Коррозия металлов. Защита от коррозии

В своей практике я широко использую элементы модульного обучения, сущность которого заключается в том, что ученик самостоятельно или с помощью учителя достигает конкретных результатов обучения при работе с модулем. Каждому ученику учитель выдает модуль, в котором указаны цели урока, учебная деятельность ученика в ходе освоения каждого учебного элемента, а также приведены учебные задания, вопросы, упражнения и рекомендации по их выполнению.

Данная система работы  имеет следующие особенности:

• создание модульной программы для учителя,  учащихся;
• наличие модулей с печатной основой для каждого ученика;
• самостоятельность в приобретении общеучебных, специальных умений с учетом индивидуальных особенностей обучаемых;
• большой объем самостоятельных работ за счет разноуровневых заданий, тестов, расчетных и экспериментальных задач, исследовательской работы;
• «мягкие» формы контроля: самоконтроль, взаимоконтроль, самоанализ, самокоррекция;
• разные формы организации деятельности: индивидуальная, парная (ППС, ПСС), групповая, коллективная.

Опыт использования модульной технологии показал ее привлекательность не только для учителя, но и для учащихся: позволяет каждому ученику выбирать свой темп изучения материала, достигать результата на доступном ему уровню,  работать в ситуации успеха, осваивать и совершенствовать не только общеучебные, но и специальные умения, что свидетельствует о формировании предметно-деятельностной компетентности. Учащиеся  самостоятельно умеют работать с разными источниками информации, составлять схемы, конспекты, рисунки, записывать уравнения химических реакций, решать расчетные и экспериментальные задачи, находить правильные пути выхода из сложных ситуаций, что ведет к совместной продуктивной деятельности педагога – ученика. В ходе модульных уроков неоднократно убеждаюсь, что учащиеся могут вести конструктивный обмен мнениями, понимать, логически рассуждать, сравнивать, анализировать, делать выводы   не только индивидуально, но и в коллективе, что говорит о формировании социальной и коммуникативной компетентностях.

В качестве примера предлагаю разработку модульного урока в 9 классе по теме
«Коррозия металлов. Защита от коррозии» (Химия.  9 класс: учебник для ОУ / О.С. Габриелян. – 14 изд. испр. – М.: Дрофа, 2008. – 270, [2] с.: ил.)

Модуль для ученика

 

Модуль для учителя

УЭ0

Интегрирующая цель: Сформировать представление о коррозии, ее видах, способах защиты от коррозии; объяснять процессы окисления и восстановления, протекающих на поверхности металла в результате коррозии. Помогать  учащимся проявлять  себя на высоком уровне творческой деятельности: выполнение исследовательской работы, блеф – игры, тестов. Способствовать формированию научного мировоззрения; воспитывать культуру труда, инициативность, уверенность в своих силах, самостоятельность у любого ученика. Условия работы:  1) стремление к цели; 2) относительно мягкий контроль; 3) успех рождает доверие. Формы работы: коллективная, парная, индивидуальная.

УЭ1 – Входной контроль: проверка знаний, умений, подготовка  к восприятию нового материала

Цель: проверить усвоение знаний о физических и химических свойствах металлов.

Задания  для всех

1. Какими общими физическими свойствами обладают металлы?
2. Заполните пропуски нужными словами:

Радиус атомов металлов________ радиуса атомов неметаллов. Во всех соединениях металлы имеют ________степени окисления. При комнатной температуре металлы находятся в __________агрегатном состоянии, за исключением ___________. Металлы обладают характерным ____________. Они  хорошо проводят ________ и __________. Самый тугоплавкий металл ___________,самый легкоплавкий ___________,самый  тяжелый ___________, самый легкий ___________.

3. Какими общими химическими свойствами обладают металлы?
4. Можно ли растворять медный купорос в оцинкованном ведре?
5. Будет ли серебро растворяться в растворе серной кислоты?
6.Тестовые задания с выбором одного правильного ответа (индивидуальная работа учащихся по вариантам)

Время выполнения теста  – 3  минуты

Правильные ответы на слайде.

Критерии оценки (самоконтроль): «5» – нет ошибок», «4» – одна ошибка.

УЭ 2 – Коррозия металлов

Цель: дать понятие о сущности процесса «коррозия»

1. Объяснение учителя с использованием презентации. Составление учащимися краткого конспекта по ходу рассказа учителя.

Учитель.  Сейчас мы совершим маленькое путешествие по миру: демонстрируя   фотографии  с символами городов мира: Кремль – это символ  г. Москвы, Статуя Свободы  и небоскребы – символы г. Нью-Йорка, шпили – символы г.Санкт-Петербурга, а Эйфелева башня – символ г.Парижа. Но в настоящее время башня неизлечима больна.
Как вы думаете, ребята, что это за болезнь?
Оказывается башня  изготовлена из обычной стали и неотвратимо ржавеет, разрушается, и только постоянная химиотермия  (лечение химическими веществами) помогает бороться с этим смертельным недугом: Эйфелеву башню красили уже 18раз, отчего ее масса увеличилась на 70 тонн.
Коррозия наносит не только прямой ущерб: ежегодно от коррозии теряется около трети мирового годового производства металла, но и косвенный: ведь разрушаются конструкции, на которые был затрачен труд (ржавеют машины, крыши,  памятники, мосты, тратятся огромные средства на борьбу с коррозией.
Что такое коррозия, какие факторы определяют ее протекание?

Демонстрация опыта:  В две пробирки налили  воды. В одной из них воду прокипятили.  Поместили в обе пробирки по очищенному наждачной бумагой железному гвоздю. Плотно закрыли пробирки резиновыми пробками, чтобы предотвратить новое растворение кислорода в прокипяченной воде. Наблюдаем, в какой из пробирок быстрее происходит коррозия железа. Учащиеся делают вывод. по результатам опыта.

Слово «коррозия» происходит от латинского слова  corrodere – разъедать.

Коррозия – это разрушение металлов под воздействием внешней среды. Коррозия – это окислительно-восстановительный процесс, при котором атомы металла переходят  в ионы. В роли окислителя, как правило, выступают кислород и ионы водорода.

2. Блеф-игра «Верите ли  вы, что …»

?... коррозия включает физические и химические процессы? (Ответ: Нет. Процессы физического разрушения к коррозии не относят, хотя часто они наносят неменьший вред памятникам культуры. Их называют  истиранием, износом, эрозией.)

?... слова «коррозия» и «ржавление» – это синонимы? (Ответ: Нет, ржавлением называют только коррозию железа м его сплавов. Другие металлы корродируют, но не ржавею.)

?... коррозия присуща только металлам? (Ответ: Нет, ей могут подвергаться камни, пластмассы и другие полимерные материалы, древесина. Например, от кислотных дождей катастрофически страдают памятники архитектуры, здания и скульптуры, выполненные из известняка или мрамора. Коррозии могут подвергаться и личностные качества человека – коррозия души, коррозия характера.)

Учащиеся разрешают поставленные перед ними  проблемные  ситуации.

Время обсуждения  – 4 минуты

3. Объяснение учителя нового материала о видах коррозии  с использованием презентации.

Учитель. По характеру взаимодействия металла и среды различают два основных вида коррозии: химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия – разрушение металла в результате окисления его в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. Например, окисление железа происходит под действием кислорода воздуха или кислорода, растворенного в воде.

Этап 1: железо окисляется до гидроксида  железа (II):

2 Fe⁰ + O⁰₂ + 2H₂O ––> 2Fe⁺²(O^–2H)₂
Fe⁰ – 2ê ––> Fe⁺²     /  восстановитель / окисляется
O⁰₂+ 4ê ––> 2O^–2    / окислитель / восстанавливается

Этап 2: окисление гидроксида железа (II) до метагидроксида железа (III)

4 Fe⁺²(OH)₂ + O⁰₂  ––> 4 Fe⁺³O (OH) + 2H₂O^–2
Fe⁺² – 1ê ––> Fe+3          восстановитель / окисляется
O⁰₂ + 4ê ––> 2 O^–2       окислитель/ восстанавливается

Этап 3: взаимодействие гидроксида железа (II) и метагидроксида железа (III):

Fe^(II)(OH)₂ + 2Fe^(III)O(OH) ––> (Fe^(II)Fe^(III)₂)O₄ + 2H₂O

Химическая коррозия протекает в средах,  не проводящих электрический ток (в газах, нефти), при высоких температурах, когда невозможна конденсация водяного пара. Ей подвергается арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, лопатки газовых турбин, аппаратура химической промышленности.

Электрохимическая коррозия – разрушение металла в результате возникновения гальванической пары и появления внутри системы электрического тока. Электрохимическая коррозия возникает при контакте двух металлов в среде электролита (в гальванической паре), электродами при этом являются сами металлы. При возникновении гальванической пары появляется электрический ток тем большей силы, чем дальше  стоят друг от друга металлы в электрохимическом ряду напряжений. При этом поток электронов идет от более активного металла к менее активному; более активный металл в этом случае разрушается (корродирует).

К электрохимической коррозии относятся все случаи коррозии в присутствии влаги. Электрохимическая коррозия распространена значительно шире, чем химическая. Ей подвергаются подводные части судов в морской и пресной воде, паровые котлы, металлические сооружения и конструкции под водой и в атмосфере, проложенные в грунте трубопроводы, оболочки кабелей и др.

УЭ3– Исследовательская работа по изучению скорости коррозии металлов.

Цель: исследовать вопрос о скорости  коррозии металлов, от чего зависит скорость коррозии, как это влияет ли на химическую или электрохимическую  коррозии; продолжить формирование умений проводить опыты, наблюдать, анализировать, делать выводы.

Оборудование и реактивы: 5 химических стаканов: 1 стакан – вода и железный гвоздь; 2 стакан – железный гвоздь и раствор хлорида натрия; 3 стакан – железный гвоздь с медной проволокой и раствор хлорида натрия; 4 стакан – оцинкованное железо и раствор хлорида натрия; 5 стакан – железный гвоздь, растворы хлорида натрия и гидроксида натрия; раствор красной кровяной соли, 5 чистых пронумерованных  пробирок.

Инструктаж по технике безопасности

Объект исследования – железный гвоздь

Опыт 1. Перед вами пять пронумерованных стаканов. Что наблюдаете? В каких стаканах железный гвоздь прокорродировал, а в каких –  нет? Объясните, что  происходит в каждом из стаканов.  Объясните, что усиливает коррозию, а что ее замедляет. Какие факторы могут вызвать коррозию? Определите тип коррозии в каждом стакане? Подготовьте вывод по результатам опыта.

(Стакан 1: железо слабо прокорродировало, в чистой воде коррозия идет медленнее, так как вода – слабый электролит. Наблюдаем химическую коррозию.
Стакан 2:  Скорость коррозии выше, так как взят раствор хлорида натрия, который является электролитом. Наблюдаем химическую коррозию.
Стакан 3: Железный гвоздь, находящийся в контакте с медной проволокой, опущен в раствор хлорида натрия. Скорость коррозии велика, образовалось много ржавчины. Значит,  раствор соли – сильнокоррозионная среда для железа, особенно в случае   контакта с менее активным металлом – медью. Наблюдаем электрохимическую коррозию.
Стакан 4: Так как железо находится в контакте с более активным металлом – цинком, то даже в сильнокоррозионной среде –  растворе хлорида натрия – не корродирует, остается защищенным до тех пор, пока не прокорродирует весь цинк.  Наблюдаем электрохимическую коррозию.
Стакан 5: Коррозия железа в данном случае практически отсутствует, потому что гидроксид натрия замедляет коррозию, а ионы ОН ^–  – ингибиторы.
Вывод:  Коррозию железа можно уменьшить с помощью гидроксида натрия и в случае контакта с цинком.)

Опыт  2. В каждую из пронумерованных пробирок налить  аккуратно небольшой объем раствора из каждого пронумерованного стакана, добавить небольшой объем раствора красной кровяной соли. Что наблюдаем? 
(В пробирках   4, 5 – ничего не наблюдаем;  в пробирках   2, 3  – образуется одинаковый синий осадок; в пробирке 1 – слабый осадок синего цвета,  что свидетельствует о качественной реакции  на ионы железа Fe²⁺ и  Fe³⁺).

Уборка рабочего места: аккуратно поставьте лоток со стаканами, штатив с пробирками около лотка, проверьте все ли реактивы стоят на месте.

 УЭ 4 – Способы защиты металлов от коррозии

Цель: Познакомиться со способами защиты металлов.

Задание: внимательно выслушайте сообщения  одноклассников о способах защиты  металлов от коррозии.

1 ученик. Защита металла более активным металлом – анодная защита. Например, в паре Zn – Fe (оцинкованное железо) защищено железо, в паре Sn – Cu защищена медь. К днищам кораблей прикрепляют протекторы – слитки металла более активного, чем обшивка днища корабля. Чаще всего это – протекторная защита с помощью цинка. Катодная защита – защита менее активным металлом (луженое железо). Особые  требования в данном случае – не допускать нарушения целостности покрытия. В борьбе с коррозией ученые и инженеры применяют более стойкие материал: алюминий, титан, различные сплавы, пластмассы. Благодаря тому, что на поверхности алюминия образуется тонкий слой оксида, предохраняющий расположенный под ним металлом дальнейшей коррозии, разрушается он не так быстро, как железо. Магний тоже защищен от коррозии пленкой оксида.   Хорошая  защитная пленка образуется на поверхности сплава железа с хромом. Эти сплавы и есть всем известная нержавеющая сталь. Из ее листов собрана всем известная скульптура Мухиной «Рабочий и колхозница» у северного входа на ВДНХ в Москве (слайд). А находящийся неподалеку от нее, у вестибюля метро, монумент в честь покорения космоса, сделанный в виде 99 – метрового шлейфа, изготовлен из отшлифованных  до блеска листов титана. Он простоит сотни лет. Из титана  сделан памятник Юрию Гагарину (слайд).

2 ученик. Отделение металла от агрессивной среды (окраска, смазка, покрытие лаками, эмалями). Ученые создали новое стеклокристаллическое покрытие, которое отличается стойкостью и способностью работать при более высокой, чем металлы, температуре

Использование замедлителей коррозии – ингибиторов. Чаще это органические вещества или неорганические соли (Na₂Cr₂O₇,  NaNO₃, SrCrO₄, PbCrO₄, ZnCrO).

Электрозащита – нейтрализация тока, возникающего при коррозии, постоянным током, пропускаемым в противоположном направлении. Защищаемую конституцию присоединяют к катоду внешнего источника тока, анод заземляют.
Так обычно защищают трубы нефтепровода, газопровода (слайд), ни в коем случае нельзя перепутать полюса тока, ошибки должны быть исключены.

3 ученик. Пассивация металлов. Пассивация – это образование на поверхности металла плотно прилегающего оксидного слоя, защищающего от коррозии. Например, железо пассивируют погружением изделия в концентрированную азотную кислоту. Пассивированное железо перестает взаимодействовать с кислотами с выделением водорода. Устранить пассивацию можно разрушением пленки. Иногда это достигается просто резким ударом по поверхности. Пассивация вызывается и другими сильными окислителями. Например, известно, что хранение лезвий безопасных бритв в растворе хромата калия K₂CrO₄ позволяет дольше сохранять их острыми. В ином случае, под действием влажного воздуха, железо окисляется и его поверхность покрывается слоем рыхлой ржавчины.

4 ученик.  Интересные сведения из истории

Любопытную технологию превращения слоя ржавчины в защитное покрытие удалось разработать индийским ученым. Для этого на стальное изделие, покрытое густым налетом ржавчины, наносят специальный состав, благодаря которому слой оксидов становится прочным панцирем черного цвета. Затем на него наносят краску, которая, кстати, держится на этом защитном слое надежнее, чем непосредственно на металлической поверхности. Теперь изделию коррозия не страшна.
В технике нашла применение и сама ржавчина как защитное средство. Например, освоена выплавка низколегированных сталей с малым содержанием никеля, хрома и меди. Подобная сталь быстро ржавеет, но под слоем опавшей ржавчины остается плотная черная пленка, которая крепко сцепляется с металлом и практически полностью защищает его от дальнейшей коррозии. Время, необходимое для образования защитного слоя колеблется от двух до четырех лет. После этого скорость коррозии уменьшается  и составляет от 2 до 35 мк в год в зависимости от условий. В обычных условиях лист  из такой стали  проржавел бы лишь на 0,3 мм.

УЭ 5 – Выходной контроль

Цель: проверить усвоение знаний о коррозии металлов и способах защиты.

Задание 1 (для всех)

1. Какой процесс отражает данное уравнение:  4Fe + 6H₂O + 3O₂ ––> 4 Fe(OH)₃

А) лабораторный способ получения гидроксида железа (III)
Б)  химическую коррозию
В) коррозию стали
Г)  электрохимическую коррозию.

2. Какой из сплавов легче подвергается коррозии:

А) Sn – Na
Б) AI – Si
В) АI – Cu
Г) Fe – C.

3. Какаяиз групп металлов наиболее химически активна:

А) Cu, Mg, Zn
Б)  AI, Cr, Fe
В) К, Na, Mg
Г) Сa, Sr, Ba.

4. Укажите, какие методы защиты от коррозии более  эффективны и приемлемы для стальных труб газопроводов?

А) покрытием битумом, стекловатой;
Б) никелирование, хромирование;
В) покраска масляной краской, покрытие битумом, стекловатой;
Г) протекторная  защита более активным металлом.

Задание 2 (для всех)

Какой компонент загрязненного городского воздуха наиболее коррозионно – активен по отношению к металлам, особенно при повышенной влажности: а) N₂;  б) СО;   в) SO₂.   Докажите ответ уравнениями  реакций.

Задание 3 (для всех)

Объясните химические процессы,  упоминаемые А.Ахматовой:

На рукомойнике моем
Позеленела медь,
Но так играет луч на нем,
Что весело глядеть.

Индивидуальная работа каждого ученикапо выполнению    УЭ5: учащиеся  выполняют  по возможности все задания.

Контроль:  проверяет и оценивает учитель

УЭ 6 – Рефлексия

Ответьте на вопросы. Выскажите свое мнение.

? Чему я научился сегодня на уроке?

? Доволен ли ты собой сегодня на уроке?

а)        б)        в)

? В чем польза этого урока для  тебя?

Спасибо за работу на уроке!

Домашнее задание: §10  упр. 1, 5, 6   стр. 51.