018». – Режим доступа: https://scienceforum.ru/2018/article/2018008124 (дата обращения: 20.05.2022).
3. Коррозия металлов // Справочник химика 21. – Режим доступа: https://www.chem21.info/page/141180228010078050094106213248077060110193171013/ (дата обращения: 27.06.2022).
4. Медь: история открытия элемента // Сервер Химического факультета МГУ. – Режим доступа: http://www.chem.msu.su/rus/history/element/Cu.html (дата обращения: 27.06.2022).
5. Мижева А. А. Влияние условий внешней среды и некоторых веществ на коррозионные процессы // Международный школьный научный вестник. – 2017. – № 2. – Режим доступа: https://school-herald.ru/ru/article/view?id=188 (дата обращения: 27.06.2022).
6. Попова А. А. Методы защиты от коррозии : курс лекций : учебное пособие для студентов вузов. – СПб.: Лань, 2014. – 271 с.
7. Харисова Ю. И. Способы защиты от коррозии, солеотложения и биообрастания нефтяного оборудования и трубопроводов // Педагогическое сообщество «Урок.РФ». – Режим доступа: https://урок.рф/library_kids/nauchnoissledovatelskaya_rabota_po_himii_i_biologi_083802.html (дата обращения: 20.05.2022).
8. Царегородцев А. М. Исследование процессов коррозии металлов // III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке». – Режим доступа: https://school-science.ru/3/13/33260 (дата обращения: 20.05.2022).
9. Швыдкая А. В. Изучение коррозии металлов // Старт в науке. – 2020. – № 1. – Режим доступа: https://science-start.ru/ru/article/view?id=1826 (дата обращения: 27.06.2022).
Приложение 1
Зачистка медной пластинки перед опытом по коррозии
Приложение 2
Измерения массы на лабораторных аналитических весах
Приложение 3
Опыты по изучению коррозии меди
Приложение 4
Влияние ингибиторов на коррозию