Цель: Дать понятия о коррозии металлов, познакомить учащихся со способами защиты металлов от коррозии.
Задачи
Образовательные
- Изучить сущность химической и электрохимической коррозии металлов;
- Закрепить представления об окислительно-восстановительных реакциях;
- Научить использовать приобретённые знания для объяснения явлений окружающей среды;
- Научить грамотному использованию металлических изделий;
- Проверить знания о строении металлов и их физических свойствах.
Развивающее
- Развить умения проведения химического эксперимента с соблюдением правил Техники безопасности;
- Развить умение проектирования химического эксперимента с учётом его наглядности и доказательства характера образующихся продуктов реакции.
Воспитательные
- Воспитание чувства собственного достоинства;
- Логического и образного мышления;
Тип урока: Изучение нового материала.
Методы и приёмы
- Элементы проблемно-модульного обучения;
- Проектная деятельность;
Опережающее задание группам учащихся;
Химический эксперимент
- Ученический демонстрационный эксперимент;
- Решение экспериментальных задач 1-4 типа;
- Лабораторные опыты.
Оборудование
- Таблицы “Коррозия металлов”;
- Оборудования для лабораторных опытов:
пластинка для капельного анализа,
гранулы Zn, проволока Cu, раствор HCl, растворы CuCl2, FeCl3, железная скрепка на медной проволочке, пробирка.
I. Вводное слово учителя
На прошлом уроке вы познакомились со строением и общими физическими свойствами металлов. Цель сегодняшнего урока познакомиться с общими химическими свойствами металлов и их ролью в окислительно-восстановительных реакциях.
Девиз урока: “Единственный путь, ведущий к знанию, - это деятельность”. (Б. Шоу)
Поэтому для лучшего усвоения темы урока мы будем действовать не только головой, но и руками.
II. Проверка домашнего задания
Тест №2. Свойства металлов. Текущий контроль по теме “Металлы”
Инструкция: выберите 1 правильный ответ, время выполнения теста 5 минут.
Вариант 1
| № | Вопрос | Варианты ответов |
| 1. | В химических реакциях металлы Ме0 выполняют роль | А) окислителей; Б) восстановителей; В) окислителей и восстановителей . |
| 2. | Неактивные металлы с водой… | А) реагируют при нагревании; Б) не реагируют; В) реагируют при нормальных условиях |
| 3. | К активным металлам относятся | А) Cu, Ag, Hg, Pb; Б) Ca, Вe, Na, Li; В) Ca, Na, Li, Ba.. |
| 4. | С кислородом воздуха легко взаимодействуют | А) железо, цинк, медь; Б) золото, ртуть, платиновые металлы; В) калий, кальций, франций. |
| 5. | С хлороводородной кислотой взаимодействуют при н.у. | А) литий, кальций, железо; Б) серебро, магний, медь; В) цинк, ртуть, никель. |
Правильный ответ:1-Б, 2-Б, 3-В, 4-В, 5-А. (ББВВА)
В качестве проверки домашнего задания предлагается тест:
Рассмотрите фотографии, рисунки, в которых используются металлические изделия и предметы в которых есть металлы, на каком свойстве основано применение металлов в данном случае
( лампочка, стеклорез, фен, монеты, молоток, провода и др.)
(Возможные ответы: ковкость, пластичность, прочность, металлический блеск, тепло- и электропроводность, долговечность, твёрдость, эстетичность.)
– А теперь найдите ответы на вопросы, которые нельзя отобразить визуально:
Почему нельзя использовать нож из алюминия?
Литий – самый лёгкий металл, почему нельзя из него сделать самолёт?
Почему в оцинкованном ведре нельзя варить борщ или щи?
III. Изучение нового материала
Полученные ответы свидетельствуют о том, что для рационального использования металлов следует учитывать не только физические, но и химические свойства металлов.
Для каждого металла характерны как индивидуальные, так и общие с другими представителями этого класса веществ, свойства. Но у металлов есть и враг, который приводит к огромным безвозвратным потерям металлов, ежегодно полностью разрушается около 10% производимого железа. По данным Института физической химии РАН, каждая шестая домна в России работает впустую – весь выплавляемый металл превращается в ржавчину. А как по другому называется этот процесс? –Коррозия.
Итак, тема нашего урока: “Коррозия”
Путеводителем в сегодняшнем заседании будет фрейм проблемы, который у каждого из вас лежит на столе. На листе фрейма вы видите, кроме цели урока и решаемой проблемы, опорный конспект.
Опорный конспект:
Слово коррозия происходит от латинского corrodere, что означает разъедать. Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, но ей подвергаются также камни, пластмассы и другие полимерные материалы и дерево. Например, в настоящее время мы являемся свидетелями большого беспокойства широких слоев людей в связи с тем, что от кислотных дождей катастрофически страдают памятники (здания и скульптуры), выполненные из известняка или мрамора.
Таким образом, коррозией называют самопроизвольный процесс разрушения материалов и изделий из них под химическим воздействием окружающей среды. Процессы физического разрушения к коррозии не относят, хотя часто они наносят неменьший вред памятникам культуры. Их называют истиранием, износом, эрозией.
. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы корродируют, но не ржавеют. Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.
В природе, хотя и очень редко, но встречается самородное железо. Его происхождение считают метеоритным, т.е. космическим, а не земным. Поэтому первые изделия из железа (они изготавливались из самородков) ценились очень высоко – гораздо выше, чем из серебра и даже золота.
В результате коррозии железо ржавеет. Этот процесс очень сложен и включает несколько стадий. Его можно описать суммарным уравнением:
4Fe + 6H2O (влага) + 3O2 (воздух) = 4Fe(OH)3
Ребята, а что является символом Парижа? –Эйфелева башня. Она неизлечима больна, ржавеет и разрушается, и только постоянная химиотерапия помогает бороться с этим смертельным недугом: Её красили 18 раз, отчего её масса 9000 т каждый раз увеличивается на 70 т.
А подвергается ли коррозии Алюминий? Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.
Учитель показывает детям старинные монеты: Почему серебро не подвергается коррозии, а медь зеленеет? Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.
Многие неопытные химики в разное время были озадачены тем, что иногда реакция
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
описанная во всех учебниках, не идет. Более опытные химики знают, что в такой ситуации в раствор нужно добавить немного сульфата меди (П) (медного купороса). В этом случае на поверхности цинка выделится медь: CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu
и водород начнет бурно выделяться. При объяснении данного явления в 1830 г. швейцарским химиком А. де-ля Ривом была создана первая электрохимическая теория коррозии.
Вскоре после открытия итальянцем Л. Гальвани электрохимического явления его соотечественник А. Вольта сконструировал (1800) источник электрического тока (гальванический элемент), что открыло человечеству эру электричества.
Опыт:
Каждый металл имеет свое значение стандартного электродного потенциала. Его величиной является ЭДС. Её можно вычислить по разности стандартных электродных потенциалов Е0. ЭДС всегда положительная величина. Поэтому надо из потенциала электрода, имеющего большую алгебраическую величину, вычитать потенциал электрода, алгебраическая величина которого меньше. В качестве примера вычислим ЭДС элемента, составленного из электродов цинка и меди, в растворах их солей при стандартных условиях. Находим в таблице 4 стандартные электродные потенциалы металлов:
Е0Zn2+/Zn= -0,763 В, Е0Cu2+/Cu= +0,337 В.
Е=0,337-(-0,763)=1,1В.
Решить задачу, которая имеется у вас в опорном конспекте.
Способы защиты от коррозии.
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали.
Широко распространенным способом защиты металлов от коррозии является покрытие их слоем других металлов. Покрывающие металлы сами корродируют с малой скоростью, так как покрываются плотной оксидной пленкой: например 3CrCl2 + 2Fe – [1000°C] > 2FeCl3 + 3Cr
Металлические покрытия делят на две группы: коррозионностойкие и протекторные. Например, для покрытия сплавов на основе железа в первую группу входят никель, серебро, медь, свинец, хром. В электрохимическом ряду напряжений металлов они стоят правее железа. Во вторую группу входят цинк, кадмий, алюминий. По отношению к железу они более электроотрицательны, т.е. в ряду напряжений находятся левее железа.
В повседневной жизни человек чаще всего встречается с покрытиями железа цинком и оловом. Листовое железо, покрытое цинком, называют оцинкованным железом, а покрытое оловом – белой жестью. Первое в больших количествах идет на кровли домов, а из второго изготавливают консервные банки. И то и другое получают главным образом протягиванием листа железа через расплав соответствующего металла. Для большей стойкости водопроводные трубы и арматуру из стали и серого чугуна часто подвергают оцинковыванию также окунанием в расплав данного металла. Это резко повышает срок их службы в холодной воде. Интересно, что в теплой и горячей воде срок службы оцинкованных труб может быть даже меньше, чем неоцинкованных.
Иногда зубные коронки, изготовленные из различных металлов (золота и стали) и близко расположенные друг к другу, доставляют их носителям неприятнейшие болевые ощущения. Поскольку слюна является электролитом, эти коронки образуют гальванический элемент. Электрический ток протекает по десне и вызывает зубную боль.
Пассивация металлов.
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. Специалисты говорят, что в крепких растворах этих кислот железо пассивируется. Еще в 1836 г. знаменитый английский химик М. Фарадей высказал предположение, что причиной пассивации является образование на поверхности металла плотной оксидной пленки. В свое время на это предположение не обратили должного внимания. Лишь через 100 лет эти взгляды возродил и развил известный русский ученый В.А. Кистяковский. После него этот взгляд на пассивацию оформился в виде теории. Согласно ей при пассивации на поверхности металла образуется сплошная и плотная оксидная (реже хлоридная, сульфатная, фосфатная) пленка толщиной в несколько десятков нанометров.
Ингибиторы коррозии металлов.
Применение ингибиторов – один из эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах (в атмосферных, в морской воде, в охлаждающих жидкостях и солевых растворах, в окислительных условиях и т.д.). Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их. Название ингибитор происходит от лат. inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате чего растворялись лишь окалина и ржавчина.
Вопрос?
Колосс Родосский и затонувшая яхта миллионера.
В III до нашей эры на острове Родос был построен маяк в виде огромной статуи Гелиоса.
Колосс Родосский считался одним из семи чудес света, однако просуществовал всего 66 лет и рухнул во время землетрясения. В 20 годы ХХ в. по заказу одного миллионера была построена роскошная яхта “Зов моря”. Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя. Ученые считают, что в обоих случаях причиной произошедших событий были окислительно-восстановительные процессы. .Какие именно?
Ответ: Причиной была контактная коррозия. Днище яхты было обшито медно-никелевым сплавом, а рама руля, киль и другие детали изготовлены из стали. Когда яхта была спущена на воду. Возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода- днища, стального анода и электролита – морской воды. В результате судно затонуло, ни сделав ни одного рейса.
У Колосса Родосского бронзовая оболочка была смонтирована на железном каркасе. Под действием влажного, насыщенного солями средиземноморского воздуха железный каркас разрушился.
IV. Выводы
V. Домашнее задание