Коррозия металлов исследовательская работа химии

• Направление:Химия
• Выполнил: Турежанов А. 9д класс
• ОСШ №4 г.Акс ая
• Научный руководитель:Абдикаликова Гулмира Кереевна

• Выяснить, что влияет на коррозию железа

• Узнать, в каких средах металл корродирует быстрее Продолжить формировать навыки работы с реактивами и лабораторным оборудованием Продолжить учиться наблюдать, обобщать, делать выводы Продолжить учиться оформлять работы в виде докладов и компьютерных презентаций
• Узнать, в каких средах металл корродирует быстрее
• Продолжить формировать навыки работы с реактивами и лабораторным оборудованием
• Продолжить учиться наблюдать, обобщать, делать выводы
• Продолжить учиться оформлять работы в виде докладов и компьютерных презентаций

1. 1. Введение
2. 2. Коррозия металлов
3. 3.Классификация видов коррозии
4. 4.Сущность процессов коррозии
5. 5. Борьба с коррозией
6. 6. Экономический ущерб от коррозий
7. 7. Практическая часть исследования
8. 8. Выводы и предложения

Корро́зия (от лат.  corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Кислородная коррозия железа в воде: 4Fe + 2Н 2 О + ЗО 2 = 2(Fe 2 O 3 +Н 2 О)

• газовая коррозия;
• атмосферная коррозия;
• коррозия в неэлектролитах;
• коррозия в электролитах;
• подземная коррозия;
• биокоррозия;
• коррозия под воздействием блуждающих токов .

Химическая коррозия — разрушение металла в результате химического взаимодействия металла с агрессивной (коррозионно-активной)средой. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом:

4Fe + 3O 2 → 2Fe 2 O 3

• Из жизненного опыта мы знаем, что предметы, сделанные из железа, окисляются во влажном воздухе и ржавеют:
• Fe — 2ē  Fe 2+
• Кислород является окислителем:
• 4Fe + 6Н 2 О + ЗО 2 = 4Fe(OH) 3
• Гидроксид железа ( ІІІ )присоединяет молекулы воды и образует бурое вещество:
• Fe(OH) 3 +xH 2 O- Fe(OH) 3 * xH 2 O
• Образовавшееся вещество- это и есть ржавчина, состав её постоянно меняется.

Разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. При электрохимической коррозии (наиболее частая форма коррозии) всегда требуется наличие электролита (Конденсат, дождевая вода и т. д.) как, например, при ржавлении железа во влажной атмосфере:

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4FeO(OH)•H 2 O

1. Замена металлов новыми конструкционными материалами
2. Защита от коррозии
3. Нанесение защитных покрытий:
4. А) неметаллических
5. Б) металлических
6. Создание сплавов с антикоррозийными свойствами
7. Электро – химические способы защиты

Газотермическое напыление – это процесс нагрева и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования нужного материала. Распыление с помощью плазмы обычно называют газопламенным напылением . Электродуговое напыление энергетически более выгодно, однако позволяет напылять только металлические материалы.

• Каждый школьник знает, что серная кислота взаимодействует с железом в соответствии с уравнением
• Fe + H2SO 4  = FeSO 4  + H 2
• Несколько иначе идет реакция железа с HNO 3 :
• Fe + 4HNO 3  = Fe(NO 3 ) 3  + NO + 2H 2 O

Вероятно, многие обратили внимание на то, что серную и азотную кислоты перевозят по железной дороге в стальных цистернах. Об этом свидетельствуют надписи, например «Осторожно, серная кислота».

Как это согласуется с теми знаниями, которые отражены в школьных учебниках? Все дело в том, что по железной дороге перевозят не разбавленные, а концентрированные кислоты.

Зачем же перевозить воду? Разбавить кислоту можно и на месте потребления.

Оказывается, что в отличие от разбавленных концентрированная серная, так же как и концентрированная азотная кислоты, не взаимодействует с железом. Правильнее сказать, что кратковременное взаимодействие происходит, но оно быстро прекращается, потому что в крепких растворах этих кислот железо пассивируется.

Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от лат. inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Ингибиторы взаимодействуют с промежуточными продуктами реакции или с активными центрами, на которых протекают химические превращения.

Одним из наиболее простых ингибиторов атмосферной коррозии металлов является нитрит натрия NaNO 2 .

На месторождениях и Карачаганак существует потенциальная возможность коррозионного разрушения оборудования под воздействием агрессивных сред со скоростями, соответственно: 4 и 3 мм/год, обусловленная высоким содержанием в продукции сероводорода, двуокиси углерода, серы и большими рабочими нагрузками, возникающими в элементах конструкций.

Для зашиты конструкций разработаны синтезированные на основе амидоаминов, имидазолинов и аминосолей ингибиторы коррозии: Нефтехим-1, Нефтехим-2, Нефтехим-3 эффективность которых подтверждена результатами лабораторных и промысловых испытаний, многолетней практикой их применения на промыслах. Скорость коррозии при использовании данных ингибиторов составляет 0,014…

0,042 мм/год при допустимой норме — 0,15 мм/год.

В настоящее время ингибитор Нефтехим-1 выпускается по ТУ 2415-001-0015181694 Стерлитамакским ЗАО «Каустик», Нефтехим-3 — по ТУ-38 УССР 201.479.89, г.

На месторождении Карачаганак ингибиторы применяются с 1997 года.

Как сделать машины и трубы долговечнее?

Российские учёные научились эффективно бороться с коррозией. Новые технологии теперь позволяют выпускать металл, который будет служить на порядок дольше современных образцов. Люди науки говорят, что они свою задачу почти выполнили. Теперь дело за производителями. Некоторые крупные предприятия уже сегодня используют в производстве разработки российских учёных.

Новое покрытие, созданное на основе нанотехнологий, защищает металл от вредного воздействия окружающей среды в десятки раз лучше, чем, например, обычная полимерная краска. Плёнка, которая покрывает металл, настолько тонкая, что её не увидишь невооруженным глазом. В лабораториях Института физической химии и электрохимии молодые учёные продолжают исследовать свойства новых материалов.

Экономические потери от коррозии металлов огромны. В США по последним данным NACE ущерб от коррозии и затраты на борьбу с ней составили 3,1 % от ВВП (276 млрд долларов). В Германии этот ущерб составил 2,8 % от ВВП.

По оценкам специалистов различных стран эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4 % валового национального продукта.

При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20 % годового производства стали.

В России за год производят проката из черныхметаллов около 47 миллионов тонн. По данным Института физической химии РАН, каждая шестая домна работает «впустую»: коррозия съедает до 10 процентовпроизводимого металла. В денежном выражении потери составляют сотни миллионов рублей. Государство терпит огромные убытки, что, естественно,отрицательно влияет на экономические показатели страны.

Первую пробирку с водой плотно закроем и опустим в сосуд с водой горлышком вниз. Следующие три пробирки наполним раствором поваренной соли и опустим горлышком вниз в сосуды с водой. В последнюю пробирку нальём растворы поваренной соли, гидроксида натрия и опустим в пятый сосуд.

В каждую пробирку поместим одинаковые по размеру железные гвозди. Железный гвоздь в третьей пробирке обернём медной, а в четвёртой- цинковой проволокой. Из специального аппарата пропустим кислород так, чтобы он вытеснил воду и растворы солей из пробирок.

Во всех пробирках есть корродируемое железо и окисляющие его вещества- вода и кислород. Цель данного опыта- наблюдение за тем, как происходит коррозия железа в растворе соли, смеси растворов поваренной соли и гидроксида натрия, при соприкосновении железа с цинковой и медной проволоками.

В том, что коррозия происходит, можно убедиться по тому , как вода поднимается в пробирку вместо кислорода, а также по количеству образовавшегося осадка.

Сравнив первую и вторую пробирки, можно увидеть, что во второй пробирке уровень воды поднялся более высоко, образовалось большее количество осадка, следовательно, произошла сильная коррозия. Раствор поваренной соли(т.е. хлорид- ионы)ускоряет коррозию железа.

Этим объясняется то, что погружение в морскую воду часто судов быстрее других подвергается коррозий. Процесс коррозий ускоряет также другие ионы, находящиеся в морской воде.

Сравним вторую и пятую пробирки. В пятой пробирке коррозия не произошла, так как здесь имеются ионы OH — , которые ее замедляют.

• В результате эксперимента мы доказали, коррозия железа происходит во влажной среде
• В результате эксперимента мы доказали, коррозия железа происходит во влажной среде

• Быстро, если металл непосредственно соприкасается с жидкостью

• Интенсивно, если металл находится в растворе соли содержащей катион менее активного металла Если металл соприкасается с более активным металлом, то коррозия его замедляется (например железо с цинком) Если металл соприкасается с менее активным металлом, то коррозия его усиливается (например железо с медью)
• Интенсивно, если металл находится в растворе соли содержащей катион менее активного металла
• Если металл соприкасается с более активным металлом, то коррозия его замедляется (например железо с цинком)
• Если металл соприкасается с менее активным металлом, то коррозия его усиливается (например железо с медью)

1. В две пробирки налить по нескольку мл воды, добавить в каждую из них 1- 2 мл раствора серной кислоты и несколько капелл красной кровяной соли К 3 ( Fe ( CN ) 6 ).
2. В одну пробирку опустить канцелярскую скрепку, в которой зажат кусочек цинка, в другую- скрепку с кусочком олова. В одной из пробирок (там где было олово) раствор синеет: в этой
3. пробирке идет разрушение железа (скрепки), так как образуется гальваническая пара Fe — Sn , в которой более активный металлом является железо; в другой пробирке раствор остаётся бесцветным, так как в гальванической паре Zn — Fe более активным является цинк, он разрушается, предохраняя железную скрепку.

В случае анодного покрытия при нарушении поверхностного слоя возникает гальваническая пара Zn — Fe , в которой разрушается более активный металл ( Zn ). В случае катодного покрытия при нарушений поверхностного слоя возникает гальваническая пара Sn — Fe , в которой первым разрушается железо. Поэтому анодное

покрытие более долговечно, чем катодное хотя последнее широко распространено в декоративных целях.

Разрушение металлов и сплавов можно применить как один из способов борьбы с космическим мусором.  

Одним из направлений может быть ее применение для разрушения конструкций в труднодоступных местах .  

Если бы железо, подобно серебру и золоту, не ржавело, то мы не существовали бы, и ни одно растение не зеленело бы на Земле. Растворённая в воде ржавчина составляет часть пищи растений и придаёт им зеленый цвет. Та же «ржавчина» снабжает железом нашу кровь и придаёт ей красный

11

Коррозия –это процесс произвольного разрушения металла при котором он становиться непригодным. Такой металл вторично обрабатывается при этом не теряя своих свойств. Лишь химически чистые металлы не подвергаются коррозий, а также благородные металлы (золото, серебро, платина и металлы платиновой группы (иридий, осмий, палладий, родий, рутений).

Ежегодно в мире ¼ произведённого Fe теряется из-за коррозий. Для замедления процесса ржавления применяют многие средства такие как: хромирование, никелирование, покраска, покрытие оловом, смешивание с благородными металлами и т.д.

Для сред с аномально высоким содержанием сероводорода и двуокиси углерода нужно применять наиболее эффективные ингибиторы и по возможности применять нанотехнологий.

Шлугeр М. А., Ажогин Ф. Ф., Ефимов М. А., Коррозия и зашита металлов, М., 1981; Коррозия. Справочник, под ред. Л. Л. Шрайера, пер. с англ., М.. 1981; Кeшe Г., Коррозия металлов, пер. с нем., М., 1984; Колотыркин Я. М., Металл и коррозия, М., 1985; Томашов Н. Д.. Чернова Г. П., Теория коррозии и коррозионно-стойкие конструкционные сплавы. М.. 1986. Л. И. Фрейман.

Химическая коррозия — основные виды, факторы формирования, стадии протекания

Химическая коррозия металлов – это опасное явление, способное привести к их полному разрушению. Процесс напрямую связан со способностью материала вступать во взаимодействие со средой, представляющей повышенную химическую опасность.

Среди важных свойств протекания химической коррозии металла – параллельный процесс окисления и восстановления. Ученые не отмечают прямой связи с электрическим током, который потенциально может образовываться или воздействовать на участвующие в реакции материалы.

Если рассматривать первопричину распространения такого процесса, то мы быстро придем к выводу – она кроется в термической нестабильности металлов разных типов.

Они склонные под воздействием окислительных компонентов среды быстро переходить в устойчивое состояние и зачастую это происходит полностью непроизвольно.

Процесс окисления и восстановления при протекании химической коррозии происходит на фоне уменьшения потенциала системы. При этом нужно учитывать знаки  изменения потенциала, чтобы предсказать риск произвольного запуска такого процесса и его интенсивного протекания внутри материала.

Ученые определяют основным критерием, который стимулирует самопроизвольный процесс, такой показатель, как изобарно-изотермический потенциал G.

Когда реакция начинает протекать произвольно, он значительно убывает. При этом скорость уменьшения может меняться в зависимости от типа материалов, условий коррозионной среды и ряда других ключевых параметров.

Основные виды химической коррозии

Ученые выделяют два основных типа химической коррозии. Газовая протекает при контакте поверхности металла с газами. Она усиливается по мере изменения температуры среды.

Также химическая коррозия способна активно протекать в жидкостях-электролитах, если для этого формируются необходимые внешние условия.

Рассмотрим особенности обоих описанных процессов более подробно, чтобы понять, как можно создать дополнительную защиту от них.

Газовая коррозия металлов

Научная статистика показывает, что газовая коррозия металлов протекает наиболее часто. При рассмотрении химической порчи она значительно более распространена, чем жидкостное ржавение при контакте с электролитами.

Важный фактор здесь – высокая температура. Если металл сильно нагрет и на него начинает воздействовать газ, происходит разрушение.

Так как уровень температур должен быть достаточно высок, а при обычном использовании создать условия для протекания такой химической коррозии довольно сложно, процесс часто наблюдается в металлургии.

Из-за этого страдает оборудование, используемое при штамповке, ковке, горячей прокатке и других процессах. Без дополнительной защиты длительность использования подобной техники станет значительно меньше.

Опасность представляет и контакт металла с кислородом. Формула реакции, которая запускается в таком случае, выглядит следующим образом: Ме + 1/2О2 – МеО.

Эта реакция имеет четкое окислительное направление, потому напрямую связана с показателями парциального кислородного давления. Стоит обратить внимание на то, что реакция может быть равновесной, смещенной к образованию оксида, либо протекающей в обратном направлении.

Очень важно понимать, с какой газовой смесью контактирует металл в той области, где вы его используете. Хорошее понимание парциального давления кислорода в смеси даст нам температурный интервал.

Именно в нем будет запускаться окислительный процесс, приводящий к разрушению материала или значительному ухудшению уровня его качества.

Факторы скорости протекания газовой химической коррозии

По мере исследования особенностей процесса протекания химической коррозии, ученые смогли определить важные факторы, которые влияют на ее скорость и другие особенности. К ним относятся такие, как:

• Температура среды, в которую погружен металл.
• Состав сплава и другие особенности металла.
• Особенности газовой среды, ее состав, преобладающие элементы.
• Длительность контактирования материала с коррозийной средой.
• Появляющийся продукт коррозии.

Как и в случае с другими типами коррозийных поражений, большое значение имеет тип и особенности создающейся на поверхности оксидной пленки.

Особенности формирования оксидных пленок при газовой коррозии

Весь процесс формирования оксидной пленки на поверхности металла можно разделить на две крупные стадии:

Абсорбирование молекул кислорода на поверхности металлического изделия

Это происходит на тех участках, которые находятся в непосредственном контакте с атмосферой. Заметно появление ионной связи – атом кислорода забирает у металла по два электрода.

Можно предположить, что формирование очень сильной и стабильной связи при протекании такой реакции связано с попаданием кислорода в особое поле атомов металла.

Когда поверхность материала будет полностью наполнена окислителем, окажется сформирована мономолекулярная пленка. Она имеет склонность к утолщению со временем. Это уменьшает дальнейший контакт с кислородом, но сам опасный коррозийный процесс уже оказывается запущен.

Формирование химического соединения

Это явление характерно для ситуации, в которой происходит активное взаимодействие металла и газа. Из-за воздействия окислительных компонентов сплав начинает активно терять валентные электроны. Стремительно формируются и накапливаются продукты коррозии.

Дальнейшее протекание процесса будет во многом характеризоваться особенностями оксидной пленки. Так если она отличается повышенным уровнем защиты, сам коррозийный процесс будет замедляться.

Виды оксидных пленок

Когда химическая коррозия происходит под действием температуры и газовой среды, могут сформироваться три вида пленок:

• Тонкие. Со стороны заметить их будет невозможно. Они одни из самых не прочных, могут легко стираться под действием механического давления.
• Средние. Могут быть замечены, потому что со стороны металл слегка меняет цвет.
• Толстые. Хорошо заметны невооруженным глазом.

Чтобы не допустить протекание опасных процессов разрушения материала, важно сделать пленку защитной.

Факторы формирования защитной пленки

Оксидная пленка способна оказывать выраженное защитное воздействие на материал. Но для этого требуется, чтобы она соответствовала нескольким важным требованиям:

• Сплошность. На поверхности пленка распределяется ровным слоем, без пор и участков, которые не затронуты ею.
• Хорошее сцепление с поверхностью материала. Это требуется для удержания подобного защитного барьера на месте и исключения ухудшения его свойств.
• Химическая инертность. Пленка будет защищать металл только в том случае, если она вступает в химические реакции с окружающей средой. В противном случае, есть большая опасность, что весь защитный эффект окажется сведен к нулю.

Так как материал будет использоваться на протяжении длительного времени и сложно предсказать, что станет воздействовать на него, большое значение имеет стойкость к износу и повышенный уровень твердости.

Не менее важен и тот факт, чтобы пленка не была пористой и рыхлой. Когда она плохо контактируется с поверхностью, риск протекания разрушающих процессов становится значительно выше.

При изучении различных свойств оксидных пленок, ученые особенно пристально рассматривают сплошность. Отмечается, что на нее влияет молекулярный объем. Его показатели должны быть выше атомного объема металла.

Сплошность не ставится на первое место при определении защитных свойств оксидной пленки только для небольшой группы металлов. В их числе щелочно-земельные и щелочные.

При проведении работ по защите от химической коррозии, большое внимание уделяется методу замера толщины. Анализ характеристик происходит на разных стадиях формирования. Большое значение имеют получаемые показатели скорости окисления металла и характер протекания подобного процесса.

Когда окислы оказываются сформированными, специалисты рекомендуют проверить, какую пленку они создали на поверхности, обладает ли она нужными защитными свойствами.

Химическая коррозия в жидкостях-неэлектролитах

Хотя газовая коррозия считается наиболее распространенной, порчу металла при контакте с различными жидкостями-электролитами также не стоит сбрасывать со счетов. Большую опасность представляет контакт материала с веществами, способными проводить электричество.

Их делят на две крупные группы – органические и неорганические. Электролитов, представляющих большую опасность для металла, много – от расплавленной серы и бензола до жидкого брома, спирта, керосина, нефти и других.

Большое значение при протекании химической реакции играет чистота электролита. Когда он полностью чист, взаимодействия не наблюдается. Но стоит только попасть в состав небольшому количеству примесей, реакция начинает развиваться особенно стремительно.

Еще один дополнительный фактор риска – присутствие влаги. Тогда к опасности химической коррозии также прибавляется и угроза электрохимической.

Стадии протекания коррозии в жидкостях-неэлектролитах

Если рассматривать весь процесс более подробно и анализировать, что влияет на скорость химической коррозии, можно выделить несколько стадий ее протекания:

• Контакт окислителя с поверхностью материала.
• Запуск процесса хемосорбции реагента на поверхности.
• Протекание реакции металла и окислителя, формирование оксидной пленки.

Условия среды, состав сплава и самого электролита могут повлиять на протекание нескольких основных процессов. К ним относятся такие, как десорбция оксидов с металлом и диффузия оксидов в неэлектролит. Но оба процесса также могут и не наблюдаться.

Чтобы не допустить запуска коррозии в жидкостях-электролитах, стоит позаботиться о нанесении на поверхность специальных защитных составов. Важно, чтобы на протяжении всего времени использования изделия они полностью сохраняли свою целостность.

Факторы протекания химической коррозии

Большое значение при рассмотрении процесса химической коррозии металлов имеет определение факторов, оказывающих на нее влияние. К ним относятся такие, как:

Температура

Все окислительные процессы протекают быстрее, если температура сильно увеличивается.

Температурный режим

В особой группе риска оказываются металлические изделия, которые на протяжении определенного времени начинают охлаждаться и нагреваться попеременно. В таком случае сильно страдает защитная пленка. Она начинает трескаться, в местах, где это происходит, металл контактирует со средой, запускается повторное окисление. Новая пленка также формируется на фоне постепенного отслоения старой.

Состав среды

Это относится как к газам, так и к электролитам в жидком виде. Как уже было отмечено выше, даже небольшие загрязнения жидкости могут привести к тому, что скорость коррозийного повреждения станет значительно выше.

Состав сплава

В сплав металла добавляют различные компоненты, которые могут, как затормозить, так и ускорить окисление. К примеру, сильными замедлителями признаны такие добавки, как титан, медь и кобальт. Хорошо влияют на уменьшение скорости протекания процесса хром и алюминий.

Тип обработки поверхности

Ученые во время исследований показали, что гладкая поверхность отличается заметно более высокой устойчивостью к окислению, процесс протекает медленнее. Если же на поверхности металла много бугров, есть выраженные дефекты, стоит готовиться к более быстрому протеканию.

Структура материала

Уравнение химической коррозии показывает, что значительное замедление коррозийного процесса характерно для металлов с аустенитной структурой.

Подведем итоги

В этой статье мы рассмотрели виды химической коррозии и то, чем она отличается от электрохимической. При условии соблюдения ряда требований, удается заметно уменьшить риск разрушения металла. К ним относятся такие, как:

• Контроль формирования защитной оксидной пленки.
• Исключение контакта определенных материалов с агрессивными средами.
• Использование дополнительных защитных покрытий.
• Отслеживание состава газовой смеси или электролита.
• Применение металлов с компонентами сплава, замедляющими реакцию.

Соблюдение перечисленных требований позволит значительно увеличить длительность использования вашего металлического изделия.

Вернуться к статьям

Заключение

Ежегодно от 5 до 20% выплавляемого количества черных металлов разрушается в результате коррозии. Однако как бы велики не были прямые потери от коррозии, они не могут дать правильного представления о фактических убытках, причиняемых этим процессом.

Даже небольшое разрушение металла при коррозии какого-либо химического аппарата может вывести его из строя, вызвать нарушение технологического режима, остановку процесса, потерю времени, материалов. Эти потери значительно превосходят убытки, связанные со стоимостью разрушенного металла.

Так, например, относительно невысокая стоимость разрушенного участка подземного свинцового кабеля не идет ни в какое сравнение с затратами на работы по обнаружению места повреждения, по удалению почвы и по его ремонту. Ущерб, причиняемый коррозией металлов, трудно переоценить.

Естественно поэтому, что изучение коррозии и разработка методов защиты металлов от нее представляют несомненный теоретический интерес и имеют большое народнохозяйственное значение.

В ходе курсовой работы была дана общая характеристика и классификация процессов коррозии, выявлены условия возникновения коррозиционного процесса, изучены основы кинетической теории коррозии, электрохимическая коррозия и методы защиты металлов от коррозии.

1 Улиг Г.Г. Коррозия и борьба с ней / Г.Г. Улиг, Р.У. Реви. — Л.: Химия, 1989. — 344 с.

2 Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы / В. М. Никифоров. — М.: Высшая школа, 1980. — 450 с.

3 Герасимов Я. И. Курс физической химии / Я. И. Герасимов, В. П. Древинг, Е. Н. Еремин и др. — М.: Химия, 1973. — 624 с.

4 Исаев Н. И. Теория коррозийных процессов / Н. И. Исаев. — М.: Металлургия, 1997. — 368 с.

5 Cеменова И.В. Коррозия и защита от коррозии / И. В. Семеновой. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 232 с.

6 Вячеславов П. М. Металлические покрытия, нанесенные химическим способом / П. М. Вячеславов. — Л.: Машиностроение, 1985. — 103 с.

7 Строкан Б. В. Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии / Б. В. Строкан. -Л.: Химия, 1987. — 280 с.

8 Иванов Е.С. Ингибиторы коррозии металлов в кислых средах Е.С. Ивано. — М.: Металлургия, 1986. — 175 с.

9 Френкель Г.Я. Протекторная защита от коррозии металлического оборудования и специальных стальных конструкций гидротехнических сооружений / Г.Я. Френкель. — М.: Гидропроект, 1993. — 186 с.

10 Шлугер М. А. Коррозия и защита металлов / М. А. Шлугер, Ф. Ф. Ажогин, Е. А. Ефимов. — М.: Металлургия, 1981. — 215 с.

11 Розенфельд И. Л. Защита металлов от коррозии лакокрасочными покрытиями / И. Л. Розенфельд, Ф. И. Рубинштейн, К. А. Жигалова. — М.: Химия, 1987. — 222 с.

12 Люблинский Е. Я. Электрохимическая защита от коррозии / Е. Я. Люблинский. — М.: Металлургия, 1987. — 96 с.

Коррозия и защита металлов

• Лабораторная работа № 8
• по курсу «Химия»
• Выполнил студент группы 2203: Сиротенко Евгений
• Проверил: Иванов Виктор Федорович
• Санкт-Петербург
• Цель работы: Изучение влияния некоторых факторов на протекание процессов химической и электрохимической коррозии и методов защиты металлов от коррозии.
• Теоретическая часть:

Коррозия — необратимое самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия среды. Химическая стойкость металла характеризуется показателями скорости его коррозии — массовым, объемным, глубинным. Кинетика химической коррозии зависит от свойств оксидной пленки, образующейся на поверхности металла. К поверхности пленки подходит молекулярный кислород, происходят его адсорбция и атомизация. От поверхности атомы кислорода перемещаются вглубь пленки оксида, а им навстречу — ионы металла и электроны. В пленке в одном акте происходит ионизация кислорода и образование химического соединения с металлом.

Для характеристики защитной способности образующейся оксидной пленки применяется коэффициент. Радиус атома – меньше — в этом случае на поверхности формируются защитные оксиды, например, ВеО при добавлении в медь 1% бериллия (Be).

Химическую коррозию предотвращают, насыщая поверхностный слой диффузионным покрытием, например, алюминиевым (актирование), а также плакированием, нанесением жаростойких эмалей, тугоплавких карбидов, смешанных соединений покрытия с основой — шпинелей типа NiCr2О4, NiFe2O4.

Детали, работающие при высоких температурах, можно защищать специальной защитной атмосферой. Для уменьшения газовой коррозии применяют сжигание топлива с недостатком воздуха, используют защитные обмазки и др.

Электрохимическая коррозия протекает при наличии на поверхности металла слоя электролита (растворов солей, кислот или щелочей, атмосферной влаги в почве и т.п.).

Сущность электрохимической коррозии заключается в том, что процесс окисления сопровождается полным удалением валентных электронов его атома в передачей их другой частице — деполяризатору Термодинамическая возможность электрохимической коррозии определяется соотношением.

Процессы окисления металла (анодный) и восстановления деполяризатора (катодный) могут протекать на одном и том же участке детали, но в различные моменты времени.Например, при атмосферной коррозии с кислородной деполяризацией происходит анодное окисление железа.

Для защиты от электрохимической коррозии можно применять более благородный металл, что влечет за собой уменьшение коррозионного тока. Это использует метод зашиты — рациональное конструирование. В случае контакта двух металлов желательно, чтобы их потенциалы были близки. Кроме того, конструкция деталей не должна допускать участков, где может скапливаться влага.

Другой метод — электрохимическая зашита; в случае одной из ее распространенных разновидностей — протекторной зашиты вместо анодного участка создают как бы новый, введя в контакт с защищающим металлом более отрицательный металл, по сравнению с которым прежний анод становится катодом. Этой же цели добиваются, подключив защищаемую деталь к отрицательному полюсу внешнего источника тока. Для нержавеющих сталей в кислотах применяют положительную поляризацию в области потенциалов, отвечающих пассивации.

Для уменьшения скорости электрохимической коррозии целесообразно проводить обработку среды путем уменьшения концентрации деполяризатора за счет нейтрализации кислых сред или удаления кислорода.

Коррозия металлов. Виды коррозии металлов

• Материалы из металлов под химическим или электрохимическим воздействием окружающей среды подвергаются разрушению, которое называется коррозией.
• Коррозия металлов вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в результате которых металлы переходят в окисленную форму и теряют свои свойства, что приводит в негодность металлические материалы.
• Можно выделить 3 признака, характеризующих коррозию:

• Коррозия – это с химической точки зрения процесс окислительно-восстановительный.
• Коррозия – это самопроизвольный процесс, возникающий по причине неустойчивости термодинамической системы металл – компоненты окружающей среды.
• Коррозия – это процесс, который развивается в основном на поверхности металла. Однако, не исключено, что коррозия может проникнуть и вглубь металла.

Наиболее часто встречаются следующие виды коррозии металлов:

1. Равномерная – охватывает всю поверхность равномерно
2. Неравномерная
3. Избирательная
4. Местная пятнами – корродируют отдельные участки поверхности
5. Язвенная (или питтинг)
6. Точечная
7. Межкристаллитная – распространяется вдоль границ кристалла металла
8. Растрескивающая
9. Подповерхностная

Основные виды коррозии металлов

С точки зрения механизма коррозионного процесса можно выделить  два основных типа коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия металлов  — это результат протекания таких химических реакций, в которых после разрушения металлической связи, атомы металла и атомы, входящие в состав окислителей, образуют химическую связь.

Электрический ток между отдельными участками поверхности металла в этом случае не возникает. Такой тип коррозии присущ средам, которые не способны проводить  электрический ток – это газы, жидкие неэлектролиты.

Виды химической коррозии

Химическая коррозия металлов бывает газовой и жидкостной.

Газовая коррозия металлов – это результат действия агрессивных газовых или паровых сред на металл при высоких температурах, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла.

Это, например, кислород, диоксид серы, сероводород, пары воды, галогены.

Такая коррозия в одних случаях может привести к полному разрушению металла (если металл активный), а в других случаях на его поверхности может образоваться защитная пленка (например, алюминий, хром, цирконий).

Жидкостная коррозия металлов– может протекать в таких неэлектролитах, как нефть, смазочные масла, керосин и др. Этот тип коррозии при наличии даже небольшого количества влаги, может легко приобрести электрохимический характер.

При химической коррозии скорость разрушения металла пропорциональна скорости химической реакции и той скорости с которой окислитель проникает сквозь пленку оксида металла, покрывающую его поверхность. Оксидные пленки металлов могут проявлять или не проявлять защитные свойства, что определяется сплошностью.

Фактор Пиллинга-Бэдворса

1. Сплошность такой пленки оценивают величине фактора Пиллинга—Бэдвордса: (α = Vок/VМе) по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла
2. α = Vок/VМе = Мок·ρМе/(n·AMe·ρок),
3. где Vок — объем образовавшегося оксида
4. VМе — объем металла, израсходованный на образование оксида
5. Мок – молярная масса образовавшегося оксида
6. ρМе – плотность металла
7. n – число атомов металла
8. AMe — атомная масса металла
9. ρок — плотность образовавшегося оксида

Оксидные пленки, у которых α < 1, не являются сплошными и сквозь них  кислород легко проникает к поверхности металла. Такие пленки не защищают металл от коррозии. Они образуются при окислении кислородом щелочных и щелочно-земельных металлов (исключая бериллий).

• Оксидные пленки, у которых  1 < α < 2,5 являются сплошными и способны защитить металл от коррозии.
• При значениях α > 2,5 условие сплошности уже не соблюдается, вследствие чего такие пленки не защищают металл от разрушения.
• Ниже представлены значения сплошности α для некоторых оксидов металлов

Электрохимическая коррозия металлов – это процесс  разрушения металлов в среде различных электролитов, который сопровождается возникновением внутри системы электрического тока.

При таком типе коррозии атом удаляется из кристаллической решетки  результате двух сопряженных процессов:

• Анодного – металл в виде ионов переходит в раствор.
• Катодного – образовавшиеся при анодном процессе электроны, связываются деполяризатором (вещество — окислитель).

1. Сам процесс отвода электронов с катодных участков называется деполяризацией, а вещества способствующие отводу – деполяризаторами.
2. Наибольшее распространение имеет коррозия металлов с водородной и кислородной деполяризацией.
3. Водородная деполяризация
4. Водородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в кислой среде:
5. 2H++2e— = H2 разряд водородных ионов
6. 2H3O++2e— = H2 + 2H2O
7. Кислородная деполяризация
8. Кислородная деполяризация осуществляется на катоде при электрохимической коррозии в нейтральной среде:
9. O2 + 4H++4e— = H2O восстановление растворенного кислорода
10. O2 + 2H2O + 4e— = 4OH—
11. Все металлы, по их отношению к электрохимической коррозии, можно разбить на 4 группы, которые определяются величинами их стандартных электродных потенциалов:

1. Активные металлы (высокая термодинамическая  нестабильность) – это все металлы, находящиеся в интервале щелочные металлы — кадмий (Е0 = -0,4 В). Их коррозия возможна даже в нейтральных водных средах, в которых отсутствуют кислород  или другие окислители.
2. Металлы средней активности (термодинамическая нестабильность)  – располагаются между кадмием и водородом (Е0 = 0,0 В). В нейтральных средах, в отсутствии кислорода, не корродируют, но подвергаются коррозии в кислых средах.
3. Малоактивные металлы (промежуточная термодинамическая  стабильность) – находятся между водородом  и родием (Е0 = +0,8 В). Они устойчивы к коррозии в нейтральных и кислых средах, в которых отсутствует кислород  или другие окислители.
4. Благородные металлы (высокая термодинамическая стабильность) – золото, платина, иридий, палладий. Могут подвергаться коррозии лишь в кислых средах при наличии в них сильных окислителей.

Виды электрохимической коррозии

Электрохимическая коррозия может протекать в различных средах. В зависимости от характера среды выделяют следующие виды электрохимической коррозии:

• Коррозия в растворах электролитов — в растворах кислот, оснований, солей, в природной воде.
• Атмосферная коррозия – в атмосферных условиях и в среде любого влажного газа. Это самый распространенный вид коррозии.

• Например, при взаимодействии железа с компонентами окружающей среды, некоторые его участки служат анодом, где происходит окисление железа, а другие – катодом, где происходит восстановление кислорода:
• А: Fe – 2e— = Fe2+
• K: O2 + 4H+ + 4e— = 2H2O
• Катодом является та поверхность, где больше приток кислорода.

• Почвенная коррозия – в зависимости от состава почв, а также ее аэрации, коррозия может протекать более или менее интенсивно. Кислые почвы наиболее агрессивны, а песчаные – наименее.
• Аэрационная коррозия — возникает при неравномерном доступе воздуха к различным частям материала.
• Морская коррозия – протекает в морской воде, в связи с наличием в ней растворенных солей, газов и органических веществ.
• Биокоррозия – возникает в результате жизнедеятельности бактерий и других организмов, вырабатывающих такие газы как CO2, H2S и др., способствующие коррозии металла.
• Электрокоррозия – происходит под действием блуждающих токов на подземных сооружениях, в результате работ электрических железных дорог, трамвайных линий и других агрегатов.

Основной способ защиты от коррозии металла – это создание защитных покрытий – металлических, неметаллических или химических.

Металлическое покрытие наносится на металл, который нужно защитить от коррозии, слоем другого металла, устойчивого к коррозии в тех же условиях.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более отрицательным потенциалом (более активный) , чем защищаемый, то оно называется анодным покрытием.

Если металлическое покрытие изготовлено из металла с более положительным  потенциалом (менее активный), чем защищаемый, то оно называется катодным покрытием.

Например, при нанесении слоя цинка на железо, при нарушении целостности покрытия, цинк выступает в качестве анода и будет разрушаться, а железо защищено до тех пор, пока не израсходуется весь цинк. Цинковое покрытие является в данном случае анодным.

Катодным покрытием для защиты железа, может, например, быть медь или никель. При нарушении целостности такого покрытия, разрушается защищаемый металл.

Такие покрытия могут быть неорганические (цементный раствор, стекловидная масса) и органические (высокомолекулярные соединения, лаки, краски, битум).

Химические покрытия

1. В этом случае защищаемый металл подвергают химической обработке с целью образования на поверхности пленки его соединения, устойчивой к коррозии. Сюда относятся:
2. оксидирование – получение устойчивых оксидных пленок (Al2O3, ZnO и др.

   );

3. фосфатирование – получение защитной пленки фосфатов (Fe3(PO4)2, Mn3(PO4)2);
4. азотирование – поверхность металла (стали) насыщают азотом;
5. воронение стали – поверхность металла взаимодействует с органическими веществами;
6. цементация – получение на поверхности металла его соединения с углеродом.

Изменение состава технического металла также способствует повышению стойкости металла к коррозии. В этом случае в металл вводят такие соединения, которые увеличивают его коррозионную стойкость.

Изменение состава коррозионной среды (введение ингибиторов коррозии или удаление примесей из окружающей среды) тоже является средством защиты металла от коррозии.

Электрохимическая защита

Электрохимическая защита основывается на присоединении защищаемого сооружения катоду внешнего источника постоянного тока, в результате чего оно становится катодом. Анодом служит металлический лом, который разрушаясь, защищает сооружение от коррозии.

Протекторная защита – один из видов электрохимической защиты – заключается в следующем.

К защищаемому сооружению присоединяют пластины более активного металла, который называется протектором. Протектор – металл с более отрицательным потенциалом – является анодом, а защищаемое сооружение – катодом. Соединение протектора и защищаемого сооружения проводником тока, приводит к разрушению протектора.

Примеры задач с решениями на определение защитных свойств оксидных пленок, определение коррозионной стойкости металлов, а также уравнения реакций, протекающих при электрохимической коррозии металлов приведены в разделе Задачи к разделу Коррозия металлов