Почему ржавеют металлы

Любые металлы рано или поздно начнут ржаветь. Насколько быстро это произойдет, зависит от условий эксплуатации и способов защиты от коррозии, которые были к ним применены. Почему коррозия неизбежна и как ее замедлить – расскажем в этой статье.   

Почему появляется ржавчина? 

Изначально в природе металлы добываются не в чистом виде, а в виде химических соединений: карбонатов, оксидов, сульфидов, гидроксидов. Это соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и прочим. 

Если бы металлы были изначально чистыми, ржавчина была бы им не страшна. Но, таких металлов раз, два и обчелся. Это всем известные: золото, серебро, платина. Такие металлы не стремятся к созданию соединений, поэтому практически не взаимодействуют с окружающей средой, она не имеет на них большого влияния.   

Что такое нержавеющая сталь и правда ли она не ржавеет? Нержавеющая сталь, к сожалению, тоже ржавеет, но делает это гораздо медленнее, чем железо. Потому что нержавеющая сталь представляет собой сплав железа и хрома. Из-за связи с хромом, железо не так активно стремиться взаимодействовать с окружающей средой, поэтому процесс коррозии идет медленнее.

Большинство добытых «не чистых» металлов плавят, очищают, восстанавливают и делают чистыми. Однако полученные чистые металлы остаются не устойчивыми, далекими от природного состояния. Они стремятся снова стать соединениями, вступить в реакцию с окружающей средой. 

Взаимодействуя с воздухом, металл образует оксид, а с влагой – гидроксид. Процесс образования оксида или гидроксида является естественным для железа. Мы же называем этот процесс коррозией, а его результат — ржавчиной.  

Как происходит процесс коррозии? 

Металлы вынуждены постоянно взаимодействовать с окружающей средой, а значит, коррозия неизбежна. Если железо полностью оградить от воздуха и влаги, содержать в абсолютном вакууме, то оно не будет ржаветь. Но и толку от него не будет. 

Людям интересен металл в первую очередь, как прочный материал, из которого изготавливают множество конструкций, объектов инфраструктуры, зданий, изделий и необходимых человеку предметов.

То есть все то, что постоянно соприкасается с окружающей средой.

 При условии наличия воды и кислорода на протяжении достаточного количества времени железо полностью превращается в ржавчину, другими словами, разрушается до основания.

К счастью процесс коррозии не происходит мгновенно. Здания и самолеты не разваливаются от ржавчины моментально, как и другие железные бытовые предметы. К тому же люди постоянно изобретают новые способы максимально замедлить процесс коррозии.  

Способы защиты от коррозии 

В первую очередь для защиты металлов от коррозии стали создавать различные сплавы металлов. Кроме вышеуказанного хрома, в состав добавляли никель, молибден, титан, ниобий, серу, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием. Этот способ применяют до сих пор, но гораздо реже, так как он сложный, дорогостоящий и не всегда применим. 

Гораздо проще наносить на уже существующие металлы различные покрытия, которые создают барьер между поверхностью металла и окружающей средой, тем самым замедляя процесс коррозии. Изначально в качестве покрытий применяли обычные краски, но такой барьер служил недолго и не выдерживал сложных условий эксплуатации. 

В ходе множества проведенных исследований, ученые выяснили, что максимально замедлить процесс коррозии можно, если покрыть коррозирующий металл тонким слоем другого металла, который коррозирует очень медленно. Так железо стали покрывать оловом, хромом, никелем, медью.

В итоге, был найден оптимальный металл, покрывать которым было удобно, не дорого и эффективно – это цинк. Именно цинк коррозирует в 3 раза медленнее большинства металлов, а если наносить его правильным способом, то практически полностью останавливает коррозию на 25-50 лет.

 

Есть вопросы по выбору состава? Обращайтесь в представительство в вашем городе:

в Санкт-Петербурге: +7 (812) 603-41-53, +7 (921) 927-58-47  в других городах: 8 (800) 707-53-17 e-mail: info@terazinc.ru

Ржавчина

Цвет ржавчины
У этого термина существуют и другие значения, см. Ржавчина (значения).

Ржа́вчина — итог окисления металла, также общий термин для определения оксидов железа. В разговорной речи это слово применяется к красным оксидам, образующимся в ходе реакции железа с кислородом в присутствии воды или влажного воздуха. Есть и другие формы ржавчины, например, продукт, образующийся в ходе реакции железа с хлором при отсутствии кислорода. Такое вещество образуется, в частности, на арматуре, используемой в подводных бетонных столбах, и называется зелёной ржавчиной. Несколько видов коррозии различимы зрительно или с помощью спектроскопии, они образуются при разных внешних условиях.[1] Ржавчина состоит из гидратированного оксида железа(III) Fe2O3·nH2O и метагидроксида железа (FeO(OH), Fe(OH)3). При наличии кислорода, воды и достаточного времени любая масса железа в конечном итоге полностью преобразуется в ржавчину и разрушается. Ржавая поверхность не создаёт защиты для нижележащего железа, в отличие от патины, образующейся на медной поверхности.

Ржавчиной, как правило, называют продукт коррозии только железа и его сплавов, таких как сталь, хотя многие другие металлы тоже подвергаются коррозии.

Химические реакции

Толстый слой ржавчины на звеньях цепи возле моста Золотые Ворота в Сан-Франциско. Цепь постоянно подвергается воздействию сырости и солёных брызг, вызывающих разрушение поверхности, растрескивание и шелушение металла.

Причины ржавления

Если железо, содержащее какие-либо добавки и примеси (например, углерод), находится в контакте с водой, кислородом или другим сильным окислителем и/или кислотой, то оно начинает ржаветь.

Если при этом присутствует соль, например, имеется контакт с солёной водой, коррозия происходит быстрее в результате электрохимических реакций. Чистое железо относительно устойчиво к воздействию чистой воды и сухого кислорода.

Как и у других металлов, например, у алюминия, плотно приставшее оксидное покрытие на железе (слой пассивации) защищает основную массу железа от дальнейшего окисления.

Превращение же пассивирующего слоя оксида железа в ржавчину является результатом комбинированного действия двух реагентов, как правило, кислорода и воды. Другими разрушающими факторами являются диоксид серы и углекислый газ в воде. В этих агрессивных условиях образуются различные виды гидроксида железа.

В отличие от оксидов железа, гидроксиды не защищают основную массу металла. Поскольку гидроксид формируется и отслаивается от поверхности, воздействию подвергается следующий слой железа, и процесс коррозии продолжается до тех пор, пока всё железо не будет уничтожено, или в системе закончится весь кислород, вода, диоксид углерода или диоксид серы.[2]

Происходящие реакции

Покрытый ржавчиной и грязью болт. Заметна точечная коррозия и постепенная деформация поверхности, вызванная сильным окислением.

Ржавление железа — это электрохимический процесс, который начинается с переноса электронов от железа к кислороду.[3] Скорость коррозии зависит от количества имеющейся воды, и ускоряется электролитами, о чём свидетельствуют последствия применения дорожной соли на коррозию автомобилей. Ключевой реакцией является восстановление кислорода:

O2 + 4 e− + 2 H2O → 4 OH−

Поскольку при этом образуются гидроксид-анионы, этот процесс сильно зависит от присутствия кислоты. Действительно, коррозия большинства металлов кислородом ускоряется при понижении pH. Обеспечение электронов для вышеприведённой реакции происходит при окисления железа, которое может быть описано следующим образом:

Fe → Fe2+ + 2 e−

Следующая окислительно-восстановительная реакция происходит в присутствии воды и имеет решающее значение для формирования ржавчины:

4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2−

Кроме того, следующие многоступенчатые кислотно-щелочные реакции влияют на ход формирования ржавчины:

Fe2+ + 2 H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2 H+
Fe3+ + 3 H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3 H+

что приводит к следующим реакциям поддержания баланса дегидратации:

Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O
Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O
2 FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O

Из приведённых выше уравнений видно, что формирование продуктов коррозии обусловлено наличием воды и кислорода.

С ограничением растворённого кислорода на передний план выдвигаются железо(II)-содержащие материалы, в том числе FeO и чёрный магнит (Fe3O4).

Высокая концентрация кислорода благоприятна для материалов с трёхвалентным железом, с номинальной формулой Fe(OH)3-xOx/2. Характер коррозии меняется со временем, отражая медленные скорости реакций твёрдых тел.

Кроме того, эти сложные процессы зависят от присутствия других ионов, таких как Ca2+, которые служат в качестве электролита, и таким образом, ускоряют образование ржавчины, или в сочетании с гидроксидами и оксидами железа образуют различные осадки вида Ca-Fe-O-OH.

Более того, цвет ржавчины можно использовать для проверки наличия ионов Fe2+, которые меняют цвет ржавчины с жёлтого на синий.

Предотвращение ржавления

Отслаивающаяся краска обнажает участки ржавой поверхности листового металла.

Ржавчина является проницаемой для воздуха и воды, поэтому внутрилежащее железо продолжает разъедаться. Предотвращение ржавчины, следовательно, требует покрытия, которое исключает образование ржавчины. На поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующий слой оксида хрома(III). Подобное проявление пассивации происходит с магнием, титаном, цинком, оксидом цинка, алюминием, полианилином и другими электропроводящими полимерами.

Гальванизация

Хорошим подходом к предотвращению ржавчины является метод гальванизации, который обычно заключается в нанесении на защищаемый объект слоя цинка либо методом горячего цинкования, либо методом гальванотехники.

Цинк традиционно используется, потому что он достаточно дёшев, обладает хорошей адгезией к стали и обеспечивает катодную защиту на стальную поверхность в случае повреждения цинкового слоя. В более агрессивных средах (таких, как солёная вода), предпочтительнее кадмий.

Гальванизация часто не попадает на швы, отверстия и стыки, через которые наносилось покрытие. В этих случаях покрытие обеспечивает катодную защиту металла, где оно выступает в роли гальванического анода, на который прежде всего и воздействует коррозия.

В более современные покрытия добавляют алюминий, новый материал называется цинк-алюм. Алюминий в покрытии мигрирует, покрывая царапины и, таким образом, обеспечивая более длительную защиту.

Этот метод основан на применении оксидов алюминия и цинка, защищающих царапины на поверхности, в отличие от процесса оксидизации, как в случае применения гальванического анода. В некоторых случаях при очень агрессивных средах или длительных сроках эксплуатации применяются одновременно и гальванизация цинком, и другие защитные покрытия, чтобы обеспечить надёжную защиту от коррозии.

Катодная защита

Основная статья: Катодная защита

Катодная защита является методом, используемым для предотвращения коррозии в скрытых под землёй или под водой структурах путём подачи электрического заряда, который подавляет электрохимические реакции. Если её правильно применять, коррозия может быть остановлена полностью.

В своей простейшей форме это достигается путём соединения защищаемого объекта с протекторным анодом, в результате чего на поверхности железа или стали происходит только катодный процесс.

Протекторный анод должен быть сделан из металла с более отрицательным электродным потенциалом, чем железо или сталь, обычно это цинк, алюминий или магний.

Лакокрасочные и другие защитные покрытия

От ржавчины можно предохранять с помощью лакокрасочных и других защитных покрытий, которые изолируют железо из окружающей среды.

Большие поверхности, поделённые на секции, как например, корпуса судов и современных автомобилей, часто покрывают продуктами на основе воска. Такие средства обработки содержат также ингибиторы коррозии.

Покрытие стальной арматуры бетоном (железобетон) обеспечивает некоторую защиту стали в среде с высоким рН. Однако коррозия стали в бетоне всё ещё является проблемой.

Покрытие слоем металла

Ржавчина может полностью разрушить железо. Обратите внимание на гальванизацию незаржавевших участков.

• Оцинковка (оцинкованное железо/сталь): железо или сталь покрываются слоем цинка. Может использоваться метод горячего цинкования или метод цинкового дутья.
• Лужение: мягкая листовая сталь покрывается слоем олова. В настоящее время практически не используется из-за высокой стоимости олова.
• Хромирование: тонкий слой хрома наносится электролитическим способом на сталь, обеспечивая как защиту от коррозии, так и яркий, полированный внешний вид. Часто используется в блестящих компонентах велосипедов, мотоциклов и автомобилей.

Воронение

Воронение — это способ, который может обеспечить ограниченную устойчивость к коррозии для мелких предметов из стали, таких как огнестрельное оружие и др.

Способ состоит в получении на поверхности углеродистой или низколегированной стали или чугуна слоя окислов железа толщиной 1-10 мкм.

Для придания блеска, а также для улучшения защитных свойств окисной плёнки, её пропитывают минеральным или растительным маслом.

Снижение влажности

Ржавчины можно избежать, снижая влажность окружающего железо воздуха. Этого можно добиться, например, с помощью силикагеля.

Ингибиторы

Ингибиторы коррозии, как, например, газообразные или летучие ингибиторы, можно использовать для предотвращения коррозии в закрытых системах. Некоторые ингибиторы коррозии чрезвычайно ядовиты. Одним из лучших ингибиторов выступают соли технециевой кислоты.

Экономический эффект

Основная статья: Коррозия
Разрушенный Серебряный мост, вид со стороны Огайо.

Ржавчина вызывает деградацию изделий и конструкций, изготовленных из материалов на основе железа. Поскольку ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходное железо, её нарост ведёт к быстрому разрушению конструкции, усиливая коррозию на прилегающих к нему участках — явление, называемое поеданием ржавчиной. Это явление стало причиной разрушения моста через реку Мианус (штат Коннектикут, США) в 1983 году, когда подшипники подъёмного механизма полностью проржавели изнутри. В результате этот механизм зацепил за угол одной из дорожных плит и сдвинул её с опор. Ржавчина была также главной причиной разрушения Серебряного моста в Западной Вирджинии в 1967 году, когда стальной висячий мост рухнул меньше, чем за минуту. Погибли 46 водителей и пассажиров, находившихся в то время на мосту.

Мост Кинзу после разрушения.

Мост Кинзу в штате Пенсильвания был снесён смерчем в 2003 году в значительной степени потому, что центральные опорные болты, соединяющие сооружение с землёй, проржавели, из-за чего мост держался лишь под действием силы тяжести.

Кроме того, коррозия покрытых бетоном стали и железа может вызвать раскалывание бетона, что создает серьёзные конструкторские трудности. Это один из наиболее распространённых отказов железобетонных мостов.

См. также

• Коррозия
• Нержавеющая сталь
• Сталь кортеновская

Примечания

1. ↑ Interview, David Des Marais (неопр.) (недоступная ссылка). Архивировано 13 ноября 2007 года.
2. ↑ Holleman, A. F.; Wiberg, E. «Inorganic Chemistry» Academic Press: San Diego, 2001.

   ISBN 0-12-352651-5.

3. ↑ Hubert Gräfen, Elmar-Manfred Horn, Hartmut Schlecker, Helmut Schindler «Corrosion» Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH: Weinheim, 2002. DOI: 10.1002/14356007.

   b01_08

Ссылки

В Викисловаре есть статья «ржавчина»

• Corrosion Cost Сайт, посвященный изучению экономических последствий коррозии
• corrosion case studies Анализ коррозии
• Corrosion Doctors Статьи по коррозии
• Metal Corrosion Rust Что такое ржавчина

Почему ржавеет гвоздь?

Ржавый гвоздь, ржавый мост, ржавый забор, ржавый корабль. Почему всё железное ржавеет и что же такое ржавчина?

Алюминиевая руда — боксит — состоит из гидроксидов алюминия, оксидов железа и кремния. Внешне она совершенно не похожа на алюминий

Коррозия в сочетании с ошибками в конструкции привели к разрушению моста через реку Миссисипи в штате Миннесота (США) в августе 2007 года.

Даже к такому простому делу, как мытьё раковины, надо подходить с умом. Обширная питтинговая и язвенная коррозия кухонной мойки из нержавеющей стали вызвана неправильным подбором чистящих средств, которые содержат соединения хлора.

Коррозионное растрескивание нижней части корпуса стало причиной крушения самолёта «Боинг-737» компании «Элоу Эйрлайн» в апреле 1988 года.

‹

›

Давайте вспомним, откуда берётся железо или, например, алюминий. Правильно, их выплавляют из руды — железной, марганцевой, магниевой, алюминиевой и др. Металлы в рудах содержатся в основном в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов, сульфидов, то есть в виде химических соединений с кислородом, водой, серой и пр.

В природе в металлическом, или свободном, состоянии в основном можно встретить лишь золото, платину, иногда серебро. Эти металлы устойчивы, то есть не стремятся (или слабо стремятся) образовывать химические соединения. Наверное, по этой причине они получили название благородных.

Что же до подавляющего большинства металлов, то, чтобы они находились в свободном состоянии, их надо восстановить из природных рудных соединений, то есть выплавить. Выходит, выплавляя металл, мы переводим его из устойчивого состояния в неустойчивое.

Вот он и стремится вернуться в исходное состояние — окислиться. Это и есть коррозия — естественный для металлов процесс разрушения при взаимодействии с окружающей средой. Частный случай коррозии — ржавление — образование на железе гидроксида железа Fe(ОН)3.

Этот процесс может протекать только в присутствии влаги (воды или водяных паров).

Но почему же тогда не рушатся в одночасье мосты, не рассыпаются мгновенно самолёты и автомобили? Да и кастрюльки со сковородками не превращаются на наших глазах в рыжий, чёрный или серый порошок.

К счастью, реакции окисления металлов протекают не столь стремительно. Как и любой процесс, они идут с определённой скоростью, порою очень небольшой. Более того, есть много способов замедлить коррозию.

Плечо друга

Вы замечали, что на нержавеющей стали не бывает ржавчины, хотя её основу составляет то же самое железо, которое при окислении (в присутствии воды или водяного пара) превращается в рыжий мохнатый гидроксид. Тут есть одна хитрость: нержавеющая сталь — это сплав железа с другими металлами. Введение в металлические сплавы элементов для придания им тех или иных свойств называется легированием.

Основной легирующий элемент, который добавляют к обычной (углеродистой) стали, чтобы получить нержавеющую, — хром. Этот металл тоже стремится окислиться, что он с успехом и делает гораздо охотнее и быстрее, чем само железо. При этом на поверхности нержавеющей стали быстро образуется плёнка из оксида хрома.

В отличие от рыхлой ржавчины компактный тёмный оксид хрома не даёт агрессивным ионам окружающей среды проникать к поверхности металла, то есть оксид попросту прикрывает собой металл, и процесс коррозии прекращается. Такие оксидные плёнки называются защитными. В нержавеющих сталях хрома должно быть строго определённое количество, но не менее 13%.

Кроме хрома в нержавеющие стали часто добавляют никель, молибден, ниобий и титан.

Благодаря защитным плёнкам многие металлы неплохо выдерживают воздействие различных сред. Возьмём, к примеру, алюминиевую кастрюльку, в какой кипятят молоко или варят манную кашу. Обычно такая кастрюлька не блестит, подобно хрому или нержавеющей стали, и имеет слегка белёсый цвет.

Дело в том, что на алюминии, как и на других металлах, на воздухе всегда образуется белёсая оксидная плёнка (оксид алюминия), которая отлично защищает металл от коррозии. Такие плёнки называются пассивными, а металлы, на которых они самопроизвольно образуются, — пассивирующимися.

Если же алюминиевую кастрюльку почистить металлической щёткой, налёт исчезнет и появится металлический блеск. Но очень быстро поверхность вновь покроется плёнкой оксида алюминия и станет белёсой.

Укрощение активных

Перевести металл в пассивное состояние можно принудительным образом.

Например, железо помимо незащитных гидроксида железа или же низших оксидов (закиси и закиси-окиси) при определённых условиях образует высший оксид — окись железа (Fe2О3).

Этот оксид неплохо защищает металл и его сплавы при высоких температурах на воздухе, он же (одна из его форм) «ответственен», как считают специалисты, за пассивное состояние железных сплавов во многих водных средах.

Устойчивость нержавеющей стали в крепкой серной кислоте связана именно с пассивированием стали в этой весьма агрессивной среде.

Если же поместить нержавейку в слабый раствор серной кислоты, сталь начнёт корродировать.

Парадокс объясняется просто: крепкая серная кислота обладает сильными окислительными свойствами, благодаря чему на поверхности нержавеющей стали образуется пассивирующая плёнка, а в слабой кислоте не образуется.

В случаях, когда агрессивная среда недостаточно «окислительная», используют специальные химические добавки, помогающие образованию на поверхности металла пассивной плёнки. Такие добавки называют ингибиторами или замедлителями коррозии.

Не все металлы способны образовывать пассивные плёнки, даже принудительно. В этом случае добавление в агрессивную среду ингибитора, напротив, удерживает металл в «восстановительных» условиях, в которых его окисление подавляется (оно энергетически невыгодно).

Жертвоприношение

Искусственно поддерживать металл в «восстановительных» условиях можно и иным способом, ведь не всегда есть возможность добавить ингибитор. Возьмём, к примеру, обычное оцинкованное ведро.

Оно сделано из углеродистой стали, а сверху покрыто слоем цинка. Цинк — более активный металл, чем железо, значит, он охотнее вступает в химические реакции.

Поэтому цинк не просто механически изолирует стальное ведро от окружающей среды, но и «принимает огонь на себя», то есть корродирует вместо железа.

Похожим способом нередко защищают днища кораблей. Только их не покрывают сплошным слоем цинка, марганца или алюминия — это было бы очень дорого да и сложно, а прикрепляют к днищу солидный кусок более активного металла (протектора). В итоге протектор разрушается, а днище корабля остаётся целым и невредимым.

Для подземных коммуникаций «восстановительные» условия создают с помощью электрохимической защиты: накладывают на защищаемый металл отрицательный (катодный) потенциал от внешнего источника тока, так что на металле прекращается процесс окисления.

Однако зачем нужно столько разных сложных способов защиты металлов? Разве нельзя просто покрасить металл или нанести на него эмаль?

Во-первых, всё покрасить невозможно. А во-вторых… Возьмём для примера эмалированную кастрюлю или автомобиль. Если кастрюля, вырвавшись из рук, с грохотом упадёт на пол и отшибёт себе эмалированный бочок, то под отколовшейся эмалью будет зиять «чёрный глаз», края которого постепенно окрасятся в предательский рыжий цвет — скол покроется ржавчиной.

Не лучшая судьба ждёт и автомобиль, если вдруг в его лаковом боку (а чаще на стыке с днищем) образуется небольшая дырочка в слое лака. Этот канал поступления к корпусу агрессивных агентов — воды, кислорода воздуха, сернистых соединений, соли — немедленно заработает, и корпус начнёт ржаветь.

Вот и приходится владельцам автомобилей делать дополнительную антикоррозионную обработку.

Невидимый злодей

Так, может, проблема коррозии металлов решена? Увы, не всё так просто. Любые коррозиестойкие сплавы устойчивы только в определённых средах и условиях, для которых они разработаны.

Например, большинство нержавеющих сталей отлично выдерживают кислоты, щёлочи и очень «не любят» хлориды, в которых они часто подвергаются местным видам коррозии — язвенной, точечной и межкристаллитной. Это очень коварные коррозионные разрушения.

Конструкция из красивого, блестящего металла без намёка на ржавление может однажды рухнуть или рассыпаться. Всё дело в мельчайших точечных, но очень глубоких поражениях. Или же в микротрещинах, не видимых глазом на поверхности, но пронизывающих буквально всю толщу металла.

Не менее опасно для многих сплавов, не подверженных общей коррозии, так называемое коррозионное растрескивание, когда внезапно конструкцию пронизывает огромная трещина. Такое случается с металлами, испытывающими длительные механические нагрузки — в самолётах и вертолётах, в различных механизмах и строительных конструкциях.

Крушение поездов, падение самолётов, разрушение мостов, выбросы газа и разливы нефти из трубопроводов — причиной подобных катастроф нередко становится коррозия. Чтобы её укротить, предстоит ещё много узнать о сложнейших природных процессах, происходящих вокруг нас.

Детальное описание иллюстрации

V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся Старт в науке

Шохирев К.Е. 11Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей «Синтон»
Орт Г.М. 11Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей «Синтон»

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

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

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

• Цель исследовательской работы: изучение условий появления ржавчины и способов защиты от неё.
• Для достижения цели я поставил следующие задачи:
• 1) изучить литературу на интересующую тему: ржавчина, причина появления, способы защиты;
• 2) провести наблюдение за появлением ржавчины в разных условиях;
• 3) опытным путем предложить способы защиты от ржавчины;
• 4) провести сравнительный анализ проведённых наблюдений и опытов;
• 5) сделать выводы.
• В ходе работы выдвигаем гипотезы:
• Допустим, что при определённых условиях на металлическом предмете ржавчина появляется быстрее.
• Возможно, что масляная краска помогает защитить металлические предметы от ржавчины.
• Предмет исследования – ржавчина.
• Объект исследования – процесс ржавления и способы защиты железных предметов от ржавчины.
• Основная часть.

1.1. Ржавление металлов. Что это?

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

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

1.2. Вред, который наносит ржавчина.

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

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

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

Во-вторых, трубы, по которым происходит доставка воды, изготовлены из металла, подверженного коррозии.

При высокой концентрации ржавчины, на поверхности кухонной утвари, сантехники и нагревательных элементах в бытовой технике появляются трудновыводимые пятна, а при эксплуатации неполадки в работы.

Иногда такие отложения создают пробки, которые полностью перекрывают трубу, что может вызвать ее разрыв.

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

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

1.3.Способы защиты от ржавчины

1. Современная защита металлов от коррозии осуществляется следующими методами:
2. — разработка новых сплавов металлов;
3. — покрытие поверхности металла;
4. — понижение агрессивности окружающей среды.
5. Полностью предотвратить коррозию металлов невозможно, поэтому единственным путем борьбы с ней является поиск способов ее замедления. [5]
6. Таким образом, изучив литературу, я решил перейти к следующему этапу своей работы.
7. Проведение экспериментов позволит мне наблюдать за скоростью образования ржавчины при разных условиях на железном предмете, а также предложить способы его защиты.
8. 2. Экспериментальная часть

2.1. Безопасность и меры предосторожности.

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

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

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

2. Во время выполнения экспериментов необходимо обеспечивать проветривание комнаты.

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

4. Надеть защитные средства: фартук, перчатки.

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

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

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

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

• Подготовка к эксперименту (Приложение 1).
• Инструменты и материалы:
• — перчатки, фартук, клеенка на стол;
• — банки с пробками, в пробках отверстия под гвозди;
• — этикетки для банок;
• — железные гвозди (10шт., из которых 5 покрыты масляной краской);
• — растворы;
• — фотоаппарат.
• Закладка опыта: (Приложение 1).
• Подготовил растворы так, чтобы гвозди находились в растворах не полностью:
• — в банке №1 и № 1/1 гвозди находились в водопроводной воде;
• -в банке №2 и № 2/1 гвозди находились в солевом растворе (вода и поваренная соль);
• — в банке № 3 и № 3/1 гвозди находились в земле;
• — в банке № 4 и № 4/1 гвозди были в марганцовом растворе (вода и перманганат калия);
• — в банке № 5 и № 5/1 гвозди находились в кислом растворе (уксусная кислота).
• Ход и результат эксперимента в домашних условиях:

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

2.3. Эксперимент 1. Вода.

В эксперименте использовалась водопроводная вода (Приложение 3).

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

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

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

Таким образом, оба экземпляра в той или иной степени покрылись ржавчиной. Ошибка при окрашивании гвоздя (гвоздь окрашен не полностью) не позволила подтвердить мою гипотезу в полном объёме.

Однако, частично окрашенный гвоздь проржавел только в одном месте и препятствовал быстрому развитию процесса.

Также ржавчина на стекле банки доказывает, что ржавчина наносит вред не только предмету ржавления, но и предметам, находящимся в непосредственной близи.

2.4. Эксперимент 2. Солевой раствор.

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

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

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

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

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

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

2.5. Эксперимент 3. Земля.

В эксперименте использовалась земля (Приложение 4).

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

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

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

2.6. Эксперимент 4. Марганцовый раствор.

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

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

Наблюдение затруднено из-за мутного раствора.

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

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

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

2.7. Эксперимент 5. Кислый раствор (уксус).

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

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

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

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

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

2.8. Вывод по итогам экспериментов в домашних условиях.

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

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

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

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

1. Цель опыта: наглядно показать моим одноклассникам другие способы защиты металлических предметов от ржавления.
2. Подготовка к эксперименту.
3. Инструменты и материалы: клеенка на стол; чашка Петри; пипетка Пастернака; бумажная салфетка; 3 гвоздя (1 гвоздь покрыт подсолнечным маслом); солевой раствор; цинк; фотоаппарат.
4. Закладка опыта.
5. В чашку Петри на дно кладём бумажную салфетку, которую предварительно промачиваем в солевом растворе. По краям салфетки на расстоянии размещаем гвозди:
6. 1 экземпляр – гвоздь без обработки и дополнительной защиты;
7. 2 экземпляр – гвоздь, обработанный подсолнечным маслом;
8. 3 экземпляр – гвоздь, соприкасается с гранулами цинка.
9. Ход и результат эксперимента в классе (Приложение 7).

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

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

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

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

2.11. Эксперимент. Гвоздь, обработанный подсолнечным маслом.

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

2.12. Эксперимент. Гвоздь соприкасается с гранулами цинка.

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

Гипотеза подтвердилась: цинк защищает металлические предметы от ржавчины.

2.13. Выводы по экспериментам в классе.

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

Заключение

Благодаря данной работе я изучил такое явление как ржавчина, причины её появления и методы защиты металлов от ржавления. На мой взгляд, эта тема интересна и актуальна.

В современном мире нас окружают различные металлические предметы, оборудование, конструкции и сооружения – от гвоздика до кораблей и мостов. Всё это, так или иначе, подвергается коррозии.

Поэтому для людей разных профессий важно продлить срок службы этих предметов.

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

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

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

Библиографический список:

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

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

http://slovarozhegova.ru/

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

• Приложение 1
• Приложение 2
• Таблица
• описания и проведения экспериментов в домашних условиях

Начало эксперимента – 12.11.2017г.