XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние естественной патины на протекание коррозии латунных изделий в различных условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Лютов А.А. 1

---

1ГБОУ УР "Лицей № 41"

Феклисова О.В. 1

---

1ГБОУ УР "Лицей № 41"

Работа в формате PDF

1.5 MB

Введение

В быту нас окружает большое количество красивых латунных изделий - это и «золотистые» сантехнические краны, массивные дверные ручки, благородные старинные подсвечники. Золотистый оттенок латуни делает её привлекательной для оформления интерьеров и декоративных предметов: ламп, фурнитуры. Латунные изделия придают вещам благородный, тёплый вид и хорошо сочетаются с разными стилями [4]. Кроме этого латунь легко обрабатывается и формуется, поэтому из неё удобно изготавливать детали сложной формы и точных размеров; латунные изделия при правильном уходе служат долго и сохраняют форму.

В то же время отмечается, что латунные изделия со временем начинают темнеть, и их приходится очищать механически или используют бытовые химические средства для придания им былого блеска. На поверхности латуни образуется патина - изменённый слой, формирующийся под действием воздуха, влаги, солей и других факторов [1]. Выполняет ли естественная патина роль барьера, замедляющего коррозию латунных изделий, во всех изучаемых средах (влажная среда, сухой воздух, солевой раствор и т.п.), или её защитный эффект зависит от конкретных условий? Если защитный эффект присутствует, насколько он выражен и в каких средах действует эффективнее?

Эти вопросы остаются актуальными и сегодня, требуют практической проверки.

Объект исследования - протекание коррозии на латунных изделиях.

Предмет исследования - влияние естественной патины на протекание коррозии в различных средах (условиях), в которых находятся латунные изделия.

Цель исследования – определить, как влияет естественная патина на протекание коррозии в различных средах (условиях), в которых находятся латунные изделия.

Задачи исследования:

1. Узнать, что такое патина;

2. Экспериментальным путем выявить процесс протекания коррозии на латунных изделиях;

3. Сравнить полученные результаты для определения влияния естественной патины на протекание коррозии в различных средах (условиях).

Гипотеза: Естественная патина выполняет роль естественного барьера, защищая от дальнейшего разрушения.

Методы исследования: анализ, сравнение, эксперимент, измерение, наблюдение, еженедельная фотофиксация.

Срок проведения исследования: 10 недель (с октября по декабрь 2025 г).

Практическая значимость: понимание того, когда патины достаточно для защиты, а когда её нужно удалять или дополнительно защищать, помогает продлевать срок службы изделий и экономить ресурсы.

1. Что такое патина

1. 1. Определение латуни

Лату́нь (от нем. Latun), сплав меди (основа) с цинком (4-50 % по массе) [3].

• Медь (Cu): Основной компонент, придающий сплаву его основные свойства, такие как отличная теплопроводность и электрическая проводимость.

• Цинк (Zn): Добавляется в различной пропорции для регулирования прочности и пластичности сплава, а также для уменьшения стоимости производства.

Видов латуни довольно много, всё зависит от количества компонентов в составе сплава. Для придания различных свойств сплава в нем могут присутствовать добавки алюминия, свинца, кремния и др.

Латунь не ржавеет, но может подвергаться коррозии. Это связано с тем, что в сплаве нет железа, необходимого для образования ржавчины (оксида железа). Однако при определённых условиях латунь может подвергаться окислению - химическому процессу, который приводит к изменению цвета поверхности и образованию тёмно-жёлтого или зеленоватого оксидного слоя.

Алюминиевые латуни демонстрирует высокую устойчивость к коррозии в различных средах, что делает их идеальным материалом для использования в агрессивных условиях [5].

Латунь нашла применение во множестве областей - от тяжелого машиностроения до предметов искусства и быта [7]:

- Машиностроение и приборостроение (корпуса приборов, втулки, шестерни);

- Судостроение и морская техника (детали приборов, компасов);

- Теплоэнергетика и сантехника (краны, вентили, соединительные элементы);

- Электротехника и связь (электрические контакты, разъемы);

- Оружейное дело (гильзы и взрыватели снарядов);

- Музыкальные инструменты (духовые инструменты);

- Ювелирные изделия и монеты.

1.2. Природа патины

Па́тина (итал. pа́tina), тончайшая плёнка (налёт) различных цветовых оттенков на поверхности изделий из меди, бронзы и латуни. Визуально патина выражается в потускнении, выцветании, потемнении или каком-либо другом изменении поверхности изделия. Состав ее зависит от состава самого материала и состава среды. Различают патину естественную, образующуюся в результате окисления металла или сплава под воздействием атмосферного воздуха, влажной почвы, морской воды, и патину искусственную, получаемую в результате нагревания или обработки окислителями (патинирования) [1].

Естественная патина образуется, если поместить латунь (сплав меди и цинка) на открытом воздухе, подвергнуть ее воздействию влаги, воздуха и различных температур.

Со временем воздействие природных факторов, таких как воздух, влажность и даже загрязняющие вещества, приведет к естественному окислению латуни. Процесс окисления начинается сразу после воздействия кислорода на поверхность латуни. Оксиды меди и цинка образуются на поверхности, создавая защитный барьер, который замедляет дальнейшее окисление. Этот процесс может занять недели, месяцы или даже годы, в зависимости от условий окружающей среды. [6]

Кроме кислорода медь и цинк взаимодействуют с углекислым газом и влагой воздуха, образуя карбонатные соединения. Эти соединения, такие как малахит (Cu₂(OH)₂CO₃) и азурит (Cu₃(CO₃)₂(OH)₂), создают на поверхности латуни прочный и устойчивый слой, защищающий её от дальнейшего разрушения и придающий декоративный внешний вид. [5] При длительном воздействии влаги и углекислого газа цинк в латуни может также образовывать на поверхности латуни белый защитный слой карбонат цинка (ZnCO₃), предотвращающий дальнейшее окисление.

2. Практическая часть

1. 1. Подбор образов для исследования

В качестве образцов исследования использованы латунные монеты, ранее находившиеся в обращении с естественной патиной более 50 лет (достоинством 2 копейки). Монеты выбраны, т.к. состав всех образцов гарантированно одинаков, что проверено по справочным материалам [6]. Монеты сгруппированы по годам выпуска (4 группы) для облегчения их идентификации:

• 1968 г. – монеты оставлены с патиной;

• 1970 г. – монеты оставлены с патиной и дополнительно защищены от коррозии;

• 1971 г. – монеты очищены от патины;

• 1980 г. – монеты очищены от патины и дополнительно защищены от коррозии.

1. 2. Подготовка к эксперименту

Все монеты были обезжирены - промыты с хозяйственным мылом и их прокипятили в водопроводной воде в течение 10 минут. После обработки, перемещение образцов осуществлялось только пластмассовыми пинцетами.

Для выявления влияния внешней среды на образцы без патины 2-е группы монет (1971 г. и 1980 г.) очищены от патины профессиональным средством 113-02 Olex-2 Bronze Cleaner. В связи с вредностью данной работы, она была выполнена взрослым с использованием защитных очков, респиратора, резиновых перчаток.

Монеты 1970 г. и 1980 г. обработали средством Clear Oil (Защита от коррозии), чтобы проследить процесс коррозии на образцах с дополнительной защитой.

Изделия были размещены (индивидуально по 4 образца из каждой группы) в стеклянных ёмкостях объемом 100 мл с винтовой герметичной крышкой в различные среды (таблица):

Таблица 1

Подготовленные среды для проведения эксперимента

Ёмкости были пронумерованы и подписаны, хранились в одном месте при комнатной температуре для обеспечения равных условий (температура, попадание света и прочее).

Дополнительно изделия из 4 групп были размещены в одной пластиковой бутылке 0, 5 литра с водопроводной водой. Данные изделия повергнуты «температурным качелям». Через сутки помещались в морозильник (-20°С)/комнатную температуру (+20°С), т.е. прошли 35 циклов заморозки/разморозки.

По одному изделию из каждой группы были оставлены в качестве контрольных образцов.

1. 3. Проведение эксперимента

Монеты еженедельно извлекались из растворов пластиковым пинцетом для фиксации изменений – рассматривали поверхность под микроскопом с 30 кратным увеличением. Сравнение, наблюдение за каждым изделием (по типу раствора и группе изделия) проводилось еженедельно с фотофиксацией.

По окончанию эксперимента произведена фотофиксация каждого образца (приложение 1).

3. Полученные результаты, их обсуждение и выводы

Фотофиксация изменений внешнего вида изделий после проведения эксперимента приведена в приложении 1, описание результатов эксперимента за 10 недель - в таблице 2.

Дополнительно еженедельно под микроскопом изучались выбранные участки исследования с последующей фотофиксацией. В качестве участков эксперимента выбраны последние три цифры даты изготовления образцов: для лучшей идентификации и в связи с техническими особенностями домашнего микроскопа (изображение большего размера в объектив микроскопа не вмещалось).

На протяжении наблюдений в течение 10 недель выявлено:

1. 1. Водопроводная вода

Водопроводная вода влияния на изделия не оказала. По сравнению с контрольными образцами только монеты без патины (в т.ч. с защитой) лишь незначительно помутнели, с патиной остались без изменеий. (приложение 2)

1. 2. Раствор с углекислым газом

В растворе с углекислым газом изделия отличаются от контрольных образцов. На образцах без патины - патина появилась. На образцах с патиной - патина частично растворилась. Надписи читаемы на всех изделиях. (приложение 3)

1. 3. Изделия, подвергнутые «температурным качелям»

На изделиях, подвергнутых заморозке/разморозке («температурные качели»), фиксируется незначительное появление/увеличение патины. (приложение 4)

1. 4. Раствор с солью

Раствор с солью существенно повлиял на состояние всех изделий. На трех образцах появился белый налет, фиксируется разрушение латуни – обесцинкование. На изделиях с патиной и защитой фиксируется потемнение и начало образования коррозии. На трех образцах год изготовления не удается различить невооруженным глазом (надпись определяется только на изделии с патиной и защитой). Еженедельные наблюдения показывают, что на изделиях без патины год изготовления перестал определяться на 6-7 неделе, с патиной без защиты на 10 неделе. Патина замедлила процесс разрушения латуни.

Рис.8 Изучение участков образцов в растворе с солью. Фото автора.

1. 5. Сульфатный нарзан

Общий вид всех монет, находившихся в сульфатном нарзане, отличается от контрольных образцов потемнением и помутнением. На образцах без патины фиксируются следы коррозии, что заметно невооруженным глазом. На изделии без патины и защиты читаемость надписей затруднена. На монетах с патиной - патины стало больше.

Рис.9 Изучение участков образцов в сульфатном нарзане. Фото автора.

1. 6. Раствор с уксусом

Внешний вид изделий, находившихся в растворе с уксусом, отличается от контрольных образцов. На монетах с патиной - патина растворилась, изделия очистились, посветлели и имеют красивый внешний вид. На изделиях без патины цинк растворился, и изделия покраснели, наблюдается начало процесса разрушения надписей, которое видно только под микроскопом.

Рис.10 Изучение участков образцов в растворе уксуса. Фото автора.

1. 7. Влажный песок

По сравнению с контрольными образцами у монет, находившихся во «влажном» песке, фиксируется увеличение патины. На образце без патины и защиты фиксируется появление следов коррозии. У образца без патины с защитой наблюдается потускнение.

Рис.10 Изучение участков образцов во влажном песке. Фото автора.

1. 8. Раствор с гипохлоритом натрия

В растворе с гипохлоритом натрия на всех образцах наблюдается появление следов коррозии, фиксируется ухудшение внешнего вида, вплоть до невозможности прочтения надписей на них без увеличительной техники. Процесс ухудшения на изделиях без защиты фиксируется с 1 недели. На изделиях с защитой с 4 недели. Процесс образования коррозии на монетах без патины проходил быстрее.

Рис.11 Изучение участков образцов в растворе с гипохлоритом натрия. Фото автора.

1. 9. Общий вывод

Из 8 различных сред - в пяти подтверждено защитное действие естественной патины (возрастом более 50 лет), в трех (связанных с водой) изменений не зафиксировано (т.к. практически не подверглись воздействию внешней среды, за исключением незначительных изменений - помутнений).

Таблица 2

	Результаты эксперимента через 10 недель наблюдений
		Изделие без патины	Изделие с патиной	Изделие без патины с защитой	Изделие с патиной и защитой
1	Водопроводная вода	Без изменений, легкое помутнение	Без изменений	Без изменений, легкое помутнение	Без изменений
2.	Раствор с солью	Белый налет, наличие коррозии, разрушение латуни – окисление цинка (обесцинкование)	Белый налет, разрушение патины – неравномерное потемнение, начало обесцинкования	Минимальный белый налет, разрушение латуни, коррозия, потемнение	Изделие потемнело, начало коррозии
3.	Сульфатный нарзан	Потемнение изделия, коррозия латуни, образование патины	Потемнение изделия, патины стало больше	Потемнение изделия, коррозия, образование патины	Потемнение изделия, патины стало больше
4.	Раствор с уксусом	Растворение цинка, изделие покраснело	Растворилась патина	Растворение цинка, изделие покраснело	Растворилась патина
5.	Раствор с углекислым газом	Появление патины	Частичное растворение патины	Появилась патина	Частичное растворение патины
6.	«Влажный» песок	Увеличение патины, появление следов корозии	Увеличение патины	Потускнение изделия	Увеличение патины
7.	Раствор с гипохлоритом натрия	Появление следов коррозии	Появление следов коррозии	Появление следов коррозии	Появление следов коррозии
8	«Температурные качели»	Появление патины (незначительно)	Увеличение патины (незначительно)	Появление патины (незначительно)	Увеличение патины (незначительно)

Заключение

В результате проведенного эксперимента, сделаны следующие выводы:

1. Па́тина - тончайшая плёнка на поверхности изделий из латуни. Естественная патина образуется в результате окисления металла под воздействием атмосферного воздуха, влажной почвы, морской воды. Этот процесс может занять недели, месяцы или даже годы, в зависимости от условий окружающей среды.

2. Экспериментальным путем установлено, что процесс протекания коррозии на латунных изделиях в одинаковых условиях для изделий с естественной патиной и без нее отличается. В частности, в средах с солью, «сульфатным нарзаном», уксусом, гипохлоритом натрия и во влажном песке естественная патина оказала защитные свойства в процессе наблюдения за коррозией латуни. В ряде сред (водопроводная вода, раствор с углекислым газом, «температурные качели») явных защитных свойств не выявлено. Фактов, что естественная патина способствует/ускоряет процесс коррозии экспериментально не установлено.

3. Анализ полученных результатов для определения влияния естественной патины на протекание коррозии в различных средах (условиях) позволяет сделать вывод, что естественная патина в определенных случаях выполняет роль естественного барьера, защищая латунь от дальнейшего разрушения. Предполагаемая гипотеза подтвердилась.

Список источников информации

1. Большая Российская энциклопедия – Текст: электронный. URL: https://bigenc.ru

2. Гусев С.О. Каталог монет СССР и России 1918-2025 - Москва, 2024 (выпуск 20).

3. Крицман В.А. «Энциклопедический словарь юного химика» - Москва, «Педагогика» 1990.

4. Латунь. Золото, Которое Мы Используем Каждый День Отличия – Текст: электронный. URL: https://dzen.ru/a/aHssJUqCAA5vtZiL?ysclid=mjeakwu8je271103170 (дата обращения 15.10.2025)

5. Латунь: Состав, Свойства, Методы Определения, Отличия – Текст: электронный. URL: https://www.zinkportal.ru/latun/ (дата обращения 15.10.2025)

6. Образование естественной патины – Текст: электронный. URL: https://www.machining-custom.com/ru/blog/oxidize-brass-antiquing-methods.html (дата обращения 15.10.2025)

7. Что такое латунь – состав, свойства, применение. Статья от 30.06.2025 – Текст: электронный. URL: https://mlpkmoskovit.ru/articles/latun-svojstva-i-primenenie (дата обращения 12.11.2025)

Приложение 1

Образцы изделий после окончания эксперимента

Приложение 2

Изучение участков образцов в водопроводной воде

Приложение 3

Изучение участков образцов в растворе с углекислым газом

Приложение 4

Изучение участков образцов подвергнутых температурным качелям