От чего ржавеет гвоздь

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

От чего ржавеет гвоздь

Береговая Е.А. 1
1МБОУ «СОШ №28»
Биятто Л.В. 1
1МБОУ «СОШ №28»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Мы живем в мире металлов5. Дома, на улице, в автобусе – всюду нас окружают металлические предметы. Без металлов люди просто не мыслют свою жизнь. Металлы и их сплавы являются наиболее важными конструкционными материалами. Но, к сожалению, очень часто под воздействием окружающей среды металлы самопроизвольно разрушаются. Процесс разрушения металлов и изделий из них под воздействием окружающей среды называется коррозией4.

Коррозия металлов наносит большой экономический и экологический вред. Люди несут 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. 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 во всех странах мира [2].

Но вред, наносимый коррозией, не сводится только к потере металла вследствие его разрушения. Гибнет труд людей, затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов. Коррозия металлов выводит из строя трубопроводы, разрушает опоры зданий, транспортные средства. Это приводит к различным катастрофам.

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. Коррозия приводит к засорению нашей планеты от чего ежегодно гибнут растения и животные.

Таким образом, потери от коррозии в сотни раз превосходят стоимость самого металла. Существуют различные способы защиты металлов от коррозии, некоторые из них доступны всем людям. Использование разных способов защиты металлов от коррозии сохраняет природные ресурсы6 от истощения.

Актуальность исследования обусловлена тем, что ежегодно до четверти выплавленного, обработанного и воплощенного в различные конструкции металла разрушается от коррозии и приносит большие экономические и экологические проблемы.

Цель работы: исследование влияния различных факторов окружающей среды на процесс коррозии металлов.

Гипотеза исследования: на коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние природа самого металла, минеральный состав растворов, температура окружающего воздуха и другие факторы.

Задачи:

1. Изучить явление коррозии на металлы (железо²).

2. Установить влияние состава раствора на коррозию металлов (железа).

3. Изучить способы защиты металлов (железа) от коррозии.

Объект исследования: процесс коррозии, протекающий в металлах (железе).

Предмет исследования: коррозия металлов (железного гвоздя), способы защиты металлов (железного гвоздя) от коррозии.

Методы исследования: наблюдение, поисковый, химический эксперимент, изучение литературы, системный анализ.

Научная новизна: нами впервыебыло проведено исследование по изучению такого явления как коррозия металла (железо), влияние факторов окружающей среды (влажность и состав раствора) на коррозию металла (железо), и мы нашли один из самых простых способов защиты металла (железо) от коррозии – покрытие железных изделий лакокрасочными материалами.

1. Коррозия 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 материалы. Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлов и металлических сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой [1].

В основе этого взаимодействия лежат химические и электрохимические реакции, а иногда и механическое воздействие внешней среды. В результате коррозии изменяются свойства металла, и часто происходит ухудшение его характеристик и свойств.

Все металлы, за исключением платины, золота, и серебра, встречаются в природе в виде соединений с кислородом, серой и в виде солей. Чтобы их получить в чистом виде, необходимо затратить различные энергоресурсы. При этом из устойчивого состояния в виде сложного вещества, металл переводят в простое вещество – неустойчивое состояние. Коррозия металлов – это процесс перехода металлов в то естественное состояние, в котором они встречаются в природе, например, в оксид металла (Fe2O3) [2].

Металл при коррозии может частично или полностью разрушаться. Химические соединения, образующиеся в результате взаимодействия металла и окружающейсреды, называют продуктами коррозии. Продукты коррозии могут оставаться на поверхности металла в виде оксидных пленок, окалины или ржавчины7. У железа чаще всего продуктом коррозии является ржавчина. Термин «ржавчина» присущ только продуктам коррозии железа и его сплавов. Любые другие металлы могут корродировать, но не ржаветь! Если 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 [5].

Различают внутренние и внешние факторы коррозии.Внутренние факторы характеризуют влияние на вид и скорость коррозии металла (природа, и структура металла). Внешние факторы определяют влияние состава окружающей среды и условий протекания коррозии (температура, давление, влажность, содержание примесей в атмосфере, составы растворов) [2].

1.2. Виды коррозии металлов

Изучив литературу, мы узнали, что различают два основных вида коррозии металлов: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами при повышенных температурах. Газовой коррозии подвергаются металлы при термической обработке (ковка, прокат, сварка), детали двигателей внутреннего сгорания, арматура печей [4].

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 и других металлов.

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). Например, коррозия бензобаков автомобилей, нефтепроводов, нефтехимического оборудования [6].

Электрохимическая коррозия происходит в токопроводящей среде - в электролите. Электролиты - вещества, растворы которых проводят электрический ток. Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат металлы различных примесей. Усиливается коррозия и при увеличении температуры [7].

2. Защита металлов от коррозии

2.1 Способы защиты металлов от коррозии

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 [1].

Из литературы мы узнали, что имеется такой способ уменьшения коррозии металлов как получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и других металлов. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место.

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую очередь используют никель, серебро, медь, свинец, хром. Во вторую очередь используют цинк, кадмий, алюминий.

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, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии [4]. В обычной жизни люди могут защитить металлы от коррозии с помощью покраски изделий.

Все же несмотря на различные способы защиты металлов от коррозии рано или поздно металл превращается в металлолом. Металлолом — это различный металлический мусор (пришедших в негодность металлических изделий). Чаще всего к металлолому относят специально складируемый в отведенных местах металлический мусор для последующей переработки или утилизации [8]. Переработка металлолома имеет огромное экономическое и экологическое значение. Поэтому во многих странах более ста лет существуют мощности по переработке отходов металла. Все люди должны понимать, что металлический мусор (радиаторы, трубы, решетки с окон и другое) важно сдавать в специальные пункты приема металлов. Переработка собранного металлолома позволяет сокращать нагрузки на месторождения металлов (к настоящему времени сильно истощённые), улучшает экологическую обстановку. Железосодержащие руды³ — не возобновляемый природный ресурс, а металлолом - вторичное сырье¹, которое можно использовать неоднократно.

2.2. Исследование влияния различных факторов на процесс коррозии железа

Анализ литературы позволил понять, что жизнь человека без металлов невозможна. Одним из наиболее востребованных металлов является железо. В тоже время этот металл чаще остальных подвержен коррозии из-за своих природных характеристик. Окружающая среда: температура, давление и влажность, состав растворов разрушает металлы. Но существуют разные способы защиты металлов (изготовление нержавеющих сплавов, покрытие одних металлов другими) от коррозии.

Для изучения процесса коррозии был выбран широко используемый металл – железо. В исследовании мы решили изучить влияние на процесс коррозии железа такого фактора окружающей среды как влажность и состав раствора. А также изучить самый распространенный способ защиты железа от коррозии — нанесение лакокрасочной эмали на поверхность железа.

Исследование провели с помощью 3 опытов: 1. изучение коррозии железа в разных по составу водных растворах (см. Приложение 1); 2. изучение коррозии железа в атмосфере (см. Приложение 2); 3. защита железа от коррозии методом нанесения на его поверхность эмали (см. Приложение 3).

Подробное описание опытов приведено в приложениях №№ 1- 3.

Проведенное нами исследование показало, что чем больше водный раствор содержит солей и примесей, тем быстрее происходит саморазрушение железа (см. Приложение 1). Железо разрушается во влажном воздухе быстрее чем в сухом (см. Приложение 2). Поэтому необходимо в помещениях с влажным воздухом более тщательно защищать железные изделия от возможной коррозии (см. Приложение 3).

Самым доступным способом защиты железных изделий от коррозии является покрытие их лакокрасочными материалами. Так дольше и безопаснее будут использоваться металлические ограждения, отопительные и водопроводные трубы, малые игровые формы на детских игровых площадках, каркасы теплиц и другие металлические изделия.

Если ржавчина уже образовалась - остановить процесс коррозии крайне трудно и не всегда удается. Лучше его предупреждать и заранее защищать металл!

В целях сбережения природных ресурсов, в том числе и железосодержащих руд люди могут сдавать, состарившийся и вышедший из эксплуатации металл в специальные пункты приема металлолома. Такие пункты есть во всех городах, в том числе и в городе Кемерово (см. Приложение 4). Летом 2017 года моя семья сдала 44 килограмма металлолома (алюминий, нержавеющая сталь, железо), который мы обнаружили, перестраивая веранду на даче.

Заключение

Мы все должны научиться применять новые технологии и знания, чтобы использовать природные ресурсы более эффективно и рационально. Остановить и полностью предотвратить коррозию металлов невозможно. Очень много факторов влияют на коррозию. Но есть способы защиты металлических изделий от коррозии, которые доступны всем людям.

Одним из часто используемых металлов является железо. В тоже время этот металл из-за своих природных характеристик чаще остальных подвержен коррозии. Различные факторы окружающей среды разрушают железо. Но существуют разные способы защиты металлов (изготовление нержавеющих сплавов, покрытие одних металлов другими, покрытие металлов лакокрасочными материалами) от коррозии.

Для изучения процесса коррозии был выбран широко используемый металл – железо. В исследовании мы изучили влияние на процесс коррозии железа таких факторов окружающей среды как влажность и состав водного раствора. А также изучили самый распространенный способ защиты железа от коррозии — нанесение лакокрасочных материалов на поверхность железа.

В ходе выполнения исследовательской работы выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение в связи, с чем были сделаны следующие выводы: 1. Коррозия металлов зависит от свойства и природы материалов, из которых изготовлены конструкции. Железо самый используемый металл, но и самый подверженный коррозии. 2. Коррозия железа зависит от разных факторов окружающей среды, чаще всего железо разрушается в электролитах, то есть растворах, пропускающих электрический ток. 3. Существуют разные способы защиты металлов от коррозии. Необходимо совершенствовать старые и разрабатывать новые методы защиты металлов от коррозии, так как она наносит большой экономический вред и может быть опасна для здоровья и жизни людей. 4. Ржавое железо необходимо сдавать на металлолом для сохранения природных ресурсов.

Список литературы и интернет-источников

1. Габриелян, О.С. Химия: вводный курс. 7 класс: учебник/О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов, А.К. Ахлебинин. - 2-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2015. - 159 [1] с.: ил.

2. Неорганическая химия. Энциклопедия школьника. Гл. Ред. И.П. Алимарин. М., «Советская Энциклопедия», 1975. 384 с. с ил.

3. Платонов, Ф.П. Лекционные опыты и демонстрации по общей и неорганической химии. Под ред. Г.П. Хомченко. Учеб. Пособие для вузов. М.., «Высш. Школа», 1976. 327 с. с ил.

Интернет-ресурсы

4. Все о коррозии [Электронный ресурс] http://www.okorrozii.com/rgavchina.html (Дата обращения — 10.09.2017).

5. Изучение процесса коррозии железа [Электронный ресурс] http://открытыйурок.рф/статьи/581254/(Дата обращения — 07.10.2017).

6.Как и от чего разрушаются металлы [Электронный ресурс] https://infourok.ru/issledovatelskaya-rabota-uchenika-po-teme-kak-i-otchego-razrushayutsya-metalli-873171.html (Дата обращения — 01.09.2017).

7. Коррозия, исследовательская работа [Электронный ресурс] https://multiurok.ru/files/issliedovatiel-skaia-rabota-po-tiemie-korroziia.html (Дата обращения — 27.09.2017).

8. Металлолом [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/(Дата обращения — 02.09.2017).

Приложение 1

Опыт № 1. Изучение коррозии железа в водных растворах

Цель: изучение скорости протекания коррозии железа в разных водных растворах

I этап: в пробирки с дистиллированной, водопроводной водой, слабым и сильным раствором поваренной соли поместили железные гвозди и оставили на время. Опыт проводился при комнатной температуре +25°С.

II этап: Каждые сутки визуально отмечали происходящие изменения, в начале и конце опыта делали фотографии.

Пробирка 1: дистиллированная вода + железо

Коррозия железа протекает с самой маленькой скоростью. На пятые сутки на гвозде образовалось незначительное количество налета ржавчины.

Пробирка 2: водопроводная вода + железо

Коррозия железа протекает со значительной скоростью. Уже к концу первых суток вода начала приобретать ржавый оттенок. На вторые сутки на гвозде образовалось значительное количество налета ржавчины. На пятые сутки было замечено появление налета на гвозде не только в воде, но и над водой.

Пробирка 3: сслабосолёный раствор воды + железо

Скорость коррозии высокая. К концу первых суток вода приобрела ржавый оттенок. Со вторых суток в растворе много осадка в виде ржавчины.

Пробирка 4: сильносолёный раствор воды + железо

Скорость коррозии максимальна. Вода приобрела ржавый оттенок через 2 часа. В растворе наблюдаем максимальное количество осадка.

Вывод: чем больше в воде примесей различных солей, то есть чем агрессивнее среда, тем быстрее происходит разрушение железа. Быстрее всего и сильнее всего гвоздь заржавел в 4 пробирке.

Начало эксперимента

фото 1.

Окончание эксперимента

ф
ото 2.

Приложение 2

Опыт № 2.Изучение коррозии железа в атмосфере

Цель: изучение скорости протекания коррозии железа в помещения с разным уровнем влажности.

I этап: в 2 сухие чашки Петри поместили по 1 железному гвоздю. 1 чашку разместили в ванной комнате, где наиболее влажный воздух, вторую в кладовой комнате, где более сухой воздух.

II этап: Каждые сутки визуально отмечали происходящие изменения, делали фотографии в начале и конце опыта.

Чашка 1: железо в ванной комнате

Коррозия железа протекает. На седьмые сутки на гвозде образовалась ржавчина.

Чашка 2: железо в кладовой комнате

Коррозия не протекает в течение 3 недель.

Вывод:чем выше влажность помещения, то есть чем агрессивнее среда, тем быстрее происходит разрушение железа. Быстрее всего и сильнее всего гвоздь заржавел в ванной комнате.

Н



ачало эксперимента

Фото № 3, в ванной Фото № 4, в кладовой

Окончание эксперимента

Фото № 5, в ванной Фото № 6, в кладовой

Приложение 3

Опыт № 3. Защита железа от коррозии методом нанесения на его поверхность лакокрасочной эмали

Цель: изучение способа защиты от коррозии железа покрытием его поверхности эмалью

I этап: в пробирки с сильным раствором поваренной соли поместили железные гвозди и оставили на время.

II этап: Каждые сутки визуально отмечали происходящие изменения, делали фотографии.

Пробирка 1: сильносоленый раствор воды + неокрашенное железо

Скорость коррозии максимальна. В растворе наблюдаем максимальное количество осадка.

Пробирка 2: сильносоленый раствор воды + окрашенное на половину железо

Скорость коррозии максимальна только на неокрашенном участке гвоздя. Окрашенная часть гвоздя коррозии не подверглась

Пробирка 3: сильносоленый раствор воды + полностью окрашенное железо

Гвоздь не заржавел.

Вывод: покрытие железа лакокрасочными изделиями защищает его от коррозии. Быстрее всего и сильнее всего гвоздь заржавел в 1 пробирке, в 3 пробирке гвоздь не заржавел, во второй пробирке заржавела только непокрытая лакокрасочной эмалью часть.

Начало эксперимента: Окончание эксперимента:

фото № 7 фото № 8

Просмотров работы: 15