XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ИНГИБИТОРОВ РАСТВОРЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В УКСУСНОЙ КИСЛОТЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Законова В.М. 1

---

1МАОУ «Гимназия»

Оброскова М.А. 1

---

1МАОУ ООШ №2

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Сейчас с трудом можно найти отрасль химической промышленности, в которой бы не использовались катализаторы – ускорители химических реакций. В курсе неорганической и органической химии, с восьмого по одиннадцатый класс, мы постоянно с ними сталкиваемся. Однако на ряду с катализаторами, есть вещества, замедляющие протекание химических реакций – ингибиторы. Мне стало интересно больше узнать о их применении, так как в курсе школьной химии такие вещества не упоминаются.

Изучая литературу, связанную с темой «Ингибиторы», я узнала, что такие вещества широко применяются практически во всех отраслях химической промышленности, особенно востребованы в газовой и нефтянной промышленности. Однако применяются ингибиторы и в других, менее востребованных, но в не менее важных процессах.

Так археологи во время раскопок находят предметы из черных металлов различной степени сохранности. Наличие продуктов коррозии недопустимо при консервации музейных экспонатов и окраске архитектурных деталей из чугуна и стали. Удаление ржавчины и других продуктов коррозии при использовании сильных кислот — обязательный процесс в реставрации изделий из черного металла. В процессе реставрации приходится проводить расчистку от ржавчины и напластований красочных слоев, однако это способствует дальнейшей коррозии, что крайне нежелательно, поскольку может привести к утрате внешнего вида и свойств обрабатываемого предмета. Специалисты-реставраторы для решения данной проблемы применяют различные сложносоставные смеси. Однако, эти способы не подходят для широкого применения реставраторами-любителями. Решению данной проблемы посвящено наше исследование.

В литературе описывается возможность применения в качестве ингибиторов коррозии солянокислых экстрактов чистотела, хохлатки, дымянки, алтея лекарственного и тысячелистника.

Проблема: влияние состава раствора уксуснокислого экстракта листьев чистотела на растворение железа.

Гипотеза: использование уксуснокислого экстракта листьев чистотела уменьшит потери железа при обработке железных изделий от коррозии.

Объект исследования – реакция железа и окислителей (воды, уксусной кислоты).

Предмет исследования – влияние природных ингибиторов растений на скорость коррозии железа.

Цель работы: изучить влияние состава раствора на характер растворения железа в уксусной кислоте при комнатной температуре

Задачи:

1. Изучить влияние уксуснокислого экстракта листьев чистотела большого Chelidonium majus L. при комнатной температуре на процесс растворения железа.

2. На основании результатов эксперимента выявить действительно ли можно использовать экстракт чистотела в качестве ингибитора, обладают ли такими же свойствами другие растения.

Актуальность и практическая значимость: Исследование применения в качестве ингибиторов окисления железа уксуснокислых экстрактов растений, которое будет широкодоступно для реставрации металлических изделий в состав которых входит железо может быть интересно ученым-реставраторам, механикам, восстанавливающим корпуса машин.

Для достижения поставленных задач я изучила литературу в библиотеке и кабинете химии, использовала материалы с сайтов Интернета, а также использовал методы: гравиметрический метод, наблюдения, эксперимента, сравнения, анализа.

1. Теоретическая часть

   1. Понятие об ингибиторах.

Ингибиторы (от лат. inhibeo — останавливаю, сдерживаю) это вещества, тормозящие разнообразные химические реакции; находят широкое применение для предотвращения или замедления нежелательных процессов, например, коррозионного разрушения металлов, окисления топлив, смазочных масел и пищевых продуктов, полимеризации, старения полимеров и др. Характерной особенностью ингибиторов является эффективность их в малых концентрациях – от тысячных долей процентов до нескольких процентов. Эффективность ингибирования зависит от природы ингибиторов и характера ингибируемой реакции, а также от количества ингибиторов, времени его введения в реакционную среду, температуры, содержания других веществ, влияющих на эффективность ингибитора.

Ингибиторы коррозии вводят в коррозионно-активную среду для защиты металлов от коррозии. Ингибиторы коррозии относятся к наиболее эффективным средствам борьбы с коррозией и находят широкое применение при травлении металлов с целью удаления окалины, для защиты энергетического оборудования, при добыче и переработке нефти и газа, в промышленном и бытовом водоснабжении, в охладительных системах промышленного оборудования и транспортных средств (двигатели внутреннего сгорания), для защиты от атмосферной коррозии изделий машиностроения, при гидроиспытаниях и т. д. Широко используют ингибиторы для защиты деталей машин и приборов во время межоперационного хранения, консервации и транспортировки. Защитное действие ингибиторов коррозии определяется их способностью изменять кинетику электрохимических реакций, обусловливающих коррозионный процесс. В зависимости от того, какую из электрохимических реакций сильнее тормозят ингибиторы коррозии, они делятся на анодные, катодные и смешанные. К анодным ингибиторам коррозии относятся, например, такие окислители, как хроматы и нитриты, широко применяемые в промышленности (авиационной, химической, нефтеперерабатывающей и т. д.). При действии этих ингибиторов металл переходит в устойчивое, пассивное состояние. В качестве катодных ингибиторов коррозии применяют соли мышьяка и висмута, а также различные органические соединения, повышающие перенапряжение водорода на металле. Катодными ингибиторами коррозии могут служить также вещества, поглощающие катодные деполяризаторы; в частности, для защиты котельной аппаратуры применяют гидразин или сульфит натрия, связывающие растворённый в воде кислород. В зависимости от природы коррозионной среды различают ингибиторы коррозии для кислых, нейтральных и щелочных сред, а также ингибиторы атмосферной коррозии. Для защиты от атмосферной коррозии, например, широкое распространение получили так называемые летучие ингибиторы, пары которых адсорбируются на поверхности металла. Широко распространённый и эффективный метод применения ингибиторов атмосферной коррозии — введение их в упаковочные материалы. Для защиты чёрных металлов применяют нитрит дициклогексиламмония (НДА), карбонат циклогексиламмония (КЦА), смеси мочевины или гексаметилентетрамина (уротропина) с нитритом натрия (УНИ); для защиты чёрных металлов в сочетании с цветными — соли нитро- и динитробензойной кислот с аминами. С целью предотвращения коррозии металлов ингибиторы вводят также в топлива, масла, смазки и полимерные покрытия. В масла и смазки добавляют окисленные нефтепродукты, нитрованные масла, сульфонаты, амины, нитриты и др.; в полимерные покрытия — хроматы, нитрованные масла и др.

1. 2. Взаимодействие воды и уксусной кислоты с железом.

Железо – металл серебристо-белого цвета, с высокой химической активностью и высокой ковкостью. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

Железо довольно распространено в земной коре (порядка 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает 4-ое место среди всех элементов и 2-ое место среди металлов. Содержание в земной коре — около 8%.

Из-за своей распространенности в земной коре, твердости и ковкости, железо широко применимо в промышленности. Историческая эпоха, когда человек научился обрабатывать железо, и начал изготавливать из него орудия труда и оружие, называется «железный век». Железо заменило более пластичный металл – медь, так как инструменты, сделанные из железа более прочные и долговечные.

При обычных условиях железо с водой практически не реагирует. Раскаленное железо может вступать в реакцию при температуре 700-900^оС с водяным паром:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑

При этом образуется окалина и выделяется газ водород.

В воде в присутствии кислорода или во влажном воздухе железо медленно окисляется (корродирует):

4Fe + 3O₂   +   6H₂O    →   4Fe(OH)₃↓

Образуется нерастворимый осадок – гидрокстид железа (III), имеющий красно-коричневый цвет.

Химизм процесса окисления железа в уксусной кислоте описывается несколькими последовательными реакциями, происходящими в растворе.

На первом этапе при взаимодействии железа с уксусной кислотой, образуется ацетат железа (II):

Fe + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₂Fe + H₂↑

В реакционной смеси присутствует растворенный кислород, поэтому образуется гидроксоацетат железа (III), который впоследствии образует осадок красно-коричневого цвета:

4(CH₃COO)₂Fe + O₂ + 2H₂O → 4(CH₃COO)₂FeOH↓

1. 3. Ингибиторы, содержащиеся в чистотеле и розе.

Чистотел большой (Chelidonium majus L.) — это распространенное растение умеренного пояса Евразии, ядовит, содержит около 20 алкалоидов, в том числе берберин, применяется как лекарственное растение и ценный источник биологически активных веществ.

Чистотел большой — это многолетнее лекарственное травянистое растение с прямыми, в верхней части ветвящимися стеблями, высота которых может достигать 1 м. Все части растения содержат золотисто-желтый млечный сок. Чистотел большой является одним из самых богатых растительных источников биологически активных соединений. В надземных частях растения обнаружены флавоноиды, сапонины, небольшое количество эфирного масла, каротин и витамин С, органические кислоты. Во всех частях чистотела содержатся алкалоиды, особенно много их в корнях (до 4,14 %). Всего из чистотела выделено около 20 алкалоидов, в том числе хелидонин, оксихелидонин, метоксихелинин, хелеритрин, сангвинарин, протопин, спартеин, берберин и др. Определено, что алкалоиды чистотела ингибируют ацетилхолинэстеразу и моноаминоксидазу, а также оказывают выраженное цитотоксическое воздействие.

Роза — собирательное название видов и сортов представителей рода Шипо́вник (лат. Rósa), выращиваемых человеком и растущих в дикой природе. Большая часть сортов роз получена в результате длительной селекции путём многократных повторных скрещиваний и отбора. Некоторые сорта являются формами дикорастущих видов.

Форма куста может быть от раскидистой до узкопирамидальной. Высота куста групп чайно-гибридных и флорибунда от 30 до 90 см; полиантовых — 30—45 см, некоторые сорта достигают 60 см; миниатюрные — 25—35 см. Группа плетевидных роз представляет собой кустарники с плетевидными, дугообразными стелющимися побегами от 2,5 до 6 метров длиной.

Шиповник – содержит большое количество биологически-активных веществ, лидирующую роль в которых занимают витамины, являющиеся природными антиоксидантами.

В различных частях растения содержаться токоферолы, антиоксидантные свойства которых основаны на способности образовывать устойчивые малореакционно-способные свободные радикалы в результате отщепления атома водорода от гидроксильной группы при взаимодействии с активными радикалами.

Каротиноиды представлены в основном ликопином и ß-каротином. Их роль заключается в связывании кислорода и ингибировании образования свободных радикалов, что позволяет предупредить негативное действие последних на организм. Количество каротиноидов в ходе вегетации возрастает, при этом снижается количество хлорофиллов.

Витаминный и минеральный состав шиповника зависит от многих факторов, но основными являются генетический и экологический. Минеральный состав зависит от почв на которых произрастет каждый отдельный куст. С увеличением высоты произрастания кустарника над уровнем моря возрастает содержание аскорбиновой кислоты, каротина, катехинов, антоцианов и флавоноидов, но уменьшается содержание дубильных веществ.

В современных исследованиях по определению качественного и количественного состава растительного сырья используют различные способы экстракции биологически активных соединений. Наиболее простыми способами экстрагирования являются статические. В частности, для выделения алкалоидов, используют мацерацию, экстракцию хлороформом, экстракцию растворами уксусной кислоты и этанола различных концентраций.

2. Практическая часть

   1. Приготовить уксуснокислые экстракты листьев чистотела и листьев розы.

Для исследования мы решили сделать четыре пробы:

1. Уксусная кислота и железо,

2. Уксуснокислый экстракт листьев чистотела и железо,

3. Уксуснокислый экстракт листьев розы и железо,

4. Дистиллированная вода и железо.

Первый этап заключался в приготовлении и настаивании экстрактов листьев чистотела и розы. Для этого по 20 грамм листьев чистотела, купленного в аптеке, и розы, высушенной в домашних условиях, мы поместили в колбы с 300 мл уксусной кислоты 80%.

Экстракция длилась семь дней, после чего, мы отфильтровали экстракты и приступили к следующему этапу исследования.

Выводы по результатам: биологически-активные вещества, содержащиеся в листьях чистотела и розы хорошо экстрагируются в уксусной кислоте. Уксуснокислый экстракт листьев чистотела приобрел насыщенный коричнево-зеленый цвет. Уксуснокислый экстракт листьев розы приобрел насыщенный бордово-красный цвет, за счет того, что мы брали не только зеленые листья розы, а и высушенные лепестки бутонов, используя все части розы.

1. 2. Исследовать влияние на коррозию железа уксуснокислых экстрактов листьев чистотела и листьев розы и влияние дистиллированной воды.

Следующий этап работы заключался в приготовлении различных соотношений реагентов железа и растворов экстрактов чистотела, розы, а также растворов уксусной кислоты и дистиллированной воды в стехиометрических соотношениях (1:2), с избытком уксусной кислоты (1:4) и с недостатком уксусной кислоты (1:1).

Данные по соотношениям реагентов мы занесли в таблицу 1.

Таблица 1. Соотношение реагентов.

Опыты проводили в три этапа. Время экспозиции каждого опыта составил по 10 дней. Разницу в весе железных гвоздей до опыта и после, отмечали и заносили в таблицу 2 – Динамика растворения железа.

Выводы по результатам эксперимента: в пробах уксуснокислых экстрактов чистотела и розы нам процесс растворения железа увидеть не получилось. Экстракты обладают весьма насыщенным цветом. Однако, при взвешивании железных гвоздей, мы увидели существенную разницу между изначальным весом железа и итоговым. В пробах с растворами уксусной кислоты, процесс коррозии железа шел весьма активно, плотно притертая пробка периодически вылетала, под действием выделяющегося газа водорода. Раствор приобрел темный коричневый оттенок, появился налет на стенках колб. В пробе с дистиллированной водой процесс коррозии так же был заметен. Окислительные процессы были заметны уже на второй день. Вокруг железных гвоздей появились коричневатый налет, который в последствии на дне колбы выпадал в виде осадка.

1. 3. Исследовать динамику растворения железа в уксуснокислом экстракте листьев чистотела и листьев розы.

Данный этап работы заключается в анализе динамики растворения железа в растворах. Результаты взвешиваний железа были занесены в таблицу 2.

Таблицу 2 – Динамика растворения железа.

На основании полученных данных я смогла рассчитать, что содержание железа в изначальных образцах стехиометрических соотношений и итоговом весе железа уменьшился:

- в уксусной кислоте на 32%;

- в уксуснокислом экстракте чистотела на 4,3%

- в уксуснокислом экстракте розы на 2,4%.

Построив графики зависимости растворения железа в уксусной кислоте, я могу проанализировать динамику растворения железа (графики 1-4).

График 1. Зависимость массы железа от соотношения уксусной кислоты.

График 2. Зависимость массы железа от соотношения уксуснокислого экстракта чистотела.

График 3. Зависимость массы железа от соотношения уксуснокислого экстракта розы.

График 4. Зависимость массы железа от соотношения дистиллированной воды.

Анализируя данные, я пришла к выводу, что растворы, содержащие избыток кислоты, лучше окисляют железо. В растворах с недостатком кислоты растворение железа происходит медленнее, в этом случае и продуктов реакции наблюдалось меньше. Раствор дистиллированной воды несмотря на явные признаки реакции практически не окисляет железо, их соотношение с водой не играет роли.

Если наложить данные графиков друг на друга, получим итоговую диаграмму.

График 5. Зависимость массы железа от соотношения уксусной кислоты.

Из графика можно сделать вывод, что экстракты чистотела и розы существенно снижают уровень коррозии железа уксусной кислотой.

Если анализировать степень коррозии железа в уксусной кислоте, экстрактах чистотела и розы, получим другой график (график 6).

Рафик 6. Зависимость коррозии железа в уксусной кислоте и экстрактах чистотела и розы.

Из данных графика можно сделать еще один важный вывод, уксуснокислый экстракт розы лучше, чем уксуснокислый экстракт чистотела ингибирует процессы окисления железа в уксусной кислоте. Однако изучая литературу по данной теме, мы не встречали упоминаний экстрактов розы как ингибиторов. Данное явление можно объяснить несколькими предположениями:

1. Роза содержит больше антиоксидантных и ингибирующих веществ, чем чистотел;

2. Роза содержит вещества-ингибиторы которых нет в чистотеле.

Однако это требует отдельных исследований качественного и количественного химического анализа.

Заключение

В результате экспериментальных исследований цель работы была достигнута. Было установлено, что при использовании уксуснокислого экстракта чистотела и уксуснокислого экстракта розы, динамика растворения железа в уксусной кислоте существенно изменилась. Из анализа полученных данных и графиков, описывающих растворение железа, мы просчитали, что экстракт чистотела в 7 раз снижает уровень коррозии железа, а экстракт розы в 13 раз.

Неожиданным открытием стало, что экстракт розы обладает лучшими противокоррозионными, а значит и ингибирующими свойствами, чем чистотел. Этот вопрос не изучался ранее и является перспективой для дальнейших исследований.

Гипотеза подтверждена использование уксуснокислого экстракта листьев чистотела уменьшает потери железа при обработке железных уксусной кислотой.

Выводы:

1. При изучении влияния уксуснокислого экстракта листьев чистотела большого при комнатной температуре на процесс растворения железа, мы установили, что чистотел в 7 раз снижает скорость коррозии железа.

2. На основании результатов эксперимента с уксуснокислым экстрактом розы, мы выявили, что уксуснокислый экстракт чистотела в качестве ингибитора, обладают не самыми лучшими ингибиторными качествами. Уксуснокислый экстракт розы оказался более эффективным ингибитором и снизил уровень коррозии железа в 13 раз.

Данные научной работы имеют перспективы дальнейших исследований. Можно установить, почему роза показала лучшие ингибиторные свойства окисления железа, сравнив ее биохимический состав с биохимическим составом чистотела.

Список использованной литературы

1. И. А. Гостищев, Изучение коррозии железа в уксусной кислоте в присутствии экстракта листьев и корней Chelidonium majus L./И. А. Гостищев. — Текст: непосредственный//Современная химия: Успехи и достижения: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2016 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2016.

2. Н.А. Заграничная, А.Ю. Пентин О чем говорят результаты исследования естественно-научной граммотности учащихся?// Междуародная научно-практическая конференция «Проблемы управления качеством образования» - СПб, 2020 г.

3. Ж.В. Беляева Обучение учащихся основной школы естественно-научным методам познания на основе межпредметных связей биологии, химии и физики. – М., 2015 г.

4. С.Н. Петрова, А.В. Ивкова Химический состав и антиоксидантные свойства видов Роза Rosa L. (Обзор) – Иваново: Ивановский государственный химико-технологический университет, 2013.

5. Электронные ресурсы:

• https://studfile.net/preview/383205/page:4/

• https://ru.wikipedia.org/wiki

Приложения

Приложение 1. Начальный этап работы. Приготовление экстрактов и растворов.

Приложение 2. Измерение навесок до эксперимента.

Приложение 3. Фильтрование навесок по завершению эксперимента.

Приложение 4. Фильтрование навесок по завершению эксперимента

Приложение 5. Промывание образцов от уксусной кислоты.

Приложение 6. Измерение навесок по окончанию опытов.

Приложение 7. Измерение массы навесок железных гвоздей.