Коррозия металлов

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Коррозия металлов

Лапшин В.Д. 1
1Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Нижегородский техникум информационных технологий и права
Никуленкова А.С. 1
1Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Нижегородский техникум информационных технологий и права
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Жизнь человека без металлов невозможна в современном её понимании. Металлы являются очень важным конструкционным материалом. Однако под воздействием окружающей среды проходит естественный процесс его разрушения, который ведёт к экономическим и техническим потерям. Коррозия возникает в результате химического или электрохимического воздействия металлов с окружающей средой, включая такие факторы как кислород, влажность, щелочи, соли, кислоты, перепады температур и механическое воздействие. Этот процесс не только снижает долговечность металлов, но и увеличивает экономические затраты, связанные с потребностью замены, починки оборудования повреждённых деталей, металлических конструкций, станков.

Особую важность в изучении коррозии металлов является временной аспект. Время появления признаков коррозии и скорости её быстрого развития являются ключевыми факторами в исследовании, которые помогут оценить устойчивость металлов в различных условиях. По данным исследований ежегодные потери стран около 2-3% своего внутреннего валового продукта (ВВП), что делает эту проблему актуальной. Поэтому я решил более подробно изучить скорость развития коррозии на различных металлах без использования примесей, а также используя разные примеси и ингибиторы для замедления разрушения металлов.

Цель работы:

Исследовать скорость развития коррозии на подверженных ею металлов, а также узнать, можно ли замедлить скорость развития коррозии.

Задачи:

Проведение исследования для оценки времени появления коррозии на металле в различных условиях

Оценить эффективность методов защиты металла от коррозии

Методы исследования:

  1. Поиск информации в сети Интернет и в специальной литературе

  2. Практическая работа по изучению коррозии металлов.

  3. Анализ полученных данных

Гипотеза исследования:

На коррозию металлов в окружающей среде оказывают влияние природа металла, минеральный состав воды, температура окружающего воздуха и т.д.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    1. Понятие коррозии металлов

Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Этот процесс приводит к ухудшению физико-механических свойств материалов, таких как прочность, пластичность, теплопроводность, электропроводность, что и делает металлические конструкции непригодными к использованию.Способность металлов сопротивляться воздействию среды называется коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением материала. Один из таких металлов – алюминий. От быстрого разрушения его защищает оксидная плёнка, которая образуется на поверхности под действием различных окислителей. Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом, а среда, в которой протекает коррозионный процесс - коррозионной средой.

Металл, подверженный коррозии, может частично или полностью разрушаться. Продуктом коррозии является ржавчина, которая остаётся на поверхности металла. Например, коррозия, поразившая железо, на поверхности оставляет рыхлый слой, а процесс коррозии распространяется внутрь сплава.

    1. Виды коррозии металлов

Есть 2 основных вида коррозии металлов – химическая и электрохимическая.

Химическая коррозия. Химическая коррозия происходит в результате прямого взаимодействия металла с агрессивными веществами без участия электрического тока. Этот вид коррозии характерен для высокотемпературных процессов, таких как окисление металлов при нагреве. Для примера, при нагреве железа на воздухе образуется окалина, которая состоит из оксидов железа.

Электрохимическая коррозия. Этот вид старения металла является самым распространённым, происходит в присутствии электролита, например воды. В процессе участвуют анодные и катодные участки поверхности металла, что и приводит к образованию гальванических элементов. На анодных участках металла происходит окисление металла, а на катодной – восстановление окислителей.

1.3 Факторы, влияющие на скорость проявления коррозии

Химический состав металла. Чистые металлы, как правило менее подвержены коррозии, чем сплавы. Однако, сплавы, при создании которых использование легирования (добавление в сплав хрома, никеля, молибдена) намного более устойчивы к коррозии. Например, нержавеющая сталь, которая содержит хром, обладает высокой активностью, благодаря образованию защитного оксидного слоя.

Состав окружающей среды. Влага, соли, кислород, кислоты, щелочи ускоряют коррозионные процессы.

Температура. Повышение температуры ускоряет коррозию, так как увеличивает скорость химических реакций.

    1. Методы защиты от коррозии

Защитные покрытия. Нанесение краски, эмали, лака или металлических покрытий, таких как цинк, хром, никель помогает замедлить коррозийный процесс. Например, оцинкованная сталь обладает высокой коррозийной стойкостью благодаря слою цинка

Легирование. Добавление в состав металла элементов, повышающих стойкость к коррозии, таких как хром, никель, алюминий, молибден и другие.

Ингибиторы. Химические вещества, добавляемые для замедления коррозийных процессов. Ингибиторы могут образовывать защитную плёнку на поверхности металла или уменьшать воздействие агрессивной среды.

Выводы по главе 1:

  1. На быстроту течения коррозии металлов влияют множество факторов, такие как температура, влажность, состав окружающей среды, электромагнитные и химические воздействия, а так же химический состав металла.

Глава 2. Практическая часть

Опыт №1. Взаимодействие металлов с солями других металлов

Для проведения данного опыта возьмём железный гвоздь, предварительно очищенный наждачной бумагой. Мы помещаем гвоздь в пробирку с раствором сульфата меди CuSo4. Оставляем на 10 минут для наблюдения за происходящими явлениями.

Гвоздь покрылся рыжим налётом из-за образования меди на поверхности меди. Железо, будучи более активным металлом, вытесняет из состава раствора сульфата меди, которая оседает на поверхности гвоздя: Fe+CuSo4=FeSo4+Cu(осадок)

Опыт №2. Коррозия стали в растворах электролитов

Для опыта используются три пробирки с растворами серной кислоты, щелочи и водопроводной воды. После чего в каждую пробирку добавляем по паре капель гексацианоферрат калия(K3[Fe(CN)6]). Наблюдается изменение цвета растворов: синий в кислой среде, желтый в щелочной, желто-зеленый в нейтральной.

Раствор 1

АнодFe-2e---Fe2+

Катод 2H+2e---H2

Раствор 2

pH(больше)7

Коррозии нет

Раствор 3

pH=7

Fe-2e---Fe2+

O2+2H2O+4e---4OH-

Опыт №3. Коррозия в результате различного доступа кислорода

Используется стальная пластинка, зачищенная наждачной бумагой. На пластинку наносится капля раствора хлорида натрия и гексацианоферрата калия. Добавляется раствор фенол-трина для обнаружения гидроксильных ионов. Наблюдается малиновое окрашивание по краям капли, что указывает на нейтральную среду.

Это демонстрирует неравномерную аэрацию поверхности металла.

В условиях неравномерной аэрации части конструкции, испытывающие недостаток кислорода, превращаются в аноды и окисляются, образуя синее окрашивание.

Анод: Fe-2e---Fe2+

Катод: O2+2H2O+4e---4OH-

K3[Fe(CN)6]+Fe2+--- K3[Fe(CN)6]+2K+

В условиях неравномерной аэрации части конструкции испытывающие недостаток кислорода превращаются в анод окисляются тут появляется синее окрашивание. Там где кислорода достаточное количество образуются катодные участки.

Опыт №4. Эффективность защитных покрытий

В этом опыте исследуются эффективность анодного и катодного покрытий.

Оцинкованное железо и луженое железо используются как образцы. Предварительно наносим царапину на каждый образец, после чего добавляем на каждую из пластинок каплю гексацианоферрата калия.

На оцинкованном железе не наблюдается изменений, на луженом железе появляется синее окрашивание. В случае катодного покрытия, луженого железа, разрушается защищаемый металл. В случае анодного покрытия, оцинкованного железа, разрушается само покрытие. Анодные покрытия более эффективны, так как при коррозии разрушается металл покрытия, а не защищаемый металл.

Заключение

В данной исследовательской работе объектом изучения был процесс коррозии. Коррозией называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой.

В ходе выполнения исследовательской работы выдвинутая гипотеза нашла свое подтверждение в связи, с чем были сделаны следующие выводы:

1. Ржавчина на металлических поверхностях обусловлена характеристиками и составом материалов, из которых изготовлены объекты. Это было подтверждено в ходе эксперимента, посвящённого изучению коррозии металлических сплавов.

Было выявлено, что при соприкосновении двух различных металлов процесс коррозии может как ускоряться, так и замедляться.

2. Коррозия металлов зависит от природы окружающей среды. При погружении железного гвоздя в различные растворы мы наблюдали его ржавление над раствором.

3. Выделяют два основных типа коррозии: химическая и электрохимическая.

Наибольшую распространенность приобрела электрохимическая коррозия. Это объясняется тем, что окружающая среда представляет собой смесь различных электролитов в воде. Электрохимическая коррозия зависит от состава раствора.

4. Возможна коррозия металла в среде неэлектролита.

Необходимо совершенствовать старые и разрабатывать новые методы защиты металлов от коррозии, т.к. она наносит большой экономический вред и может быть опасна для здоровья и жизни людей.

В условиях применения современных конструкционных материалов в машиностроении проблема коррозии по-прежнему остаётся значимой.

Молодым специалистам в области техники необходимо разбираться в особенностях процессов коррозии и способах её предотвращения.

Возвращаясь к выдвинутой нами гипотезе, нужно отметить, что, действительно, коррозия металлов зависит от их природы, от химического состава раствора, от температуры.

Литература и интернет-ресурсы

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Коррозия

  2. Электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия 2007

  3. Большой справочник | Химия

Просмотров работы: 337