Коррозия железа — это болезнь

Министерство образования и науки Российской Федерации МОУ СОШ № 28

Конкурсная работа на тему:

КОРРОЗИЯ ЖЕЛЕЗА — ЭТО БОЛЕЗНЬ?

Исполнители: 10-А класс Медведева Наталья Константиновна Карпук Алевтина Сергеевна Руководитель: учитель биологии Белозёров Юрий Андреевич Владивосток 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Коррозия металлов

1.1 Виды коррозии

1.2 Способы защиты от коррозии

1.2.1 Катодная защита

1.2.2 Ингибиторная защита

1.2.3 Биоцидная защита

2. Описание опыта

2.1 Анализ полученных результатов Заключение Список литературы Приложение 1

Изделия из железа ржавеют. Это приносит большой урон. Мировые потери металла от коррозии составляют приблизительно 20 миллионов тонн в год.1 Например, корабли выходят из строя во многом из-за ржавления корпуса. Поэтому эта тема актуальна на сегодняшний день, ведь мы живём в приморском городе.

Коррозия — это самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под воздействием окружающей среды. Огромный вклад в становление и развитие теорий коррозии внесли: Красноярский В. В., Зобов Е. В., Люблинский Е. Я., Тергеш В., Бондаренко А.

Обычно наблюдая коррозию железа в разных условиях, мы видим, что она происходит по-разному, но даже в одинаковых условиях металл подвергается разной степени повреждений, как будто один образец чем-то заражен, а другой нет. И у нас возник вопрос, коррозия это только химический процесс или одновременно происходит биологическая коррозия, что вполне можно назвать болезнью?

Цель работы: выяснить, коррозия это только химический процесс или болезнь. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Найти известные теоретические положения о коррозии и практические подходы по вопросам защиты от коррозии металлов.

2. Заложить опыты, где в различных условиях, различающихся по одному критерию, будет происходить коррозия железа.

3. Проводить наблюдения и создать сравнительную таблицу фотографий и описания образцов.

4. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Основу содержания составили опыты по коррозии в пресной водопроводной воде и соленой морской воде.

1. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ Термин коррозия происходит от латинского «corrosio», что означает разъедать, разрушать. Этот термин характеризует как процесс разрушения, так и результат.

Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой.

В случае с металлами, говоря об их коррозии, имеют ввиду процесс нежелательного взаимодействия металла со средой. Физико-химическая сущность изменений, которые претерпевает металл при коррозии, является окисление металла. Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, пластмасс, а так же дерево. Таким образом, коррозией называют самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды.

Любой коррозионный процесс является многостадийным:

1) Необходим подвод коррозионной среды или отдельных ее компонентов к поверхности металла.

2) Взаимодействие среды с металлом.

3) Полный или частичный отвод продуктов от поверхности металла (в объем жидкости, если среда жидкая).

По внешнему виду коррозию различают: пятнами, язвами, точками, внутрикристаллитную, подповерхностную. Процессы физического разрушения к коррозии не относят, хотя часто они наносят не меньший вред памятникам культуры. Их называют истиранием, износом, эрозией.

Несмотря на широкое внедрение в нашу сегодняшнюю жизнь полимерных материалов, стекла, керамики, основным конструкционным материалом продолжает оставаться железо и сплавы на его основе. С изделиями из железа мы на каждом шагу встречаемся в быту и знаем, как много хлопот доставляют его ржавление и сама ржавчина. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы коррозируют, но не ржавеют. Хотя коррозируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.

Строгие расчеты показывают, что большинство металлов имеет склонность к коррозии. Поэтому удивительно не то, что металлы коррозируют, а то, что изделия из них могут существовать длительное время. Скорость, с которой протекает коррозия, не поддается теоретическому вычислению. Как правило, она определяется опытным путем. Скорость, прежде всего, зависит от характера образующихся продуктов коррозии и прочности их сцепления с металлом.

1.1 Виды коррозии По характеру коррозионной среды различают следующие основные виды коррозии: газовую, атмосферную, жидкостную и почвенную.

Газовая коррозия происходит при отсутствии конденсации влаги на поверхности. На практике такой вид коррозии встречается при эксплуатации металлов при повышенных температурах.

Атмосферная коррозия относится к наиболее распространенному виду электрохимической коррозии, так как большинство металлических конструкций эксплуатируются в атмосферных условиях.

Коррозия, протекающая в условиях любого влажного газа, также может быть отнесена к атмосферной коррозии.

Жидкостная коррозия в зависимости от жидкой среды бывает кислотная, щелочная, солевая, морская и речная.

По условиям воздействия жидкости на поверхность металла эти виды коррозии получают добавочные характеристики: с полным и переменным погружением, капельная, струйная.

Кроме того, по характеру разрушения различают коррозию равномерную и неравномерную.

биологическая коррозия [biological corrosion] — коррозия металлов под действием микрои макро организмов (бактерий, водорослей, грибков и др.), а также продуктов их жизнедеятельности (H2S, Н2СО3″ NН3 Н2О2, H2SO3 и др. органических и неорганических соединений), накапливаемых на поверхностях изделий и сооружений. Часто к этим процессам добавляется обрастание подводных сооружений гидробионтами-обрастателями. Помимо растений, грибов, сине-зеленых водорослей, характерны также животные обрастатели (инфузории, мшанки и т. п.). Биоповреждения металлов наблюдаются у изделий и конструкций, эксплуатирующихся в электротехнической, электронной, нефтеперерабатывающей промышленности, в авиации, морском транспорте, подземных и подводных сооружениях.

1.2 Способы защиты от коррозии 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 (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.

Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, — это легирование металлов, т. е. получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место. Оказалось, что при добавлении легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно.

Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит процесс. Поэтому большое значение имеет качество покрытия — толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления. Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия.

Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами коррозируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой. Покрывающий слой наносят различными методами: кратковременным погружением в ванну с расплавленным металлом (горячее покрытие), электроосаждением из водных растворов электролитов (гальваническое покрытие), напылением (металлизация), обработкой порошками при повышенной температуре в специальном барабане (диффузионное покрытие).

Имеются и другие методы нанесения металлических покрытий, например, разновидностью диффузионного способа защиты металлов является погружение изделий в расплав хлорида кальция СаСl2, в котором растворены наносимые металлы.

1.2.1 Катодная защита Из всех методов защиты основанных на изменении электрохимических свойств металла под действием поляризующего тока, наибольшее распространение получила защита металлов при наложении на них катодной поляризации (катодная защита). При смещении потенциала металла в сторону более электроотрицательных значений (по сравнению с величиной стационарного потенциала коррозии) скорость катодной реакции увеличивается, а скорость анодной падает.

Защита металла катодной поляризацией применяется для повышения стойкости металлических сооружений в условиях подземной (почвенной) и морской коррозии, а также при контакте металлов с агрессивными химическими средами.

Катодная поляризация защищаемого металла достигается либо наложением тока от внешнего источника (катодная защита), либо созданием гальванической пары с более активным металлом (обычно применяются алюминий, магний, цинк и их сплавы).

Катодная защита обычно связана с защитой черных металлов, так как из них изготавливается подавляющая часть объектов работающих под землей и при погружении в воду, например трубопроводы, свайные основания, пирсы, эстакады, суда и др. В качестве материала для расходуемых анодов-протекторов во всем мире широко применяется магний.

Применение для катодной защиты метода приложения тока облегчает регулирование системы и часто дешевле, чем использование анодов — протекторов, которые, конечно, нуждаются в регулярных заменах.

На практике катодная защита редко применяется без дополнительных мероприятий. Требуемый для полной защиты ток обычно бывает чрезмерно велик, и помимо дорогостоящих электрических установок для его обеспечения следует иметь в виду, что такой ток часто будет вызывать вредный побочный эффект, например чрезмерное защелачивание. Поэтому катодная защита применяется в сочетании с некоторыми видами покрытий. Требуемый при этом ток мал и служит только для защиты обнаженных участков поверхности металла.

1.2.2 Принципы ингибиторной защиты Важнейшим, широко практикуемым методом защиты от коррозии является введение в агрессивную среду специально подобранных соединений — ингибиторов. Ингибиторы коррозии — это органические и неорганические вещества, присутствие которых в небольших количествах резко снижает скорость растворения металла и уменьшает его возможные вредные последствия. Метод ингибирования, как правило, отличается высокой экономичностью, легкостью производственного внедрения без изменения ранее принятого технологического режима, обычно не предусматривает для своей реализации специального дополнительного оборудования. Защита от коррозии с помощью ингибиторов нашла широкое применение во многих отраслях современного промышленного производства и сельского хозяйства. При транспортировании газа и нефти по трубопроводам, для сохранения металлоизделия в межоперационный период, для защиты от коррозии горюче-смазочными веществами, а также в водно-солевых, кислотных, щелочных, водно-органических и органических средах, в пресной, морской воде, при коррозии в атмосферных условиях и почве.

Введение

ингибиторов в агрессивную среду вызывает изменение поверхности коррозирующего металла, а также влияет на кинетику частных электродных реакций, определяющих процесс его само растворения.

1.2.3 Биоцидная защита Для защиты от биологического повреждения металла применяют биоцидные химические реагенты: формальдегид, четвертичные аммониевые соединения, а также медный купорос, буру, хлорную известь, соединения ртути. Используют хлорирование воды, введение биоцидных соединений в лакокрасочные покрытия.

коррозия железо вода протектор

2. ОПИСАНИЕ ОПЫТА

9 декабря 2005 г. был заложен опыт: в восемь емкостей поместили чистые обезжиренные пластины кровельного железа, толщиной в 1 мм., на поверхность которых нанесли царапины крупной наждачной бумагой.

В первую емкость была добавлена кипяченая водопроводная вода;

во вторую — не кипяченая водопроводная вода;

в третью — некипяченая водопроводная вода с затравкой ржавчины;

в четвертую — кипяченая морская вода;

в пятую — некипяченая морская вода;

в шестую — некипяченая морская вода с затравкой ржавчины;

в седьмой — морская вода с гранулой цинка;

в восьмой — опыт заложен позже на месяц, водопроводная вода с гранулой цинка.

В качестве затравки была использована слоистая ржавчина с железных корпусов кораблей, выброшенных на берег моря.

Наблюдения проводились каждые 3−4 дня в течение двух месяцев. Видимые изменения заносились в журнал наблюдений, на основе которого была создана таблица (приложение 1).

Первым видимым изменением был процесс ржавления железных пластин. Максимальная коррозия наблюдалась на границе воды и воздуха, там, где образовывалась бактериальная пленка. Вопреки ожиданию, коррозия в пресной воде шла более интенсивно, чем в морской. Кипячёная вода вначале вызывала меньшую коррозию, но потом видимые изменения выравнивались с теми, что наблюдались в ёмкостях с не кипячёной водой. Наиболее сильное ржавление происходило в емкостях с затравкой. Железная пластина с цинком покрывалась белым налётом, который спускался вниз, но не отмечалась коррозия железа. Вода оставалась прозрачно-белой.

При фотографировании всегда деревянной палочкой частично снимался слой рыжей ржавчины, чтобы была видна толщина этого слоя, а также плёнка чёрного цвета, появляющаяся на металле. Но в результате этого вода постепенно стала непрозрачной, что затрудняло и наблюдение и фотографирование.

Через месяц в семи ёмкостях сменили воду, очистили мягкой тряпочкой рыжую ржавчину, но не стирая прочный чёрный налёт. Из седьмой ёмкости был убран цинк, но при этом не смыт белый налёт, образовавшийся от разложения цинка. Также добавили восьмую ёмкость с не кипячёной водопроводной водой, в которой находилась пластина кровельного железа с цинком в качестве катодной защиты.

Вновь начавшаяся коррозия в водопроводной воде заражала всю поверхность железной пластины; в морской воде заражение коррозией происходило на границе воды и воздуха; в той ёмкости с морской водой, где был цинк, после смены воды пластина не поддавалась заражению коррозией, а рыжая ржавчина выступала лишь пятнами там, где белый слой почти отсутствовал; в водопроводной воде цинк защищал лишь ту часть, где выделялся его гидрооксид, спускавшийся от гранулы по пластине на дно сосуда. Все наблюдения были запечатлены на цифровую камеру (см. приложение 2).

2.1 Анализ полученных результатов

1. Везде ржавчина полностью покрывает пластину за исключением железа и цинка в морской воде, так как цинк работает как катодный протектор, что согласуется с литературными данными (см. стр. №);

2. Наибольшее количество ржавчины наблюдается у поверхности воды (этому способствует окисление железа кислородом) и в емкостях с затравкой ржавчины, так как затравка способствует развитию и размножению бактерий, которые заражают металлы, находящиеся в их среде;

3. Минимальная коррозия в кипяченой пресной и морской воде, так как при кипячении большинство бактерий, вызывающих ржавление железа, погибают;

4. В пресной воде на пластине черный прочный налет (двухвалентное железо), покрытый рыхлой рыжей ржавчиной (оксид железа (II));

5. В морской воде прочный черный и рыжий налет, покрытый рыхлой ржавчиной;

6. В пресной воде цинк как протектор не работает;

7. В пресной воде более активны бактерии (это видно по бактериальной пленке).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Коррозия-это не только химический процесс, но и биологический, так как кипячение воды уменьшает начальную коррозию, затравка ржавчины способствует ускоренному процессу ржавления;

2. Максимальная коррозия наблюдается на границе воды и воздуха (там, где образуется бактериальная пленка);

3. Цинк как протектор коррозии надёжно работает только в морской воде за счет своего разложения в гидроксид цинка, который препятствует развитию бактерий.

4. Использование цинка в качестве катодной защиты в пресной воде не оправдано.

5. Пресная водопроводная вода, вероятно сильно заражена железоокисляющими бактериями, из-за чего коррозия в пресной воде начиналась быстрее, и бактериальная плёнка была сплошной, а не фрагментарной, как в морской.

1) Троянская Тина «Мюльхан Морфлот»: Остановить коррозию // газета «Деловая панорама» (Санкт-Петербург).- 20.10.2003. C.11

2) http://tmn.ru/works/51x/305/10₂.htm

3) http//home.uic.tula.ru/~zanchem/chemeround/corozi.htm

4) http://www.5ballov.ru

5) Исаев «Коррозия металлов»; Жук «Курс коррозии и защиты металлов»

6) www.studik.ru/13 595.rtf (.zip) Коррозия металла

7)http://www.biohim.ru/methods/ Методы защиты от коррозии ПРИЛОЖЕНИЕ