III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЯВЛЕНИЯ РЖАВЧИНЫ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Александров В.С. 1

---

1МБОУ "Кичигинская СОШ"

Извекова С.В. 1

---

1МБОУ Кичигинская СОШ

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Аристотель.

1. Введение. Обоснование темы.

Наверное, нет человека, который не встречал в своей жизни результат коррозии металлов в виде материального, экономического ущерба или экологических последствий. Я тоже обратил внимание, что ржавые изделия, детали, конструкции могут встречаться не только на улице под открытым небом, но и дома. Так, я увидел ржавчину на дверных шарнирах, на инструментах в гараже (приложение 1).

Что же такое ржавчина? Каковы последствия от нее? Она не добавляет изделиям изящества и красоты. Наоборот, она не только портит внешний вид, но и может привести к непоправимым последствиям. Актуальность проблемы антикоррозионной защиты металлов основывается на необходимости защиты окружающей среды, сохранения природных ресурсов, а также рационального использования и хранения металлических конструкций в условиях производства, а также металлических изделий, инструментов, механизмов, машин в быту человека. Чтобы не испытывать разочарования и убытков от этого неприятного процесса, нужно изучить его и научиться, если это возможно, управлять им. Задумавшись всерьез над этой проблемой, я решил узнать, как можно больше об этом процессе, условиях его появления, и о том, как от него избавиться?

Поэтому, цель моей работы: Выяснить и изучить условия появления ржавчины.

Мне так же было интересно выяснить что знают мои одноклассники о ржавчине, условиях ее появления и способах защиты.

На пути достижения цели мне нужно было решить задачи:

1. Провести анкетирование среди одноклассников по данной проблеме.

2. Провести лабораторные опыты по наблюдению появления ржавчины в разных условиях.

3. Изучить основные способы защиты от ржавчины.

4. Познакомить одноклассников и взрослых с результатами исследования.

Я использовал в своей работе следующие методы:

1.  

   • Работа с первоисточниками, изучение литературы, прессы,

   • Internet – ресурсы,

   • Социологический опрос, анкетирование,

   • Наблюдение, исследование,

   • Постановка опытов, анализ,

   • Фотосъемка.

Гипотеза исследования: Агрессивные вещества и среды ускоряют появление ржавчины.

Объект исследования: ржавчина.

Предмет исследования: условия появления ржавчины.

Коррозия – рыжая крыса,

Грызет металлический лом.

В.Шефнер

2. Основная часть. Ржавление металлов – проблема цивилизации.

2.1. Изучение понятия «ржавчина».

Поработав с энциклопедией и словарями, я прежде, всего выяснил, что такое ржавчина.

Значение слова Ржавчина по Ефремовой: Ржавчина - 1. Красно-бурый налет на поверхности железа, образующийся вследствие медленного окисления и разрушающе действующий на металл.// Пятна бурого, желтого цвета, появившиеся на чем-л. в результате окисления жира. // перен. Следы чего-л., вредно, разъедающе действующие на кого-л., что-л. 2. перен. Бурая пленка на болоте, образующаяся вследствие присутствия в воде железистых пород. // Место на болоте, покрытое такой пленкой. // Болото, покрытое такой пленкой. 3. перен. Вызываемое ржавчинными грибками заболевание растений, сопровождающееся появлением оранжевых пятен. // Оранжевые пятна на растениях, вызванные таким заболеванием [3].

Значение слова Ржавчина по Ожегову: Ржавчина - Красно-бурый налет на железе, образующийся вследствие окисления и ведущий к разрушению металла. Ржавчина - след на чем-нибудь от такого налета. Ржавчина - бурое пятно на растениях в местах, где развиваются споры паразитных грибков. Ржавчина - бурая пленка на болотной воде [6]/

Ржавчина в Энциклопедическом словаре: Ржавчина - слой частично гидратированных оксидов железа, образующийся на поверхности железа и некоторых его сплавов в результате коррозии, вызванной действием кислорода и влаги. См. также [2].

Значение слова Ржавчина по словарю Ушакова: РЖАВЧИНА ржавчины, мн. нет, ж. 1. Красно-бурый налет на поверхности железа, образующийся вследствие медленного окисления его в воздухе. Ржавчина ест железо. На машинных частях ржавчина недопустима. 2. Места на болотах, покрытые бурой водой. 3. Бурые пятна на поверхности растений, появляющиеся в местах, где развиваются споры паразитных грибков. Хлебная ржавчина понижает [8].

Коррозия (от латинского corrodere- разъедать) – самопроизвольное разрушение металлов и их сплавов под влиянием окружающей среды [1].

1.  

   1. На основании проанализированных определений можно сделать вывод: ржавчина – налет на поверхности металла или сплавов, ведущий к их разрушению.

2.2. Причины и значение процесса ржавления.

«Ржа ест железо» - гласит русская народная поговорка. Ржавчина, которая появляется на поверхности стальных и чугунных изделий, - это яркий пример коррозии.

На сегодняшний день проблемы антикоррозионной защиты строительных и других видов конструкций, различной продукции и материалов являются актуальными как в России, так и во многих странах мира.

В промышленно развитых странах коррозия металлов наносит существенный ущерб экономике каждого государства, поэтому данные вопросы играют немаловажную роль как в быту, так и в государственных масштабах.

1.  

   1. В процессе изучения литературы я выяснил причины появления ржавчины, а также, значение процесса ржавления в производстве и быту человека.

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и (или) кислотой, то оно начинает ржаветь. Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода. Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе защищает основную массу железа от дальнейшего окисления.

Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа. В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.

Скорость коррозии железав щелочных растворах по сравнению со скоростью коррозии в нейтральных и кислых растворах меньше [1].

Экономический эффект коррозии

Человечество несет огромные материальные потери в результате коррозии трубопроводов, 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, деталей самолетов и т.д.

По оценкам специалистов, от 5 до10 процентов транспортных строительных конструкций, зданий и сооружений ежегодно выходит из строя или требует ремонта из-за коррозионных повреждений. Так, наиболее повреждаемыми инженерными сооружениями на транспорте являются железобетонные фундаменты и опоры контактной сети и линий электропередачи. мосты, виадуки и путепроводы, подземные пешеходные переходы, коллекторы сточных вод. градирни, сети водоснабжения. Ежегодно в различные трубопроводы закачивается около 70000 млрд. литров воды, каждый третий из которых не доходит до потребителя. В деньгах это примерно 600 млрд. рублей убытка, не считая моральных и материальных издержек от аварий, Проблема заключается в высоком уровне изношенности труб, о чем неоднократно сообщала "Строительная газета" [4].

Ржавчина вызывает деградацию инструментов и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстрому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое «поеданием ржавчиной». Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус(штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главным фактором разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту (приложение 2). Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

Мост Кинзу в штате Пенсильвания был снесён смерчем в 2003 году в значительной степени потому, что центральные базовые болты, соединяющие конструкцию с землёй, проржавели, предоставив мосту возможность держаться просто под действием силы тяжести.

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские проблемы. Это один из наиболее распространённых отказов железобетонных мостов.

Ржавчина в воде

Любое железо при наличии кислорода и воды образует оксиды и гидрооксиды, то есть окислы железа. Эти продукты в быту и носят название – ржавчина.Ржавчина содержится в питьевой воде по большей части в виде мелких коллоидных частиц, но могут появляться и более крупные – в виде окалины. Появление ржавчины в воде свидетельствует о повышенном содержании железа в воде, либо об усиленной коррозии водопроводных труб из-за применения некоторых методов биологической очистки воды (приложение 3).

Вред ржавой воды для здоровья человека

При употреблении человеком воды, имеющей повышенное содержание железа, о чём свидетельствует наличие в ней ржавчины, его организм получает сверхнормативное количество железа, часто приводящее к негативным последствиям для здоровья. Если в воде, используемой в пищевых целях, содержится более 0,3 мг/л железа, то при этом человек рискует приобрести следующие заболевания:

1. увеличение риска возникновения инфарктов;

2. ухудшение репродуктивных функций организма;

3. заболевания печени:

4. повышенная утомляемость, общая слабость, головные боли;

5. болезни желудка и кишечника;

6. снижение иммунитета и возникновение аллергии;

7. повышение риска онкологических заболеваний;

8. усиление пигментации кожи.

Кроме этого, железо в избыточных количествах откладывается в органах человека, а избавиться от него намного труднее, чем компенсировать его недостаток.

Вред ржавой воды для бытовой техники

Первым признаком наличия ржавчины в воде являются трудновыводимые пятна на поверхности ванны, душевой кабины, умывальника (приложение 4). Но это еще полбеды, куда страшнее вред, приносимый бытовой технике в процессе её эксплуатации:

1. ухудшается поток воды, в связи с этим отказываются работать газовые колонки;

2. засоряются насосы и подающие воду шланги в стиральных машинах, что приводит к их износу и необходимости преждевременной замены:

3. засоряется и портится клапан бачка унитаза, что становится причиной невозможности им пользоваться;

4. забиваются смесители и душевые головки, отремонтировать их практически невозможно;

5. бельё после стирки становится неприятного оттенка.

Устранение повреждений бытовой техники, связанной с наличием ржавчины, приводит к немалым материальным расходам при ремонтных работах, а иногда и необходимости приобретения новых устройств.

Вред воды c ржавчиной для коммуникаций

Перед тем, как вода добирается непосредственно до потребителя, она проходит многоступенчатую очистку. Трубы, по которым происходит доставка воды, изготовлены из металла, подверженного коррозии, но это процесс длительный, срок службы коммуникаций рассчитывается с учётом его продолжительности (приложение 5).

Вред ржавления для окружающей среды

Трубопроводы, по которым проходит природный газ или нефть, подвергаясь коррозии, могут прийти в негодность приложение 6). Из-за разрушения целостности конструкций трубопровода в окружающую среду могут попасть вредные для природы вещества (газ, нефть и другие опасные химические продукты). Отравленными могут оказаться не только представители животного мира, но и растения, и почва. Это может привести к экологической угрозе окружающей среды.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод: ржавление приносит не только экономический ущерб, но также отрицательно влияет на здоровье человека, приносит ему материальный ущерб и негативно сказывается на состоянии окружающей среды.

1.  

   1. Лабораторное исследование условий появления ржавчины.

Исходя из полученных данных по прочитанной литературе, было решено провести практические опыты по выявлению и изучению условий появления ржавчины. Условия старался подобрать разные: от дистиллированной воды, раствора соли до агрессивной среды – щелочи.

Для постановки опытов:

• Я взял штатив с пробирками.

• Подобрал к ним пробки.

• Приготовил железные гвозди.

• Приготовил реактивы.

• Приготовил фотоаппарат.

Закладка опыта (приложение 7):

• Пронумеровал пробирки.

• Во все пробирки аккуратно положил по 2 гвоздя.

• Налил реактивы так, чтобы гвозди находились в растворах полностью.

• Плотно закрыл каждую пробирку пробкой для изоляции от внешней среды.

• Регулярно вел наблюдения, записывая любые изменения в журнале.

Условия опыта:

В пробирке №1 гвозди находились в дистиллированной воде. Дистиллированная вода в отличие от природной не содержит в себе никаких солей. Пробирка закрыта пробкой.

В пробирке № 2 гвозди находились в дистиллированной воде, над которой был налит слой растительного масла. Растительное масло предотвращает поступление в воду каких бы то ни было веществ из воздуха пробирки, в том числе кислорода. Пробирка закрыта пробкой.

В пробирке № 3 гвозди находились в растворе щелочи. Пробирка закрыта пробкой.

В пробирке № 4 гвозди были в контакте с медной проволокой и находились в воде. Пробирка закрыта пробкой.

В пробирке № 5 гвозди находились в растворе поваренной соли. Пробирка закрыта пробкой.

Результаты наблюдения (приложение 8).

Уже на второй день ржавчина появилась на шляпках гвоздей и на дне пробирок № 1 (с дистиллированной водой), № 4 (гвозди находятся в контакте с медной проволокой) и № 5 (гвозди в растворе поваренной соли). В пробирке №2 слой воды у дна стал слегка желтоватым. В пробирке №3 изменений нет, чему я очень удивлен.

На третий день слой ржавчины увеличился в пробирках № 1, 4, 5. В пробирке № 2 новых изменений нет. В пробирке №3 изменений нет, продолжаю удивляться.

На четвертый день увеличение слоя ржавчины наблюдал в пробирках №1, 4, 5. В пробирке №2 появился осадок на донышке. В пробирке №3 изменений нет, почему?

На девятый день в пробирках, где появилась ржавчина № 1,4,5, она стала более рыхлой и осела на дно, в пробирке №2 процесс остановился. В пробирке № 3 изменений не произошло.

На одиннадцатый день продолжается процесс в пробирках № 1,4,5. В пробирках № 2,3 изменений нет.

На шестнадцатый день продолжается процесс в пробирках № 1,4,5. В пробирках № 2,3 изменений нет.

В пробирке №1 в дистиллированной воде мог раствориться находящийся в ней кислород и под его действием начался процесс окисления гвоздя, появилась ржавчина.

В пробирке №4 железные гвозди соприкасаются с менее активным металлом - медью, железо как более активный металл начинает активно окисляться, покрываясь ржавчиной.

В пробирке №5 коррозия гвоздей происходит в результате электрохимических реакций. Соль способствует ускоренному появлению ржавчины.

В пробирке №2 в течение первых дней слабо происходит коррозия, а затем, как будто останавливается. В пробирке находится слой растительного масла. Масло предотвращает попадание кислорода в воду. Железо устойчиво к воздействию чистой воды, поэтому процесс останавливается.

В пробирке №3 находится щелочь. Щелочь довольно агрессивное вещество, способно разъедать бумагу, ткани, кожу. Воздействует ли оно на железо? Отсутствие изменений меня удивляло. А появится ли когда-нибудь ржавчина? В ожидании результата, я поискал ответ на свой вопрос.

В Большой Энциклопедии Нефти и Газа я прочитал: «Скорость коррозии железав щелочных растворах по сравнению со скоростью коррозии в нейтральных и кислых растворах меньше» [1]. Оказывается, щелочь замедляет коррозию!

Защита металлов от коррозии. Проблемы коррозии постоянно обостряются из-за непрерывного роста производства металлов и ужесточения условий их эксплуатации. Среда, в которой используются металлические конструкции, становится все более агрессивной, в том числе и за счет ее загрязнения (приложение 9). Металлические изделия, используемые в технике, работают в условиях все более высоких температур и давлений, мощных потоков газов и жидкостей. Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления.

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 (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (5 в. до н. э.) и древнеримского ученого Плиния Старшего (1 в. до н. э.) уже есть упоминания о применении олова для предохранения железа от ржавления. В настоящее время борьбу с коррозией ведут сразу в нескольких направлениях – пытаются изменить среду, в которой работает металлическое изделие, повлиять на коррозионную устойчивость самого материала, предотвратить контакт между металлом и агрессивными веществами внешней среды [11].

В нашей стране накоплен некоторый опыт проведения исследований с целью определения скорости коррозионных процессов и методов защиты. Усилена работа в сфере разработки специализированных материалов и технологий, которые обеспечивают высокую степень защиты от коррозии. На основании изученной литературы и проведенных опытов можно сделать вывод: защитить металлы от коррозии можно доступными средствами. Рекомендации по защите металлов от коррозии находятся в приложении 10.

1.  

   1. Анализ анкет детей.

Среди учащихся начальных классов я провел анкетирование по вопросам анкетыдля проведения социологического опроса учащихся о ржавчине (приложение 11). Проанализировав, сравнив и обобщив результаты, я пришел к выводу, что 90 % учащихся знают что такое ржавчина (приложение 12).

Проблема ржавления металлов их волнует 64 %.

Думают, что ржавление приносит человеку пользу - 3 %.

Считают, что ржавление приносит человеку вред - 82 %.

Вред ржавления видят в том, что изменяется внешний вид изделий, они становятся «грязными», загрязняют одежду, машины, ржавчина разрушает конструкции из металла.

Знают о том, что существуют способы защиты металлов от коррозии - 27 процентов.

Не знают способы защиты от коррозии - 24 %, не смогли ответить на этот вопрос 49%.

Могут предложить способы защиты от коррозии - 27 % учащихся. Среди предложенных способов: защита металлов от воды протиранием, смазкой, покрытие защитной пленкой, лаком, очистка щетками, хранение техники не под открытым небом, а в сарае, гараже, специальный уход.

1. Заключение. Выводы. Рекомендации.

Работая над проблемой изучения условий появления ржавчины я пришел к следующим выводам:

1. Ржавчина – налет на поверхности металла или сплавов, ведущий к их разрушению.

2. Результаты практических опытов позволяют сказать:

усиливают ржавление: вода, газы (например, кислород), поваренная соль, контакт с менее активным металлом;

замедляют ржавление щелочи и соли, дающие щелочную среду.

1. Ржавление приносит не только экономический ущерб, но также отрицательно влияет на здоровье человека, приносит ему материальный ущерб и негативно сказывается на состоянии окружающей среды.

2. Защитить металлы от коррозии можно доступными средствами.

Рекомендации по защите металлов от коррозии находятся в приложении 10.

1. Список литературы.

1. Большая Энциклопедия Нефти и газа. http://ru.wikihow.com/очистить-металл-от-ржавчины

2. Большой энциклопедический словарь. Языкознание / гл.ред. В.Н.

Ярцева. М.: Науч. изд-во «Большая Рос. Энциклопедия», 2000. 688с.: ил.

1. 3.Ефремова Т. Ф. Современный толковый словарь русского языка: В 3 т. — М. : АСТ, Астрель, Харвест, 2006. — ISBN 5-17-029521-9, ISBN 5-17-013734-6, ISBN 5-271-12339-1, ISBN 5-271-12338-3, ISBN 985-13-4715-9.

2. Коррозия наносит огромный ущерб экономике России. // Строительная газета (Москва).- 12.10.2001 http://www.biohim.ru/library/689.php )

3. Наумов В.И. Коррозия и защита металлов от коррозии: метод. указания к лабораторным и практическим занятиям по курсу общей химии/ В.И.Наумов, Ж.В.Мацулевич, Ю.В.Батталова.-.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева 2010.-43с.

4. Ожегов С. И. Словарь русского языка / Под ред. С. П. Обнорского. — М., 1949.

5. Толковый словарь русского языка: В 4 т. / Под ред. Д. Н. Ушакова. — М. : Сов. энцикл.: ОГИЗ, 1935—1940.

6. Ушаков, Дмитрий Николаевич [Электронный ресурс] : Материал из Википедии — свободной энциклопедии : Версия 10529869, сохран. в 12:55 UTC 18 августа 2008 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. — Электрон. дан. — Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2008. — Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/?oldid=10529869

7. Шлугер М.А., Ажогин Ф.Ф., Ефимов Е.А. Коррозия и защита металлов / М.А .Шлугер, Ф.Ф.Ажогин, Е.А. Ефимов- М.: «Металлургия»,1981. -216с.

8. Юхневич Р., Валашковский Е Техника борьбы с коррозией / Р. Юхневич , Е.Валашковский -пер.с польск/Под редакцией Сухотина А.М.- Л: Химия,1978.- 304с.

9. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KORROZIYA_METALLOV.html?page=0,1)

Приложение 1.

Ржавчина на дверных шарнирах, материалах, инструментах.

Приложение 2.

Мост Кинзу после разрушения.

Приложение 3.

Ржавчина в водопроводной воде

Приложение 4.

Ржавчина на бытовой технике

Приложение 5.

Ржавчина на трубах, батареях

Приложение 6.

Коррозия трубопроводов газа и нефти

Приложение 7.

Закладка опыта

Первый день

Пронумеровал пробирки, положил по 2 гвоздя

Налил реактивы, чтобы гвозди находились в растворах

Пробирки плотно закрыл пробками

Каждый день вел наблюдения, записывая результаты в журнал

Приложение 8.

Фиксирование наблюдений

Второй день

Приложение 8 (продолжение)

Таблица наблюдений за изучением условий ржавления гвоздей

Приложение 9.

Методы защиты от коррозии

Приложение 10.

Подручные домашние средства для удаления ржавчины

Не стоит увеличивать время воздействия этих средств, поскольку можно повредить сам металл. Избавляйте от излишней влаги металл, чтобы не спровоцировать появление ржавчины.

Приложение 11.

АНКЕТА

для проведения социологического опроса учащихся о ржавчине.

1. Знаете ли вы что такое ржавчина?

2. Волнует ли Вас проблема ржавления металла?

3. Считаете ли вы, что ржавление приносит пользу человеку?

4. Считаете ли вы, что ржавление приносит вред человеку?

5. В чем проявляется вред ржавления металлов? (написать произвольно)

6. Знаете ли вы способы защиты металлов от ржавления (коррозии)?

7. Предложите способы защиты металлов от ржавления (коррозии).

Приложение 12.

Результаты

социологического опроса учащихся о ржавчине.

24