V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Почему ржавеет металл и как его защитить?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шохирев К.Е. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей «Синтон»

Орт Г.М. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей "Синтон"

Работа в формате PDF

58.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Когда я летом гулял по улице, заметил, что на качелях, горках появились пятна рыжего цвета, а найденные в земле металлические предметы (гвозди, цепи) были полностью покрыты такими пятнами. На ощупь пятна шершавые, а предметы в этих местах становятся наиболее хрупкими. В огороде я заметил это на железных лопатах. На мой вопрос папа пояснил мне, что это ржавчина.

Что же такое ржавчина? Каковы последствия от её появления? Как от неё защититься? Задумавшись над этой проблемой, я решил узнать как можно больше об этом процессе, условиях его появления, и о том, как можно от него защитить предметы.

Цель исследовательской работы: изучение условий появления ржавчины и способов защиты от неё.

Для достижения цели я поставил следующие задачи:

1) изучить литературу на интересующую тему: ржавчина, причина появления, способы защиты;

2) провести наблюдение за появлением ржавчины в разных условиях;

3) опытным путем предложить способы защиты от ржавчины;

4) провести сравнительный анализ проведённых наблюдений и опытов;

5) сделать выводы.

В ходе работы выдвигаем гипотезы:

Допустим, что при определённых условиях на металлическом предмете ржавчина появляется быстрее.

Возможно, что масляная краска помогает защитить металлические предметы от ржавчины.

Предмет исследования – ржавчина.

Объект исследования – процесс ржавления и способы защиты железных предметов от ржавчины.

Основная часть.

1.1. Ржавление металлов. Что это?

Прежде всего, выясню, что такое ржавчина. Из словаря Ожегова я узнал, что ржавчина - красно-бурый налет на железе, образующийся вследствие окисления и ведущий к разрушению металла [3].

Ржавчина образуется вследствие окисления, или другими словами в результате коррозии. Коррозия (от латинского corrodere - разъедать) – самопроизвольное разрушение металлов и их сплавов под влиянием окружающей среды [3]. Наиболее оптимальной средой для коррозии может быть вода, воздух, растворы химических веществ.

1.2. Вред, который наносит ржавчина.

Коррозия наносит вред человечеству - приводит к уменьшению надежности работы деталей машин, судов, мостов, морских конструкций и оборудования, а так же иных предметов, которыми мы пользуемся ежедневно. Приведем пример.

Во-первых, ржавые предметы мы можем встретить на природе. Железо в виде ржавчины способствует биологическому загрязнению воды, создает благоприятную среду обитания для определенного вида бактерий.

Питьевая вода, содержащая частички ржавчины, пагубно влияет на здоровье человека. При попадании в систему пищеварения, они задерживаются в организме, что со временем вызывает раздражение органов пищеварения, заболевания кожи, гормональные расстройства и аллергические реакции.

Во-вторых, трубы, по которым происходит доставка воды, изготовлены из металла, подверженного коррозии. При высокой концентрации ржавчины, на поверхности кухонной утвари, сантехники и нагревательных элементах в бытовой технике появляются трудновыводимые пятна, а при эксплуатации неполадки в работы. Иногда такие отложения создают пробки, которые полностью перекрывают трубу, что может вызвать ее разрыв.

В-третьих, в результате ржавления железные мосты теряют свою надежность, проблематичной становится работа на машинах и оборудовании, механизмы которых подвержены ржавлению, что в дальнейшем может привести к аварии.

Поэтому вопросы защиты металлических материалов от коррозии становятся все более актуальными.[1]

1.3.Способы защиты от ржавчины

Современная защита металлов от коррозии осуществляется следующими методами:

- разработка новых сплавов металлов;

- покрытие поверхности металла;

- понижение агрессивности окружающей среды.

Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления. [5]

Таким образом, изучив литературу, я решил перейти к следующему этапу своей работы.

Проведение экспериментов позволит мне наблюдать за скоростью образования ржавчины при разных условиях на железном предмете, а также предложить способы его защиты.

2. Экспериментальная часть

2.1. Безопасность и меры предосторожности.

Так как в экспериментальной части предполагалась работа с разными растворами, опыты я проводил только в присутствии взрослых.

При проведении эксперимента я соблюдал меры предосторожности, следуя таким правилам:

1. При разбавлении концентрированных кислот необходимыми порциями приливать кислоту в воду.

2. Во время выполнения экспериментов необходимо обеспечивать проветривание комнаты.

3. Выполнять опыты над рабочей поверхностью (над столом), предварительно постелив скатерть.

4. Надеть защитные средства: фартук, перчатки.

5. Определяя при необходимости вещество по запаху, необходимо держать сосуд на расстоянии 15-20 см от лица и легким движением руки направлять воздух от отверстия сосуда к носу, не делая глубокого вдоха.

6. После проведения экспериментов убрать рабочую поверхность и тщательно вымыть руки.

2.2. Серия экспериментов. Изучение условий появления ржавчины на металлических предметах, находящихся в разной среде (в домашних условиях).

Изучив литературу, я решил провести практические опыты по выявлению и изучению условий появления ржавчины. Условия старался подобрать разные: от водопроводной воды, раствора соли до агрессивной среды – уксусной кислоты.

Подготовка к эксперименту (Приложение 1).

Инструменты и материалы:

- перчатки, фартук, клеенка на стол;

- банки с пробками, в пробках отверстия под гвозди;

- этикетки для банок;

- железные гвозди (10шт., из которых 5 покрыты масляной краской);

- растворы;

- фотоаппарат.

Закладка опыта: (Приложение 1).

Подготовил растворы так, чтобы гвозди находились в растворах не полностью:

- в банке №1 и № 1/1 гвозди находились в водопроводной воде;

-в банке №2 и № 2/1 гвозди находились в солевом растворе (вода и поваренная соль);

- в банке № 3 и № 3/1 гвозди находились в земле;

- в банке № 4 и № 4/1 гвозди были в марганцовом растворе (вода и перманганат калия);

- в банке № 5 и № 5/1 гвозди находились в кислом растворе (уксусная кислота).

Ход и результат эксперимента в домашних условиях:

Эксперименты длились 30 дней: с 12 ноября 2017 года по 12 декабря 2017 года. Я регулярно вёл наблюдения, записывая любые изменения в журнале (Приложение 2).

2.3. Эксперимент 1. Вода.

В эксперименте использовалась водопроводная вода (Приложение 3).

На поверхности необработанного гвоздя № 1 признаки ржавчины появились уже на 5 день. В ходе эксперимента было обнаружено, что часть обработанного гвоздя № 1/1 не прокрашена. Это привело к его ржавлению на 10 день в месте отсутствия краски.

В местах прикосновения гвоздей с банками на банках появились ржавые пятна.

В период ржавления вода в образце №1 пожелтела, а затем появился густой осадок.

Таким образом, оба экземпляра в той или иной степени покрылись ржавчиной. Ошибка при окрашивании гвоздя (гвоздь окрашен не полностью) не позволила подтвердить мою гипотезу в полном объёме. Однако, частично окрашенный гвоздь проржавел только в одном месте и препятствовал быстрому развитию процесса. Также ржавчина на стекле банки доказывает, что ржавчина наносит вред не только предмету ржавления, но и предметам, находящимся в непосредственной близи.

2.4. Эксперимент 2. Солевой раствор.

В эксперименте использовался раствор: водопроводная вода и поваренная соль (Приложение 3).

В первые дни на стекле банок были видны капли воды от испарения, а на гвоздях – кристаллы соли.

На поверхности необработанного гвоздя № 2 признаки ржавчины появились уже на 3 день. В ходе эксперимента было обнаружено, что часть обработанного гвоздя № 2/1 не прокрашена. Это привело к его ржавлению на 7 день, но только в месте отсутствия краски.

В местах прикосновения гвоздей с банками на банках появились ржавые пятна.

В период ржавления раствор в обеих банках помутнел, а в образце № 2 появился густой осадок.

Я обратил внимание, что в солёном растворе ржавление гвоздей происходило быстрее. Ошибка при окрашивании (гвоздь окрашен не полностью) не позволила полностью сохранить гвоздь от ржавчины. Также ржавчина на стекле банки доказывает, что ржавчина наносит вред не только предмету ржавления, но и предметам, находящимся в непосредственной близи.

2.5. Эксперимент 3. Земля.

В эксперименте использовалась земля (Приложение 4).

Впервые дни на стекле банок были видны капли воды от испарения.

На поверхности необработанного гвоздя №3 признаки ржавчины появились на 14 день. Обработанный краской гвоздь №3/1 ржавлению не поддался.

Наша гипотеза подтвердилась. Обработанный краской гвоздь не подвержен коррозии. На мой взгляд, процесс ржавления экземпляра № 3 можно ускорить с помощью систематического добавления воды.

2.6. Эксперимент 4. Марганцовый раствор.

В эксперименте использовался раствор: водопроводная вода и перманганат калия (Приложение 4).

Перманганат калия, распространённое название в быту—марганцо́вка — калиевая соль марганцовой кислоты. Внешний вид: тёмно-фиолетовые кристаллы с металлическим блеском, при растворении в воде образующие ярко окрашенный раствор малинового цвета. Является сильным окислителем [3].

Наблюдение затруднено из-за мутного раствора.

На поверхности необработанного гвоздя №4 признаки ржавчины появились на 3 день, а на обработанном гвозде № 4/1 – на 5 день.

Раствор образца № 4 в течение всего эксперимента светлел, что привело к его прозрачности. Появился шарикообразный осадок. А в растворе образца №4/1 к концу эксперимента появились крупные кристаллы марганца.

Гипотеза подтвердилась: при более агрессивной среде процесс ржавления протекает быстрее. Оба экземпляра были подвержены ржавлению, при этом необработанный гвоздь вступил в реакцию с раствором марганца, что в дальнейшем привело к выпаду осадка и очищению воды.

2.7. Эксперимент 5. Кислый раствор (уксус).

В эксперименте использовался раствор: водопроводная вода и уксусная эссенция (Приложение 5).

В первые дни в обоих растворах наблюдается выделение кислорода – на гвоздях образуются пузырьки воздуха, которые поднимаются вверх. Особенно активен процесс в экземпляре №5 (необработанный гвоздь).

На поверхности необработанного гвоздя № 5 признаки ржавчины появились на 3 день, а на обработанном гвозде № 5/1 – на 7 день. Кроме этого основания гвоздей стремительно разрушаются. За время эксперимента образец № 5 полностью разрушился, а образец № 5/1 сильно деформировался, и основание отломилось от шляпки гвоздя. Ржавчина «переместилась» на крышку банки вокруг шляпки гвоздя.

Оба раствора в течение эксперимента приобрели тёмно-бурый цвет. Вода значительно испарилась. На поверхности раствора № 5 образовалась металлическая пленка и раствор более прозрачен относительно раствора № 5/1.

Гипотеза подтвердилась: при более агрессивной среде процесс ржавления протекает быстрее. Оба экземпляра были подвержены ржавлению и сильному разрушению. Ржавление приводит к разрушению металла.

2.8. Вывод по итогам экспериментов в домашних условиях.

Я в восторге, эксперименты удались! Гипотеза о том, что масляная краска защищает металл от ржавчины, подтвердилась. Краска защитила металл от ржавления и значительно замедлила скорость её образования (Приложение 6).

Я смог наблюдать за скоростью развития коррозии в разных условиях. Так, соль, марганец, уксусная кислота увеличивают скорость развития коррозии.

Качественная обработка металла позволяет предотвратить развитие коррозии и замедлить процесс ржавления.

2.9. Описание экспериментов, проведённых в лицее «Синтон».Способы защиты от ржавчины.

Цель опыта: наглядно показать моим одноклассникам другие способы защиты металлических предметов от ржавления.

Подготовка к эксперименту.

Инструменты и материалы: клеенка на стол; чашка Петри; пипетка Пастернака; бумажная салфетка; 3 гвоздя (1 гвоздь покрыт подсолнечным маслом); солевой раствор; цинк; фотоаппарат.

Закладка опыта.

В чашку Петри на дно кладём бумажную салфетку, которую предварительно промачиваем в солевом растворе. По краям салфетки на расстоянии размещаем гвозди:

1 экземпляр – гвоздь без обработки и дополнительной защиты;

2 экземпляр – гвоздь, обработанный подсолнечным маслом;

3 экземпляр – гвоздь, соприкасается с гранулами цинка.

Ход и результат эксперимента в классе (Приложение 7).

Эксперимент длился 3 дня. Солевой раствор позволил ускорить процесс ржавления гвоздей. Наблюдения отражены в журнале (Приложение 8).

2.10. Эксперимент 1. Гвоздь без обработки и дополнительной защиты.

Первые признаки ржавления появились на первый день: вода около гвоздя стала менять цвет – появился ярко-оранжевый оттенок. В последующие дни, ржавая вода полностью окутала гвоздь, цвет стал темнее, осадок. На поверхности воды, около гвоздя, возникла ржавая пленка. В третий день на гвозде появились признаки ржавчины.

Процесс ржавления гвоздя проходил достаточно быстро. Этому способствовала солёная вода, воздух.

2.11. Эксперимент. Гвоздь, обработанный подсолнечным маслом.

Гвоздь покрыт масляной плёнкой. В период эксперимента на гвозде признаков ржавчины не обнаружено. Гипотеза подтвердилась – масло может защищать металлические предметы от ржавчины.

2.12. Эксперимент. Гвоздь соприкасается с гранулами цинка.

В первый день признаков ржавления не наблюдалось. Во второй день признаки ржавления появились только на той части гвоздя, которая не соприкасалась с цинком – около гвоздя стал меняться цвет воды. В третий день: процесс ржавления происходит медленнее, чем в первом эксперименте. В месте соприкосновения гвоздя с цинком признаки ржавления отсутствуют.

Гипотеза подтвердилась: цинк защищает металлические предметы от ржавчины.

2.13. Выводы по экспериментам в классе.

Результаты экспериментов подтвердили мою гипотезу. Существует много способов защиты металла от ржавления. В данных экспериментах я использовал растительное масло и гранулы цинка. И масло, и цинк справились со своей задачей! Мы с одноклассниками в этом убедились наглядно.

Заключение

Благодаря данной работе я изучил такое явление как ржавчина, причины её появления и методы защиты металлов от ржавления. На мой взгляд, эта тема интересна и актуальна. В современном мире нас окружают различные металлические предметы, оборудование, конструкции и сооружения – от гвоздика до кораблей и мостов. Всё это, так или иначе, подвергается коррозии. Поэтому для людей разных профессий важно продлить срок службы этих предметов.

В исследовательской работе мы наблюдали, что скорость образования ржавчины напрямую зависит от условий внешней среды (вода, соль, кислота) и характера обработки поверхности (масляная краска, подсолнечное масло, цинк).

Изучив литературу, проведя эксперименты, я пришёл к выводу, что ржавчина приносит большой вред изделиям из металла. Чтобы защитить металлические предметы от ржавчины, необходимо их покрывать защитными средствами. Самый распространённый из всех и доступный – покраска металла масляной краской.

Результаты, полученные в ходе экспериментов, являются для меня важным началом в исследовательской деятельности. Считаю необходимым продолжить исследования и провести эксперименты по очищению металлических предметов от ржавчины.

Библиографический список:

Бенеш П., Пумпр В., Свободова М., Мансров Г.Н. «111 вопросов по химии для всей семьи…», Москва: Просвещение, 1994.

Занимательные эксперименты и опыты/ (Ф.Ола и др.). – М.: АЙРИС-З-28 пресс, 2014.

http://slovarozhegova.ru/

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

Приложение 1

Приложение 2

Таблица

описания и проведения экспериментов в домашних условиях

Начало эксперимента – 12.11.2017г.

Окончание эксперимента – 12.12.2017г.

*в эксперименте принимает участие железный гвоздь без обработки.

**в эксперименте принимает участие железный гвоздь, предварительно обработанный масляной краской желтого цвета.

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8