Почему железо подвергается коррозии. Исследовательская работа "почему ржавеет железо"

Опасный враг – ржавчина! Как металл ни крепок ржавчина все равно его одолеет. Послушайте про это одну историю. В стародавние времена один незадачливый король приказал про запас спрятать в сырые подвалы крепости много разнообразного оружия: стальные мечи, ружья, пушки, пушечные ядра. Только порох туда не велел класть, чтобы не отсырел. А с железом, мол, ничего не случится. По счастью, войны долго не было, и пролежало оружие в подвале много лет.

Собрался король на войну и приказал вооружить молодцов-новобранцев. Отпели тяжелые двери, вынесли из подвала боевые мечи – смотрят, а они все ржавые. Начали чистить – мечи сделались тоньше кухонных ножей. Куда такие годятся! Достали ружья – те тоже были ржавыми. Из таких пальнешь – в руках разорвутся. Дошла очередь до пушек. С ядрами. Стали с них ржавчину сдирать. До того дочистили, что ядра величиной с арбуз сделались меньше картофелины. Как такими пушки заряжать? Велики им теперь пушки, не по размеру. Пришлось отменить поход! Подвела сырость, влага.

А эта история приключилась недавно. Шел по льду трактор и угодил в занесенную снегом полынью. Тракториста удалось спасти, трактор же пошел ко дну. Только через год сумели поднять тяжелую машину. Долго очищал от ржавчины, а завести мотор так и не удалось, пока многие его заржавевшие в воде части не заменили новыми.

Где еще ржавеет железо?

Если бы ржавело только в воде! Но металл ржавеет даже в жаркой пустыне. Кругом – сколько ни ищи – капли воды не найдешь. Но в воздухе всегда есть крошечные, совсем не заметные частички влаги. И этой малости достаточно, чтобы металл понемногу стал ржаветь. А в сыром климате он, понятно, разрушается куда быстрее.

Сколько же всего железа уничтожает ржавчина? Ответ готов. За десять лет ржавчина съедает столько металла, сколько его вырабатывают за год все металлургические заводы мира. Оказывается, ржавчина съедает миллионы тонн металла! Вот люди издавна и объявили ей войну! Как вы ? Правильно, надеваете резиновые сапожки и плащи, а еще лучше спрячетесь под крышу. Вот и с металлом поступают также. Машины, станки прячут под навесы, под крыши цехов.

Ржавчина и защита металла от коррозии

Прокладывают газопровод, нефтепровод, водопровод – на трубы надевают непромокаемый плащ – обертывают их просмоленной тканью или бумагой.

А автомобили, ? Они ведь не только для красоты покрашены нарядными, яркими красками. Хоть и тонок слой краски, но от сырости, а значит, и от ржавчины защищает неплохо. Для этого же красят и мосты, и вагоны, и корабли, и крыши…

Но защищать металл может не только краска, железо могут покрывать тонким слоем другого, более стойкого металла – цинка. И крыша сразу становится долговечнее. Консервные банки тоже железные – жестяные. Тут на железо нанесено тонким слоем расплавленное олово.

Много есть и других способов защиты металла от ржавчины, а ученые ищут новые, более надежные.

Я решила покататься в этом году на коньках. Достала из шкафа и увидела, что лезвие коньков покрыто каким-то красно-коричневым налётом. Я сначала расстроилась, так как коньки мои испорчены и на них, наверное, нельзя больше кататься.

Вечером мама пришла с работы, и я рассказала ей о своей беде. Мама успокоила меня и объяснила, что лезвие коньков сделаны из железа. А оно иногда покрывается ржавчиной, если на железо попадает влага.

Мне стало интересно:

-Что такое ржавчина?

-Откуда она берётся?

-Другие материалы, кроме железа тоже ржавеют?

Я подумала, возможно, ржавчина - это какая-либо краска красно-коричневого цвета, которая со временем покрывает все материалы. Чтобы проверить свои предположения, я решила провести несколько опытов.

1. Я взяла кусочек дерева, железа, пластмассы, стекла, ткани и намочила их водой. Через два дня я обнаружила, что с кусочков ткани, дерева, пластмассы, стекла вода испарилась и ржавчиной они не покрылись. А на поверхности кусочка железа появился налёт красно-коричневого цвета.

Значит можно сделать вывод:

Неметаллические предметы - из дерева, пластмассы, стекла, ткани не ржавеют, а металлические - ржавеют.

Тогда у меня возник другой вопрос:

-Все ли металлы имеют свойство ржаветь?

Папа мне принёс кусочки меди, алюминия, железа, чугуна.

Я предположила, что все металлы ржавеют. Чтобы проверить данную гипотезу, я провела такой опыт:

2. Я взяла кусочки меди, алюминия, железа, чугуна намочила водой и наблюдала за ними несколько дней. Я увидела, что поверхность железа и чугуна покрылась ржавчиной, а поверхность меди и алюминия не заржавела.

Поэтому я пришла к такому выводу:

Не все металлы подвергаются ржавчине. Железо и чугун - ржавеют, а медь и алюминий - не ржавеют.

А интересно только ли от воды ржавеет железо или это могут быть другие жидкости?

3. Я предположила, что не только от воды. Чтобы подтвердить или опровергнуть своё предположение я взяла: одеколон, ацетон, растительное масло, бензин и четыре одинаковых кусочка железа. Всё намочила указанными жидкостями. Наблюдала за этим процессом несколько дней.

В результате я увидела, что кусочки смазанные маслом, бензином, одеколоном, ацетоном - не заржавели. Значит, от других жидкостей железо не ржавеет.

Так что же такое ржавчина?

Учитель химии мне объяснила, что ржавчина - это гид роксид железа три. Она мне рассказала, что железо, находясь на открытом воздухе, быстро ржавеет. Ещё быстрее это происходит, если оно контактирует с водой. Железо и кислород, находящийся в воде начинают взаимодействовать и образуют гидроксид, то есть ржавчину. Вода становится красноватой, и ржавчина плавает в воде в виде мелких частиц. Когда вода испаряется, на поверхности железа остаётся ржавчина, образуя красноватый слой.

В интернете я узнала о способах борьбы с ржавчиной, ведь она разъедает и разрушает железные поверхности. Чтобы избежать этот разрушительный процесс железные поверхности покрывают краской, олифой, эмалью, лаком и другими нержавеющими металлами (хром, цинк).

И я решила в этом убедиться.

4. Я взяла три куска железа: половинку первого - покрасила краской, половинку второго - лаком, с половинки третьего - очистила оцинкованный слой. Я намочила их водой, и стала наблюдать. Через несколько дней я увидела, что те поверхности железа, которые были покрыты лаком, краской, цинком не были подвержены ржавчине, а не покрытые участки заржавели. Я убедилась, что такие способы борьбы с ржавчиной помогают избежать разрушения металлических поверхностей.

Поэтому крыши домов покрывают краской или нержавеющими металлами, ванные и металлическую посуду покрывают эмалью, стиральные машины и холодильники делают из нержавеющих металлов; легковые и грузовые машины красят краской и лаком.

Вывод:

В результате исследовательской работы я узнала, что такое ржавчина, откуда она берётся, и какие способы покрытия применяют, чтобы избежать разрушения и сохранить первоначальный вид железных поверхностей.

Мой совет взрослым и детям: когда закончится зима коньки протрите, смажьте машинным маслом лезвия, аккуратно заверните бумагой и уберите в шкаф. Так можно надолго сохранить лезвия коньков и насладиться прелестью катания в следующем году!

Словосочетания «коррозия металла» заключает в себе намного больше, чем название популярной рок-группы. Коррозия безвозвратно разрушает металл , превращая его в труху: из всего, произведенного в мире железа, 10% полностью разрушится в этот же год. Ситуация с российским металлом выглядит примерно так — весь металл, выплавленный за год в каждой шестой доменной печи нашей страны, становится ржавой трухой еще до конца года.

Выражение «обходится в копеечку» в отношении коррозии металла более чем верно — ежегодный ущерб, приносимый коррозией, составляет не менее 4% годового дохода любой развитой страны, а в России сумма ущерба исчисляется десятизначной цифрой. Так что же вызывает коррозийные процессы металлов и как с ними бороться?

Что такое коррозия металлов

Разрушение металлов в результате электрохимического (растворение во влагосодержащей воздушной или водной среде — электролите) или химического (образование соединений металлов с химическими агентами высокой агрессии) взаимодействия с внешней средой. Коррозийный процесс в металлах может развиться лишь в некоторых участках поверхности (местная коррозия), охватить всю поверхность (равномерная коррозия), или же разрушать металл по границам зерен (межкристаллитная коррозия).

Металл под воздействием кислорода и воды становится рыхлым светло-коричневым порошком, больше известным как ржавчина (Fе 2 O 3 ·H 2 О).

Химическая коррозия

Этот процесс происходит в средах, не являющихся проводниками электрического тока (сухие газы, органические жидкости — нефтепродукты, спирты и др.), причем интенсивность коррозии возрастает с повышением температуры — в результате на поверхности металлов образуется оксидная пленка.

Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы — и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например — алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой мало активный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет — патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях — только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае — пленка ничем не поможет.

Сплавы подвержены другому типу коррозии: некоторые элементы сплавов не окисляются, а восстанавливаются (например, в сочетании высокой температуры и давления в сталях происходит восстановление водородом карбидов), при этом сплавы полностью утрачивают необходимые характеристики.

Электрохимическая коррозия

Процесс электрохимической коррозии не нуждается в обязательном погружении металла в электролит — достаточно тонкой электролитической пленки на его поверхности (часто электролитические растворы пропитывают среду, окружающую металл (бетон, почву и т.д.)). Наиболее распространенной причиной электрохимической коррозии является повсеместное применение бытовой и технической солей (хлориды натрия и калия) для устранения льда и снега на дорогах в зимний период — особенно страдают автомашины и подземные коммуникации (по статистике, ежегодные потери в США от использования солей в зимний период составляют 2,5 млрд. долларов).

Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда — в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге). Всего за год блуждающие токи силой в 1А способны растворить железа — 9,1 кг, цинка — 10,7 кг, свинца — 33,4 кг.

Другие причины коррозии металла

Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Коррозия, вызываемая морскими микроорганизмами, наносит ущерб днищам морских судов, а коррозийные процессы, вызванные бактериями, даже имеют собственное название — биокоррозия.

Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов — снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия.

Меры защиты металлов от коррозии

Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания — процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.

Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию.

Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет — лужение (покрытие оловом)).

Антикоррозийная защита неметаллическими покрытиями

Неметаллические покрытия — краски (алкидные, масляные и эмали), лаки (синтетические, битумные и дегтевые) и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой.

Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно «на месте» — во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов ; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями — их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность.

В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры — эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола.

Защита железа от коррозии покрытиями из других металлов

Существует два типа металлических покрытий-ингибиторов — протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом). Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая — большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо — кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов.

Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы — эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее неоцинкованных). Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты — цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелерование металлических поверхностей (покрытие никелем). Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы — нет устойчивого покрытия.

Лучшее решение для антикоррозийной защиты — алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит — меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист — алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне). Возможно, эта проблема будет полностью решена в самое ближайшее время — оригинальный способ выполнения алюминирования найден российскими учеными. Суть разработки заключается в том, чтобы не погружать стальной лист в расплав алюминия, а поднять жидкий алюминий к стальному листу.

Повышение коррозийной стойкости путем добавления в стальные сплавы легирующих добавок

Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Легирующие добавки вводятся в состав стали с соблюдением правила Таммана: высокая коррозийная устойчивость достигается, когда на восемь атомов железа приходится один атом легирующего металла.

Меры противодействия электрохимической коррозии

Для ее снижения необходимо понизить коррозийную активность среды посредством введения неметаллических ингибиторов и уменьшить количество компонентов, способных начать электрохимическую реакцию. Таким способом будет понижение кислотности почв и водных растворов, контактирующих с металлами. Для снижения коррозии железа (его сплавов), а также латуни, меди, свинца и цинка из водных растворов необходимо удалить диоксид углерода и кислород. В электроэнергетической отрасли проводится удаление из воды хлоридов, способных повлиять на локальную коррозию. С помощью известкования почвы можно снизить ее кислотность.

Защита от блуждающих токов

Снизить электрокоррозию подземных коммуникаций и заглубленных металлоконструкций возможно при соблюдении нескольких правил:

• участок конструкции, служащий источником блуждающего тока, необходимо соединить металлическим проводником с рельсом трамвайной дороги;
• трассы теплосетей должны размещаться на максимальном удалении от рельсовых дорог, по которым передвигается электротранспорт, свести к минимуму число их пересечений;
• применение электроизоляционных трубных опор для повышения переходного сопротивления между грунтом и трубопроводами;
• на вводах к объектам (потенциальным источникам блуждающих токов) необходима установка изолирующих фланцев;
• на фланцевой арматуре и сальниковых компенсаторах устанавливать токопроводящие продольные перемычки — для наращивания продольной электропроводимости на защищаемом отрезке трубопроводов;
• чтобы выровнять потенциалы трубопроводов, расположенных параллельно, необходимо установить поперечные электроперемычки на смежных участках.

Защита металлических объектов, снабженных изоляцией, а также стальных конструкций небольшого размера выполняется с помощью протектора, выполняющего функцию анода. Материалом для протектора служит один из активных металлов (цинк, магний, алюминий и их сплавы) — он принимает на себя большую часть электрохимической коррозии, разрушаясь и сохраняя главную конструкцию. Один анод из магния, к примеру, обеспечивает защиту 8 км трубопровода.

Абдюжанов Рустам, специально для рмнт.ру

Понятие прочности часто связывают с металлами. «Прочный, как сталь», - каждый из нас слышал эту фразу не один раз. На самом деле под химическим воздействием внешней среды металлы могут окисляться и разрушаться.

Термин «коррозия» произошёл от латинского "corrodere" – разъедать. Но коррозии подвержены не только металлы. Пластмассы, полимеры, дерево и даже камни также подвержены коррозии.

Коррозия – это результат химического воздействия окружающей среды. В результате коррозии металлы разрушаются самопроизвольно. Конечно, разрушаться металлы могут и под влиянием физического воздействия. Такие процессы называют износом, старением, эрозией.

Несмотря на то, что в промышленности и в быту широко используются полимеры, керамика, стекло, роль металлов в жизнедеятельности человека продолжает оставаться очень важной.

С коррозией металлов мы сталкиваемся очень часто. Ржавое железо – результат коррозии. Нужно сказать, что многие металлы могут подвергаться коррозии. Но ржавеет только железо.

Что же происходит с металлами во время коррозии с точки зрения химии?

Химическая коррозия

Поверхностный слой металла взаимодействует с кислородом воздуха. В результате образуется оксидная плёнка. На поверхностях разных металлов образуются плёнки разной прочности. Так, алюминий и цинк образуют при взаимодействии с кислородом прочную плёнку, которая препятствует дальнейшей коррозии этих металлов. Защитная плёнка алюминия – оксид алюминия Al 2 O 3. Через неё не могут проникать ни кислород, ни вода. Например, в алюминиевом чайнике кипящая вода не действует на металл.

Но некоторые металлы и их соединения образуют рыхлые плёнки. Если отрезать кусочек металлического натрия, то можно увидеть, как на его поверхности появится плёнка, имеющая трещины. Такая плёнка свободно пропустит к поверхности кислород воздуха, пары воды и другие вещества. Коррозия натрия будет продолжаться.

Химическая коррозия – это химическое взаимодействие металла и внешней среды, в результате которой происходит реакция окисления металла и восстановления коррозионной среды.

Но во внешней среде содержатся не только кислород и пары воды. В воздухе встречаются оксиды азота, серы, углерода, а воде могут быть соли и растворённые газы. И процесс коррозии – довольно сложный процесс. Разные металлы корродируют по-разному. Например, бронза покрывается сульфатом меди (CuOH) 2 SO 4 , который похож на зелёную паутину.

Коррозия, которая происходит под воздействием электрического тока, не является химической. Её называют электрохимической.

Почему железо ржавеет

Почему же всё-таки железо ржавеет?

В процессе коррозии металл окисляется и превращается в оксид.

Упрощённое уравнение коррозии железа выглядит так:

4Fe + 3O 2 + 2H 2 О = 2Fe 2 O 3 ·H 2 О

2Fe 2 O 3 ·H 2 О - гидратированный оксид железа, или гидроксид железа. Это и есть ржавчина.

Как видно из уравнения реакции, ржавчина образуется на поверхности железа, если оно взаимодействует с кислородом в воде или во влажном воздухе. В сухом месте железо не ржавеет. Поверхность ржавчины не защищает железо от дальнейшего воздействия среды, поэтому в конце концов железо полностью превратится в ржавчину. Ржавчиной называют коррозию железа и его сплавов.

Химическая коррозия бывает газовая и коррозия в жидкостях-неэлектролитах.

Виды химических коррозий

Газовой коррозией называют процесс разрушения поверхности металла под воздействием газов при высокой температуре. Больше всего известна коррозия при воздействии кислорода на металл.

Химическая коррозия металлов и их соединений может происходить в жидкостях-неэлектролитах. Жидкости-неэлектролиты - фенол, бензол, спирты, керосин, нефть, бензин, хлороформ, расплавленная сера, жидкий бром, и другие. Такие жидкости не проводят электрический ток. В чистом виде они не содержат примесей и не реагируют с металлами. Но если в них попадают примеси, то металлы в таких жидкостях начинают подвергаться химической коррозии.

Чтобы защитить металлические конструкции от химической коррозии, на поверхность наносят покрытия, которые обеспечат защиту от воздействия коррозионной среды.