Корозійні властивості металів. Хімічні властивості металів Хімічні властивості металів корозія металів

1 тема «Загальні властивості металів» (2 години)

Урок 2.

ТЕМА УРОКА:

Хімічні властивостіметалів. Поняття про корозію металів та засоби захисту від неї (оглядово) Повторення та узагальнення знань.

НРК.«Способи боротьби з корозією – захисні покриття іншими металами та добавки з метою одержання нержавіючих сплавів»

Місце уроку у темі: 2 урок

Тип уроку:вивчення нового матеріалу із застосуванням презентацій.

Вид уроку:комбінований.

Цілі уроку:

· Забезпечити сприйняття та осмислення учнями основних понять теми «метал як елемент» та «метал як проста речовина».

· Підвести учнів до усвідомлення хімічних властивостей металів та реакцій, що лежать у їх основі.

· Удосконалювати знання учнів про метали, їх з'єднання, властивості;

· Створити умови для розвитку вміння усвідомлено працювати з джерелами інформації та з хімічними термінами.

Завдання:

Навчальна:

· Узагальнити знання учнів, отримані раніше, під час розгляду загальних хімічних властивостей металів.

· Повторити особливості перебігу реакцій металів із розчинами електролітів.

· Розвивати логічне мислення під час узагальнення знань та конкретизації загальних властивостей металів для окремих представників цього класу простих речовин.

· Спираючись на раніше отримані знання учнів, підвести їх до розуміння відмінностей у уявленнях про метали як хімічні елементи та метали як прості речовини.

· Продовжити відпрацювання умінь та навичок у складанні рівнянь, електронних балансів в окисно-відновних реакціях, умінь зіставляти, аналізувати та робити висновки.

· Створити умови для отримання учнями знань хімічних властивостей металів та реакцій, що лежать у їх основі;

· Пояснити явище корозії металів, з'ясувати, що таке корозія, її види, механізм (на прикладі корозії заліза), способи захисту від корозії.

розвиваюча:

· сприяти розвитку у учнів логічного мислення, вміння аналізувати та порівнювати, працювати з додатковою інформацієюпід час виконання повідомлень.

яка виховує:

· Формувати інтерес до предмета через мультимедійні можливості комп'ютера.

· сприяти формуванню уявлень про причинно-наслідкові зв'язки та відносини,

· Виробляти прагнення до колективізму;

· Формувати світоглядне поняття про пізнаваність природи.

Заплановані результати навчання:

Знати:

· Хімічні властивості металів.

· Визначення корозії металів, її види та способи захисту від неї.

· Умови, що сприяють та перешкоджають корозії.

Вміти:

· Доводити хімічні властивості металів: записувати рівняння хімічних реакцій у молекулярному та окисно-відновному вигляді.

· Пояснювати сутність хімічної та електрохімічної корозії.

Засоби навчання:

· Комп'ютер,

· мультимедійний супровід,

· Періодична системахімічні елементи.

Презентації на тему "Хімічні властивості металів"

«Корозія металів»

Хід уроку:I. Вступна частина. Організаційний момент.

1. Привітання учнів.

2. Визначення відсутніх на уроці.

3. Перевірка готовності до початку уроку.

4. Організація уваги, постановка мети уроку.

II. Актуалізація та перевірка знань.

1 ФРОНТАЛЬНА БЕСІДА.

Запитання та завдання для роботи учнів:

· Де розташовані метали в ПС хімічних елементів?

· Що спільного є у будові атомів всіх металів?

· Які окиснювально-відновлювальні властивості металів?

· Що таке металевий зв'язок?

· Що таке металеві кристалічні ґрати?

· У якому вигляді зустрічаються у природі? Чому більшість металів зустрічаються у вигляді з'єднань?

· У чому особливість фізичних властивостей? По можливості це пояснити.

· Електропровідність, теплопровідність(пояснюється наявністю у металевих ґратах вільних електронів, здатних легко переміщатися);

· Ковкість, пластичність металів(Здатність так званого «електронного газу», тобто вільних електронів пов'язувати будь-які зміни атомів металів)

· Крихкість металів(На прикладі хрому і марганцю)

При цьому йде окислювально-відновна реакція, в ході якої метал окислюється, а присутній у середовищі окислювач відновлюється, електрони переходять від металу до окислювача безпосередньо без виникнення ланцюга електричного струму.

Демонстрація:Наприклад, прожаримо мідний дрітна повітрі. Що спостерігаєте? (імовірна відповідь: спостерігаємо зміну забарвлення – поява чорного нальоту, отже, пройшла хімічна реакція).

При взаємодії міді із киснем йде реакція:

2С u + О2 = 2 З u О (запис у зошиті та на дошці, біля дошки працює викликаний учень)

Більшість металів окислюється киснем повітря, утворюючи на поверхні оксидну плівку. Якщо ця плівка щільна, добре пов'язана з поверхнею, вона захищає метал від подальшого руйнування. Наприклад, при корозії алюмінію в кисні йде реакція:

4Al + 3O2 = 2Al2О3. (запис у зошиті та на дошці)

Оксидна плівка щільно прилягає до поверхні металу і немає подальшого допуску кисню до металу. Можна сказати, що для алюмінію таке покриття сприятливе, оскільки подальшої руйнації не відбувається. Щільна оксидна плівка у цинку, нікелю, хрому, олова, свинцю та ін.

У разі хімічної корозії заліза йде реакція:

3 Fe + 2О2 = Fe 3 О4 ( FeO Fe 2 О3)

Оксидна плівка заліза дуже пухка (згадайте якийсь іржавий предмет - як тільки ви берете його в руки, залишаються сліди іржі) і не прилягає щільно до поверхні металу, тому кисень проникає все далі і далі, корозія йде до повного руйнування предмета.

Електрохімічна корозія (Запис у зошиті)(Слайд 7)

Цей вид корозії поширений набагато ширше, їй піддаються парові котли, підводні частини суден, металеві споруди та конструкції під водою та в атмосфері, прокладені у ґрунті трубопроводи, оболонки кабелів тощо.

При електрохімічній корозії виникає електричне коло. Піддаватися корозії може як один метал, і метали в контакті друг з одним. Розглянемо, що відбувається, якщо цинк покласти у розведений розчин соляної кислоти (Демонстрація досвіду)Питання до класу:

Що спостерігаєте? (Відповідь: цинк реагує із кислотою, при цьому виділяється газ)

У кислому середовищі цинк віддає 2 електрони. При цьому окислюється і перетворюється на розчин у вигляді іонів:

Zn – 2 e - = Zn 2+ (запис на дошці та у зошиті)

Катіони водню відновлюються, утворюється газ – водень:

2 Н+ + 2 е - = Н2 (запис на дошці та у зошиті)

Рівняння реакції в іонному вигляді:

Zn + 2 Н + = Н2 + Zn 2+ (запис на дошці та у зошиті)

Помічено, що надчисті метали є стійкими до корозії. Наприклад, надчисте залізо набагато менше корродує порівняно із звичайним залізом. Знаменита Кутубська колона в Індії поблизу Делі вже майже півтори тисячі років стоїть і не руйнується, незважаючи на жаркий та вологий клімат. Зроблено її із заліза, в якому майже немає домішок. Як вдалося древнім металургам отримати такий чистий метал, досі залишається загадкою.

СПОСОБИ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ.

· Протекторний захист

· Захист менш активним металом

· Пасивація

· Електрозахист

· Створення сплавів, стійких до корозії

· Додавання інгібіторів

· Різні покриття.

ПОВІДОМЛЕННЯ УЧНІВ. НРК.

1. «Способи боротьби з корозією – захисні покриття іншими металами та добавки з метою одержання нержавіючих сплавів»

2. «Сучасні досягнення в галузі створення нових сплавів, їх застосування у різних галузях промисловості та господарства»

МАТЕРІАЛ ДЛЯ ПОВІДОМЛЕНЬ.

Повідомлення 1. Протекторний захист.Метал, який необхідно захистити від корозії, покривають більш активним металом. Той метал, який свідомо руйнуватиметься в парі, називається протектором. Приклади такого захисту – оцинковане залізо (залізо – катод, цинк – анод), контакт магнію та заліза (магній – протектор).

Залізо часто покривають іншим металом, наприклад, цинком або хромом, щоб захистити від корозії. (Слайд 10, і навіть таблиця «Методи захисту від корозії).

Оцинковане залізо одержують, покриваючи його тонким шаром цинку. Цинк захищає залізо від корозії навіть після порушення цілісності покриття. У цьому випадку залізо в процесі корозії відіграє роль катода, тому що цинк легше заліза окислюється:

Zn -2е- = Zn 2+ (запис на дошці та у зошиті)

На залізі, що захищається, йдуть процеси:

2 H + + 2 e - = H 2 (У кислому середовищі)

або

O 2 + 2 H 2 Про + 4 e - = 4 OH - (У нейтральному середовищі)

Zn 2+ + 2 ВІН- = Zn (ОН)2 (запис на дошці та у зошиті)

Магнієвий анод оточують сумішшю гіпсу, сульфату натрію та глини, щоб забезпечити провідність іонів. Труба грає роль катода в гальванічному елементі (рис. 5. Захист металевих водопровідних труб).

Повідомлення 2. Захист металу менш активним металом. Так звану «білу жерсть» одержують, покриваючи тонким шаром олова листове залізо. Олово захищає залізо доти, доки захисний шар залишається непошкодженим. Варто його пошкодити, як на залізо починають впливати повітря та волога, олово навіть прискорює процес корозії, бо служить катодом у електрохімічному процесі.

Тому залізо служить у разі анодом і окислюється.

Електрозахист.Конструкція, що у середовищі електроліту, з'єднується з іншим металом (зазвичай шматком заліза, рейкою тощо.), але через зовнішнє джерелоструму. При цьому конструкцію, що захищається, підключають до катода, а метал - до анода джерела струму. І тут електрони віднімаються від анода джерелом струму, анод (захищаючий метал) руйнується, але в катоді відбувається відновлення окислювача. Електрозахист має перевагу перед протекторним захистом: радіус дії першої близько 2000 м, другий 50

3. Створення сплавів, стійких до корозії. Якщо метал, наприклад хром, створює щільну оксидну плівку, його додають у залізо і утворюється сплав – нержавіюча сталь. Такі сталі називаються легованими. Великим досягненням металургів у захисті від корозії стало створення корозійностійкої сталі. В результаті зниження вмісту вуглецю в нержавіючої сталідо 0,1 % стало можливим виготовляти із неї листовий прокат. Типова «нержавіюча сталь» містить 18% хрому і 8% нікелю. Перші тонни нержавіючої сталі нашій країні виплавили ще 1924 р. в Златоусті. Зараз створено широкий асортиментсталей, стійких до корозії. Це і сплави на залізохромонікелевій основі, і особливо корозійностійкі нікелеві, леговані молібденом та вольфрамом. Ці метали виробляють і нашому комбінаті.

Багато сплавів, які містять незначну кількість добавок дорогих і рідкісних металів, набувають чудової стійкості до корозії та чудових механічних властивостей. Наприклад, добавки родію або іридію до платини так сильно підвищують її твердість, що вироби з неї – лабораторний посуд, деталі машин для отримання скловолокна – стають практично вічними.

Повідомлення 4 Пасивація металу. Пасивація - це утворення на поверхні металу оксидного шару, що щільно прилягає, захищає від корозії. Поверхню металу обробляють так, щоб утворилася тонка та щільна плівка оксиду, яка перешкоджає руйнуванню основної речовини. Наприклад, концентровану сірчану кислотуможна перевозити в сталевих цистернах, тому що вона утворює на поверхні металу тонку, але дуже міцну плівку. Пасивація викликається іншими сильними окислювачами. Наприклад, зберігання лез безпечних бритв у розчині хромату калію дозволяє довше зберегти їх гострими. В іншому випадку, підлога дією вологого повітря, залізо окислюється і його поверхня іржавіє.

V. Закріплення нового матеріалу. Підведення підсумків. Рефлексія.

Вправа 10. стор. 112 підручника усно.

Виставлення оцінок.

ВИСНОВОК.

VI. Домашнє завдання.

§ 37, записи у зошиті. Повторити § 36. Узагальнити матеріал на тему «Загальні властивості металів»

Підготовка до наступного уроку.

1 група: "Лужні метали"

2 група: «Лужно-земельні метали»

3 група: "Метали III A групи"

Company Logo Актуалізація знань та мотивація навчальної діяльностіХімічний диктант за 2-ма варіантами (непарні номери – 1 варіант, парні – 2 варіант) 1. Здатність металів добре проводити електричний струм пояснюється наявністю. Температура плавлення металу залежить від… 5. Найлегший метал… 6. Найлегший метал важкий метал…

Company Logo Актуалізація знань та мотивація навчальної діяльності 7.Метали, що плавляться при темп. нижче З називаються… 8. Метали із щільністю менше 5 г/см 3 називаються… 9. Темп. плавлення тугоплавких металів … 10. З підвищенням темп. плавлення зменшується… 11.Метали, віддаючи електрони, виконують роль … 12. До чорних металів належать…

Company Logo Актуалізація знань та мотивація навчальної діяльності 13. Метали в техніці поділяються на… 14. Найтугоплавкішим металом є… Мотивація: у давнину людям було відомо 7 металів. Їх число співвідносилося до числа відомих тоді планет: Сатурн-свинець, Меркурій-ртуть, Марс-залізо, Місяць-срібло, Сонце-золото, Венера-мідь, Юпітер-олово. Ви знаєте набагато більше алхіміків, і ми сьогодні продовжимо вивчати властивості металів

Company Logo Метали 1. Що об'єднує ці елементи? 2. Які властивості цих елементів вам відомі?

Company Logo Хімічні властивості металів Які властивості простих речовин зображені на цьому слайді?

Company Logo Хімічні властивості металів Які елементи належать до металів? Назвіть основну властивість металів Як змінюється активність металів у періоді? Елементи, на зовнішньому рівні у яких 1-2 електрони. Основна властивість - віддавати валентні електрони Зі збільшенням заряду ядра активність металу в періоді зменшується

Company Logo Ряд активності металів Збільшення відновлювальних властивостей Розгляньте ряд активності металів, зробіть висновок про активність різних металів, висловте припущення, з якими речовинами вони можуть реагувати.

Company Logo Хімічні властивості металів Взаємодія з неметалами: з киснем із сіркою з галогенами Li K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Pb Cu 2

Company Logo Хімічні властивості металів Напишіть рівняння реакцій взаємодії натрію з: киснем, сіркою, хлором 4Na + O2 = 2Na2O 2Na + S = Na2S 2 Na + CI2 = 2NaCI

Company Logo Взаємодія зі складними речовинами: з водою Li K Ca NaMg Al Zn Cr Fe Pb (H 2) Cu Hg Ag Pt Au За звичайних умов M + H 2 O H 2 + луг При нагріванні M+H 2 OH 2 +оксид M + H 2 O

Company Logo Приклади Закінчіть можливі рівняння реакцій: 1. Li + H2O = 2. AI + H2O = 3. Hg + H2O = 2Li + 2HOH = 2LiOH + H2 2AI +3H2O = Ai2O3 + 3H2 Hg + H2O

Company Logo Взаємодія з розчинами кислот Li K Ca Na Mg Al |

Company Logo Приклади Напишіть можливі рівняння реакцій взаємодії з розведеною сірчаною кислотою: алюмінію, цинку, натрію та міді 3H2SO4 + 2AI= AI2(SO4)3+ 3H2 H2SO4 + Zn = ZnSO4 + H2 H2SO4 + 2Na = Na2SO4

Company Logo Взаємодія з розчинами солей Кожен метал витісняє з розчинів солей інші метали, що знаходяться правіше за нього в ряді напруг, і сам може бути витіснений металами, розташованими лівіше. Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu Zn + NiCI2 = ZnCI2 + Ni Запам'ятати! Не можна для цієї мети брати активні метали, тому що вони взаємодіють з водою, утворюючи луги.

Company Logo Реагуючі речовини KCaFeCuAu О2 Н2О HCl (розчин) Pb(NO3)2 розчин Вправи

Company Logo Перевірка Реагуючі речовини NaCaFeCuAu О2О Н2ОН2О HCl (розчин) Pb(NO 3) 2 розчин +++--

Company Logo Корозія Корозія – це мимовільний процес руйнування матеріалів та виробів з них під хімічним впливом довкілля.

Company Logo Причини корозії А) гази (O2,SO2, H2S, Cl2, NH3, NO, NO2, H2O-пар тощо); сажа – адсорбент газів; Б) електроліти: луги, кислоти, солі; В) іони Сl-, вологість повітря; Г) макро- та мікроорганізми; Е) блукаючий електричний струм; Ж) різнорідність металів.

Company Logo Види корозії Корозія Атмосферна Газова Хімічна Електрохімічна

Company Logo Атмосферна корозія металів відбувається у вологому повітрі при звичайній температурі

Company Logo Хімічна корозія Хімічна корозія – це хімічна руйнація металів під дією кисню, сірководню та інших газів без вологи

Company Logo Газова корозія Газова корозія – різновид хімічної корозії, якій піддається арматура печей, деталі двигунів, які працюють в умовах високих температур.

Company Logo Електрохімічна корозія Електрохімічна корозія – це руйнування металу, який знаходиться в контакті з іншим металом та електролітом або водою.

Company Logo Електрохімічна корозія На поверхні будь-якого металу конденсується вода, де розчинені атмосферні гази, тобто утворюється електроліт. Якщо метал містить домішки або стикається з іншим металом, починається електрохімічна корозія. При цьому першим руйнується активніший метал

Company Logo Наслідки корозії Щороку прямі втрати від іржі через неякісний захист апаратури, обладнання та конструкцій становлять близько 10% всього обсягу металу, що виробляється у світі.

Company Logo Захист металів від корозії Захисні покриття - нанесення захисних покриттів на поверхню металу Легіруючі добавки - додавання хрому, нікелю, титану, кобальту Інгібітори - додавання каталізаторів, що уповільнюють хімічні реакції

Company Logo Закріплення отриманих знань Що називається корозією? Які фактори її спричиняють? Руйнування металів та сплавів під дією різних зовнішніх факторів. Вплив атмосферного повітря, ґрунтової вологи, агресивних газів Агресивне хімічне середовище Електроліти

Company Logo Закріплення набутих знань Назвіть види корозії. Назвіть способи захисту металів від корозії Атмосферна, хімічна, газова та електрохімічна. Захисні покриття, легуючі добавки, інгібітори, протекторний захист.

До хімічних властивостей слід віднести здатність металів чинити опір окисленню або вступати в сполуки з різними речовинами: киснем повітря, вологою (метали, з'єднуючись з киснем і водою, утворюють основи (луги)), вуглекислотою, та ін. Чим краще метал вступає у з'єднання з іншими елементами, тим легше він руйнується. Хімічне руйнування металів під впливом навколишнього середовища за звичайної температури називається корозією металів .

До хімічних властивостей металів відноситься здатність утворювати окалину при нагріванні в окисній атмосфері, а також розчинятися у різних хімічно активних рідинах: кислотах, лугах тощо. Метали, стійкі до окиснення при сильному нагріванні, називаються жаростійкими (окалиностійкі).

Здатність металів зберігати за умов високих температур свою структуру, не розм'якшуватися і деформуватися під впливом навантаження називається жаростійкістю.

Опір металів корозії, окалиноутворення та розчинення визначається за зміною ваги випробуваних зразків на одиницю поверхні за одиницю часу.

Корозія металів. Словом «корозія» (латиною – «роз'їдання») прийнято позначати широко відомі явища, що полягають у іржавінні заліза, покриття міді зеленим шаром окису і тому подібних змін металів.

Внаслідок корозії метали частково або повністю руйнуються, якість виробів погіршується, і вони можуть виявитися непридатними для використання.

Більшість металів зустрічається у природі у вигляді сполук з іншими елементами, наприклад, залізо – у вигляді Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeCO 3 , мідь – у вигляді CuFeS 2 , Cu 2 S, алюміній – у вигляді Al 2 O 3 , і т.д. В результаті металургійних процесів стійкий зв'язок металів з речовинами, що була в природному стані, порушується, але вона відновлюється в умовах з'єднання металів з киснем та іншими елементами. У цьому полягає причина корозії.

Розробка теорії корозії є заслугою російських учених В.А.Кістяковського, Г.В.Акімова, Н.А.Ізгаришева та д.р. На думку дослідників явищ корозії, існують два види корозії: електрохімічна та хімічна корозія.

Електрохімічна корозія(Рис.13.) називається процес руйнування металів при контакті з рідинами, які проводять електричний струм (електролітами), тобто. з кислотами, лугами, розчинами солей у воді, водою з розчиненим у ній повітрям. Події, що тут відбуваються, подібні до тих, які можна спостерігати в гальванічному елементі. У сталі, наприклад, гальванічний елемент утворює карбід заліза та ферит. У електролітах карбід залишається незмінним, ферит розчиняється і дає з речовиною електроліту іржу – продукт корозії.

Про поведінку різних металів в електролітах можна судити за місцем у ряді напруг: калій, кальцій, магній, алюміній, марганець, цинк, хром, залізо, кадмій, кобальт, нікель, олово, свинець, водень, сурма, вісмут, мідь, ртуть, срібло, золото. У наведеному ряду метали розташовані за величиною нормального електричного потенціалу (тобто отриманого при зануренні металу нормальний розчин його солі) по відношенню до водню. Кожен метал цього ряду в парі з іншим електролітах утворює гальванічний елемент, причому руйнуватися буде той метал, який в ряді розташовується лівіше. Так, у парі мідь – цинку руйнується цинк. Ряд напруг має дуже велике практичне значення: він вказує на небезпеку розташовувати в безпосередньому зіткненні різнорідні метали, так як цим створюються умови для утворення гальванічного елемента і руйнування одного з металів, що ліворуч розташовується в ряді напруг.

Рис.13.Схема, що ілюструє процес електрохімічної корозії. На одному полюсі розчиняється (кородує) неблагородний метал, на іншому виділяється водень.

Хімічною корозієюназивається руйнування металів і сплавів у сухих газах при високій температурі та в рідинах, що не мають властивостей електролітів, наприклад, в маслі, бензині, розплавлених солях та ін. При хімічній корозії під впливом кисню повітря метали покриваються найтоншим шаром оксидів. При хімічній корозії метал піддається не завжди лише поверхневому руйнуванню, але корозія проникає й у глибину металу, утворюючи осередки чи розташовуючись за межами зерен. (Приклад. Срібні предмети з часом темніють, тому що в повітрі містяться газоподібні сполуки сірки, які вступають у хімічну реакцію зі сріблом. Утворюється при цьому сульфід срібла залишається на поверхні виробів у вигляді коричневої або чорної плівки.)

Корозією зазвичай називають мимовільне руйнування металів внаслідок їх хімічної та електрохімічної взаємодії із зовнішнім середовищем та перетворення їх у стійкі сполуки (оксиди, гідроксиди, солі).

Власне кажучи, корозія є сукупністю окислювально-відновлювальних процесів, що відбуваються при контакті металів з агресивним середовищем, що призводить до руйнування металевих виробів. Під агресивним середовищем мають на увазі окисну атмосферу (присутність кисню в атмосфері Землі робить її окисною), особливо у присутності води чи розчинів електролітів.

За механізмом процесу розрізняють хімічну та електрохімічну корозію металів. Хімічна корозія є звичайною хімічною реакцією між атомами металів і різних окислювачів. Прикладами хімічної корозії є високотемпературне окиснення металів киснем, окиснення поверхні алюмінію на повітрі, взаємодія металів із хлором, сіркою, сірководнем H 2 S та ін.

Електрохімічна корозія протікає в розчинах, тобто в основному при контакті металів з розчинами електролітів, особливо в тих випадках, коли метали знаходяться в контакті з менш активними металами. Швидкість корозії істотно залежить від активності металів, а також від концентрації та природи домішок у воді. У чистій воді метали майже не піддаються корозії, а в контакті з активнішими металами навіть у розчинах електролітів не корозують.

Причина корозії металів

Багато металів, включаючи Залізо, знаходяться у земній корі у вигляді оксидів. Перехід від металу до оксиду - енергетично вигідний процес, інакше кажучи, оксиди більш стійкі до з'єднання, ніж метали. Для того щоб провести зворотний процес і видобути метал із руди, необхідно витратити багато енергії, тому залізо виявляє тенденцію перетворюватися знову на оксид – як кажуть, залізо іржавіє. Іржавіння - це термін позначення корозії, тобто процесу окислення металів під впливом довкілля.

Кругообіг металів у природі можна зобразити за допомогою наступної схеми:

Металеві вироби іржавіють тому, що сталь, з якої вони виготовлені, реагує з киснем та водою, що містяться в атмосфері. При корозії заліза або сталі утворюються гідратовані форми ферум(ІІІ) оксиду різного складу(Fe 2 Про 3 ∙ хН 2 Про). Оксид проникний для повітря та води та не утворює захисного шару на поверхні металу. Тому корозія металу продовжується і під шаром іржі, що утворилася.

Коли метали контактують з вологим повітрям, вони завжди підлягають корозії, проте на швидкість іржавлення впливає дуже багато факторів. Серед них можна назвати такі: наявність домішок у металі; наявність кислот або інших електролітів у розчинах, що стикаються з поверхнею заліза; кисень, який міститься у цих розчинах.

Механізм електрохімічної корозії металевої поверхні

Найчастіше корозія є електрохімічний процес. На поверхні металу утворюються електрохімічні осередки, у яких різні ділянки діють як області окислення та області відновлення.

Нижче наведено дві напівреакції окиснювально-відновного процесу іржавіння:

Сумарне рівняння реакції корозії заліза можна записати так:

Схематично процеси, що відбуваються на поверхні заліза або сталі при контакті з водою, можна так:

Концентрація кисню, розчиненого у краплі води, визначає те, які області лежить на поверхні металу є місцем відновлення, які - місцем окислення.

По краях краплі, де концентрація розчиненого кисню вища, кисень відновлюється до гідроксид-іонів.

Необхідні відновлення кисню електрони переміщаються з центру краплі, де вони вивільняються при окисленні Заліза і де концентрація розчиненого кисню мала. Іони Заліза переходять у розчин. Електрони, що звільняються, по поверхні металу переміщуються до країв краплі.

Сказане вище пояснює, чому корозія найбільше проявляється у центрі краплі води чи під шаром фарби: це області, у яких надходження кисню обмежено. Тут утворюються звані «раковини», у яких Залізо перетворюється на розчин.

Іржа як така виникає в результаті послідовності вторинних процесів у розчині, куди дифундують з поверхні металу іони Заліза та гідроксид-іони. Захисний шар поверхні не утворюється.

Активність перебігу реакції відновлення кисню залежить від кислотності середовища, тому в кислому середовищі корозія прискорюється. Будь-які примісні солі, наприклад, натрій хлорид у бризках морської води, сприяють утворенню іржі, оскільки збільшують електропровідність води.

Можливо, проблему корозії ніколи не вдасться вирішити повністю, і найбільше, на що можна розраховувати, це сповільнити, але не зупинити.

Методи захисту від корозії

На сьогодні існує кілька способів запобігання корозії.

Відділення металу від агресивного середовища - фарбування, мастило маслами, покриття неактивними металами або емаллю (І), Приведення поверхні металів у контакт з більш активними металами (II). Використання речовин, що уповільнюють корозію (інгібітори корозії) та сплавів, стійких до корозії (III).

I.Найпростіший спосіб захистити сталь від корозії - це ізолювати метал від атмосферного повітря. Це можна зробити за допомогою масляного, жирового мастила або нанесення захисного шару фарби.

Наразі широко застосовують захисні покриття з органічних полімерів. Покриття можна робити різних кольорів, і це досить гнучке вирішення проблеми корозії. Навіть побіжний погляд на речі, які оточують нас у побуті, дає безліч прикладів такого рішення: холодильник, сушарка для посуду, таця, велосипед і т.д.

ІІ. Іноді залізо покривають тонким шаром іншого металу. Деякі виробники виготовляють кузови автомобілів із сталі з гальванічним цинковим покриттям. При такій обробці утворюється міцно зчеплений з основою шар цинку оксиду, і якщо гальванічне покриття не пошкоджене, воно добре захищає від іржі.

Навіть якщо таке покриття має недоліки, сталевий корпус машини все ж таки захищений від швидкого руйнування, тому що в цій системі переважно корродує цинк, а не залізо, оскільки цинк більш активний метал, ніж залізо. У разі цинк приносять у жертву. Одна з перших пропозицій щодо використання протекторних («жертвових») металів була зроблена в 1824 для захисту від корозії металевої обшивки корпусів морських човнів.

Сьогодні цинкові блоки використовують для захисту від корозії нафтовидобувних платформ у морях: корозія із дорогих складних сталевих конструкцій перекладається на шматки металу, які легко замінити. У чому полягає принцип такого захисту? Проілюструємо його за допомогою схеми.

Через певні проміжки вздовж усієї опори, що знаходиться в морі, прикріплені цинкові блоки. Оскільки цинк активніший, ніж залізо (розташований лівіше в електрохімічному ряді напруг), то оцинковується цинк, а залізна поверхня переважно залишається недоторканою. В принципі, будь-який метал, розташований лівіше заліза в електрохімічному ряду напруг, може бути використаний для захисту сталевих виробів.

Аналогічний принцип використовують для захисту залізобетонних конструкцій житлових будинків, у яких усі залізні прути з'єднані один з одним і з'єднуються зі шматком магнію, закопаним у землю.

ІІІ. Дуже поширеним вирішенням проблеми захисту від корозії є використання іржостійких сплавів. Багато зі сталевих виробів, що використовуються в побуті, особливо ті, що перебувають у постійному контакті з водою: кухонний посуд, ложки, вилки, ножі, бак пральної машини тощо. - виготовлені з нержавіючої сталі, яка не потребує додаткового захисту.

Іржостійку сталь винайшов у 1913 році хімік із Шеффілда Гаррі Бріарлі. Він досліджував швидке зношування нарізки збройових стволів і вирішив спробувати сталь з високим вмістом хрому, щоб подивитися, чи не можна у такий спосіб продовжити життя зброї.

Зазвичай, при проведенні аналізу стали зразок розчиняли в кислоті. Бріарлі, проводячи такий аналіз, зіштовхнувся із несподіваними труднощами. Його сталь, із високим вмістом хрому, не розчинялася. Він також зазначив, що залишені в лабораторії зразки зберігали початковий блиск. Бріарлі одразу ж зрозумів, що він винайшов сталь, стійку до корозії.

Винахід Гаррі Бріарлі натрапив на деякі забобони. Один із головних виробників металевого посуду в Шеффілді вважав саму ідею Бріарлі такою, «що суперечить природі», а інший заявив, що «стійкість до корозії – не така вже й велика перевага ножів, які за своїм призначенням вимагають чищення після кожного використання». Сьогодні ми сприймаємо як належне те, що посуд зберігає свій блиск і не зазнає впливу кислот, що містяться в їжі.

Нержавіючі. сталь не піддається корозії тому, що на її поверхні утворюється плівка хром(III) оксиду. На відміну від іржі, на цей оксид не діє вода, і він міцно зчеплений із металевою поверхнею. Маючи товщину лише кілька нанометрів, оксидна плівка невидима для неозброєного ока і не приховує природного блиску металу. При цьому вона непроникна для повітря та води та захищає метал. Більше того, якщо зіскребти поверхневу плівку, вона швидко відновиться.

На жаль, нержавіюча сталь дорога, і ми змушені враховувати це при виборі сталі для використання. В сучасної технікинайчастіше використовують іржостійку сталь такого складу: 74% заліза, 18% хрому, 8% нікелю.

Оскільки використання нержавіючої сталі не завжди економічно виправдане, як і використання захисних шарів мастил та фарб, то сьогодні досить часто використовують покриття залізних виробів тонким шаром цинку (оцинковане залізо) або олова (луджене залізо). Останнє часто використовують при виготовленні консервів.

Метод захисту консервів покриттям внутрішньої металевої поверхні оловом запропонував англієць Пітер Дюранд. З таким захистом консерви протягом тривалого часу залишаються придатними для їжі. На жаль, виробництво продуктових консервів та напоїв не позбавлене труднощів. Різні продукти створюють усередині банки різне середовище, яке по-різному діє метал і може викликати корозію.

На початку ХХ століття стали випускати баночне пиво. Проте новий продуктне мав блискавичного успіху, і причиною цього було те, що банки кородували зсередини. Тонкий шар олова, що покривали банки, дуже рідко виходив суцільним. Найчастіше він мав незначні вади. У водному розчині залізо окислюється швидше, ніж олово (за більш високу активність). Іони Заліза Fe 2+ розчинялися в пиві (яке загалом є непоганим засобом від анемії) і надавали напою присмак металу, крім того, зменшували його прозорість. Це знижувало популярність баночного пива. Втім, виробникам вдалося подолати цю проблему після того, як вони стали покривати начинку банок спеціальним інертним органічним лаком.

У банках із консервованими фруктами є органічні кислоти, наприклад лимонна кислота. У розчині ці кислоти сприяють зв'язуванню іонів. Sn 2+ і цим збільшують швидкість розчинення олов'яного покриття, у консервованих фруктах (персики тощо.) переважно олово корродирует. Іони Олова, які потрапляють у їжу, нетоксичні. Вони не змінюють суттєво смакові якості консервованих фруктів, хіба що надають їм гострого присмаку. Однак, якщо таку банку зберігати занадто довго, можуть виникнути проблеми. Тонкий шар олова, який окислюється, зрештою зруйнується під впливом органічних кислот, почне досить швидко корозувати залізний шар.

Хімічна корозія - це процес, що полягає у руйнуванні металу при взаємодії з агресивним зовнішнім середовищем. Хімічний різновид корозійних процесів немає зв'язку з впливом електричного струму. При цьому вигляді корозії відбувається окислювальна реакція, де матеріал, що руйнується, - одночасно відновник елементів середовища.

Класифікація різновиду агресивного середовища включає два види руйнування металу:

• хімічна корозія у рідинах-неелектролітах;
• хімічна газова корозія

Газова корозія

Найчастіший різновид хімічної корозії - газова - є корозійним процесом, що відбувається в газах при підвищених температурах. Зазначена проблема й у роботи багатьох типів технологічного обладнаннята деталей (арматури печей, двигунів, турбін тощо). Крім того, надвисокі температури використовуються при обробці металів під високим тиском(Нагрівання перед прокаткою, штампуванням, куванням, термічними процесами і т.д.).

Особливості стану металів при підвищених температурах обумовлюються двома їх властивостями - жароміцністю та жаростійкістю. Жароміцність - це ступінь стійкості механічних властивостей металу при надвисоких температурах. Під стійкістю механічних властивостей розуміється збереження міцності протягом тривалого часу та опірність повзучості. Жаростійкість - це стійкість металу до корозійної активності газів за умов підвищених температур.

Швидкість розвитку газової корозії обумовлюється низкою показників, серед яких:

• температура атмосфери;
• компоненти, що входять до металу або металу;
• параметри середовища, де є гази;
• тривалість контактування з газовим середовищем;
• Якість корозійних продуктів.

На корозійний процес більше впливають властивості та параметри оксидної плівки, що з'явився на металевій поверхні. Освіта оксиду можна хронологічно розділити на два етапи:

• адсорбція кисневих молекул на металевій поверхні, що взаємодіє з атмосферою;
• контактування металевої поверхні з газом, внаслідок чого виникає хімічна сполука.

Перший етап характеризується появою іонного зв'язку, як наслідок взаємодії кисню та поверхневих атомів, коли кисневий атом відбирає пару електроном у металу. Виникла зв'язок відрізняється винятковою силою - вона більша, ніж зв'язок кисню з металом в оксиді.

Пояснення такого зв'язку полягає у дії атомного поля на кисень. Як тільки поверхня металу наповнюється окислювачем (а це відбувається дуже швидко), в умовах низьких температур завдяки силі Ван-дер-Ваальса починається адсорбція окисних молекул. Результат реакції - виникнення найтоншої мономолекулярної плівки, яка з часом стає товщі, що ускладнює доступ кисню.

З другого краю етапі відбувається хімічна реакція, під час якої окисний елемент середовища відбирає у металу валентні електрони. Хімічна корозія - кінцевий результатреакції.

Характеристики оксидної плівки

Класифікація оксидних плівок включає їх три різновиди:

• тонкі (непомітні без спеціальних приладів);
• середні (кольори втечі);
• товсті (видні неозброєним поглядом).

оксидна плівка, що з'явилася, має захисні можливості - вона уповільнює або навіть повністю пригнічує розвиток хімічної корозії. Також наявність оксидної плівки підвищує жаростійкість металу.

Проте, дійсно ефективна плівка має відповідати ряду характеристик:

• бути не пористою;
• мати суцільну структуру;
• мати хороші адгезивні властивості;
• відрізнятися хімічною інертністю щодо атмосфери;
• бути твердою та стійкою до зносу.

Одне із зазначених вище умов - суцільна структура має особливо важливе значення. Умова суцільності – перевищення об'єму молекул оксидної плівки над об'ємом атомів металу. Суцільність - це можливість оксиду накрити суцільним шаром усю металеву поверхню. При недотриманні цієї умови плівка не може вважатися захисною. Однак, з цього правила є винятки: для деяких металів, наприклад, для магнію та елементів лужноземельної груп (за винятком берилій), суцільність не відноситься до критично важливих показників.

Щоб встановити товщину оксидної плівки, застосовуються кілька методик. Захисні якості плівки можна з'ясувати на момент її утворення. Для цього вивчаються швидкість окислення металу і параметри зміни швидкості в часі.

Для вже сформованого окис застосовується інший метод, що полягає у дослідженні товщини та захисних характеристик плівки. Для цього на поверхню накладається реагент. Далі фахівці фіксують час, який знадобиться на проникнення реагенту, і на підставі отриманих даних роблять висновок про товщину плівки.

Зверніть увагу! Навіть оксидна плівка, що остаточно сформувалася, продовжує взаємодіяти з окисним середовищем і металом.

Швидкість розвитку корозії

Інтенсивність, з якою розвивається хімічна корозія, залежить від температурного режиму. За високої температури окислювальні процеси розвиваються швидше. Причому зниження ролі термодинамічного чинника перебігу реакції впливає процес.

Чимале значення має охолодження та змінне нагрівання. Через термічну напругу в оксидній плівці з'являються тріщини. Через дірки окисний елемент потрапляє на поверхню. В результаті утворюється новий шар оксидної плівки, а колишній - відшаровується.

Не останню роль і компоненти газової середовища. Цей фактор індивідуальний для різних видівметалів та узгоджується з температурними коливаннями. Наприклад, мідь швидко піддається корозії, якщо вона контактує з киснем, але відрізняється стійкістю до цього процесу серед оксиду сірки. Для нікелю ж навпаки, сірчаний оксид згубний, а стійкість спостерігається в кисні, діоксиді вуглецю та водному середовищі. А ось хром виявляє стійкість до всіх перерахованих середовищ.

Зверніть увагу! Якщо рівень тиску дисоціації оксиду перевищує тиск окисного елемента, окисний процес зупиняється і метал набуває термодинамічної стійкості.

На швидкість окисної реакції впливають і компоненти металу. Наприклад, марганець, сірка, нікель та фосфор ніяк не сприяють окисленню заліза. А ось алюміній, кремній та хром роблять процес повільнішим. Ще сильніше уповільнюють окислення заліза кобальт, мідь, берилій та титан. Зробити процес інтенсивнішим допоможуть добавки ванадію, вольфраму та молібдену, що пояснюється легкоплавкістю та летючістю даних металів. Найбільш повільно окислювальні реакції протікають при аустенітній структурі, оскільки вона найбільш пристосована до високих температур.

Ще один фактор, від якого залежить швидкість корозії, – характеристика обробленої поверхні. Гладка поверхня окислюється повільніше, а нерівна – швидше.

Корозія в рідинах-неелектролітах

До неелектропровідних рідких середовищ (тобто рідин-неелектролітів) відносять такі органічні речовини, як:

• бензол;
• хлороформ;
• спирти;
• тетрахлорид вуглецю;
• фенол;
• нафту;
• бензин;
• гас і т.д.

Крім того, до рідин-неелектролітів зараховують невелику кількість неорганічних рідин, таких як рідкий бром та розплавлена ​​сірка.

При цьому слід зазначити, що органічні розчинники власними силами не вступають у реакцію з металами, проте, за наявності невеликого обсягу домішок виникає інтенсивний процес взаємодії.

Збільшують швидкість корозії перебувають у нафті сірковмісні елементи. Також, посилюють корозійні процеси високі температури та присутність у рідині кисню. Волога інтенсифікує розвиток корозії відповідно до електромеханічного принципу.

Ще один фактор швидкого розвитку корозії – рідкий бром. При нормальних температурах він особливо руйнівно впливає високовуглецеві сталі, алюміній і титан. Менш істотно вплив брому на залізо та нікель. Найбільшу стійкість до рідкого брому показують свинець, срібло, тантал та платина.

Розплавлена ​​сірка входить у агресивну реакцію майже з усіма металами, насамперед зі свинцем, оловом та міддю. На вуглецеві маркисталі та титан сірка впливає менше і майже зовсім руйнує алюміній.

Захисні заходи для металоконструкцій, що знаходяться в рідких електронепровідних середовищах, проводять додаванням стійким до конкретного середовища металів (наприклад, сталей з високим вмістом хрому). Також застосовуються особливі захисні покриття (наприклад, в середовищі, де міститься багато сірки, використовують алюмінієві покриття).

Способи захисту від корозії

Методи боротьби з корозією включають:

Вибір конкретного матеріалу залежить від потенційної ефективності (у тому числі технологічної та фінансової) його використання.

Сучасні принципи захисту металу ґрунтуються на таких методиках:

1. Поліпшення хімічної опірності матеріалів. Успішно зарекомендували себе хімічно стійкі матеріали (високополімерні пластики, скло, кераміка).
2. Ізолювання матеріалу від агресивного середовища.
3. Зменшення агресивності технологічного середовища. Як приклади таких дій можна навести нейтралізацію та видалення кислотності в корозійних середовищах, а також використання різноманітних інгібіторів.
4. Електрохімічний захист (накладання зовнішнього струму).

Зазначені вище методики поділяються на дві групи:

1. Підвищення хімічної опірності та ізолювання застосовуються до того, як металоконструкція запускається в експлуатацію.
2. Зменшення агресивності середовища та електрохімічний захист використовуються вже у процесі застосування виробу з металу. Застосування цих двох методик дає можливість впроваджувати нові засоби захисту, у яких захист забезпечується зміною експлуатаційних умов.

Один з часто застосовуваних способів захисту металу - гальванічне антикорозійне покриття - економічно нерентабелен при значних площах поверхонь. Причина у високих витратах на підготовчий процес.

Провідне місце серед засобів захисту займає покриття металів лакофарбовими матеріалами. Популярність такого методу боротьби з корозією обумовлена ​​сукупністю кількох факторів:

• високі захисні властивості (гідрофобність, відштовхування рідин, невисокі газопроникність та паропроникність);
• технологічність;
• широкі здібності для декоративних рішень;
• ремонтопридатність;
• економічна виправданість.

У той же час, використання широкодоступних матеріалів не позбавлене недоліків:

• неповне зволоження металевої поверхні;
• порушене зчеплення покриття з основним металом, що веде до накопичення електроліту під антикорозійним покриттям та, таким чином, сприяє корозії;
• пористість, що веде до підвищеної вологопроникності.

І все ж таки, пофарбована поверхня захищає метал від корозійних процесів навіть при фрагментарному пошкодженні плівки, тоді як недосконалі гальванічні покриття здатні навіть прискорювати корозію.

Органосилікатні покриття

Хімічна корозія мало поширюється на органосилікатні матеріали. Причини цього криються у підвищеній хімічній стійкості таких композицій, їх стійкості до світла, гідрофобних якостях та невисокому водопоглинанні. Також органосилікати стійкі до низьких температур, мають хороші адгезивні властивості та зносостійкість.

Проблеми руйнування металів через вплив корозії не зникають, незважаючи на розвиток технологій боротьби з ними. Причина у постійному зростанні обсягів виробництва металів та все більш складних умов експлуатації виробів із них. Остаточно вирішити проблему на даному етапі не можна, тому зусилля вчених зосереджені на пошуках можливостей уповільнення корозійних процесів.