Коррозия металлов

• сформировать представление у школьников о сущности коррозии металлов;
• создать условия наглядности при помощи средств ИКТ.

Образовательные:

• познакомить учащихся с коррозией металлов;

• рассмотреть классификацию коррозии по различным признакам;
• объяснить процессы окисления-восстановления, протекающие на
• поверхности металла в результате коррозии.

Развивающие:

• развить практические умения по защите металлов от коррозии в быту;
• создать условия для развития навыков логического мышления и обобщения;
• развить умения применять ИКТ.

Воспитательные:

• научить применять свои знания на практике;
• вырабатывать у школьников познавательную активность, интерес к предмету.

Тип урока: урок изучения и первичного закрепления новых знаний.

Урок сопровождается демонстрационными опытами.

• Компьютер
• Проектор
• Экран
• лабораторное оборудование
• цинк, медь, железо, растворы хлорида натрия, гидроксида натрия, вода.

Коррозия металлов (слайд№1).

В народном хозяйстве используется огромное количество металлических материалов в виде различных изделий. Но металлы и сплавы на основе металлов, приходя в соприкосновение с окружающей их средой, подвергаются разрушению. Причина этого разрушения лежит в химическом взаимодействии: металлы вступают в окислительно-восстановительные реакции с веществами, находящимися в окружающей среде, и окисляются.

Самопроизвольное разрушение металлических материалов под воздействием окружающей среды называется коррозией (слайд №2).

Проблема: Ежегодно из-за коррозии безвозвратно теряются огромные количества металла, более 20 миллионов тонн. Еще больший вред связан с порчей металлических изделий, вызываемой коррозией.

Коррозия вызывает серьезные экологические последствия. Утечка газа, нефти и других опасных химических продуктов из разрушенных коррозией трубопроводов приводит к загрязнению окружающей среды, что отрицательно воздействует на здоровье и жизнь людей. Для успешного решения этой проблемы необходимо знать механизм процессов, приводящих к разрушению металлов.

Механизм окислительно-восстановительных реакций зависит от того, в какой среде они происходят, в связи с этим различают два основных вида коррозии: химическую и электрохимическую.

3 слайд: Химическая (или газовая) коррозия– это разрушение металлов в результате их химического взаимодействия с веществами окружающей среды.

Химическая коррозия часто наблюдается в процессе обработки металлов при высоких температурах. Ей подвергаются арматура печей, детали двигателей внутреннего сгорания, аппаратура химических производств и т.д. При химической коррозии происходит взаимодействие металла с газами, находящимися в составе среды. Чаще всего это кислород. Металл окисляется, и на его поверхности образуются различные соединения:

2Zn⁰ + O_{2 —>} 2Zn⁺²O

Большинство металлов окисляется кислородом воздуха, образуя на поверхности оксидные пленки, Если эта пленка прочная, плотная, хорошо связана с металлом, то она защищает металл от дальнейшего разрушения. Такие защитные пленки появляются у Zn, Al, Cr, Ni, Sn, Pb, Nb и др. У железа она рыхлая, пористая, легко отделяется от поверхности металла и не способна защитить его от дальнейшего разрушения (слайд № 4).

Сообщение ученика: Для изготовления аппаратуры, подвергающейся газовой коррозии, применяют жаростойкие сплавы из чугуна и стали. В их состав вводят хром, кремний, алюминий; применяются также сплавы на основе никеля или кобальта. Для предотвращения коррозии, поверхность изделия, в горячем состоянии насыщают некоторыми металлами, обладающими защитным действием (например, алюминием или хромом). Таким образом, создают на поверхности защитную пленку, т.е. металл пассивируют.

Однако наибольший вред приносит электрохимическая коррозия.

5 слайд: Электрохимическая коррозия– это разрушение металлов в среде электролита с возникновением в системе электрического тока.

Как правило, металлы и сплавы неоднородны, содержат различные примеси. При их контакте с электролитами одни участки поверхности начинают выполнять роль анода, а другие роль катода. В этом случае образуется гальванический элемент, электродами которого и являются металлы, находящиеся в растворе электролита. Возникает электрохимический процесс, т.е. наряду с химическими процессами (отдача электронов), протекают и электрические (перенос электронов от одного участка к другому).

Электрохимическая коррозия протекает в присутствии влаги. Ей подвергаются подводные части судов в морской и пресной воде, паровые котлы, металлические сооружения и конструкции под водой и в атмосфере.

Проблемная ситуация: Предположим, что железные листы соединили друг с другом медными заклепками. Эта конструкция оказалась на улице большого промышленного города под дождем.

Почему произошло разрушение железного листа при контакте с медными заклепками? (слайд №6). Рассмотрим электрохимический ряд напряжений металлов (слайд №7). Все металлы по химической активности располагают в ряд, которым пользуются для предвидения результатов реакции.

При возникновении гальванической пары сила возникающего электрического

тока тем больше, чем дальше стоят металлы друг от друга в ряду напряжений. При этом поток электронов от более активного металла идет к менее активному металлу. Более активный металл (железо), расположенный в ряду напряжений левее, будет разрушаться (т.к. является анодом), предохраняя тем самым менее активный металл от коррозии (медь).

Коррозионные процессы весьма разнообразны, рассмотрим их протекание в различных средах электролита (слайд №8).

В кислотной среде атомы железа отдают электроны, которые переходят к меди и на ее поверхности соединяются с ионами водорода, выделившимися из компонентов среды. На катоде идет процесс восстановления ионов водорода с образованием газообразного водорода.

В щелочной или нейтральной среде идет восстановление кислорода, растворенного в воде с образованием OH^-. Далее катионы железа и гидроксид-ионы соединяются с образованием неустойчивого гидроксида железа (II), который далее окисляется до оксида железа (III).

При использовании металлических материалов очень важен вопрос о скорости их коррозии. От чего зависит скорость коррозии? (слайд №9).

Перед вами 5 пронумерованных стаканов.

В 1-ом стакане железный гвоздь находится в воде.

Во 2-ом стакане железный гвоздь в растворе хлорида натрия.

В 3-ем стакане к железному гвоздю прикрепили медную проволоку и они находятся в растворе хлорида натрия.

В 4-м стакане железный гвоздь находится в контакте с цинком, и они помещены в раствор хлорида натрия.

В 5-ом стакане железный гвоздь находится в растворах хлорида и гидроксида натрия.

Давайте сравним полученные результаты и объясним результаты эксперимента (демонстрация приготовленного за несколько дней опыта по коррозии).

Проблема: Почему в одних случаях коррозия усиливается, а в других замедляется? Объясните процессы, происходящие в каждом стакане.

Объяснения учеников:

В стакане №1 – железо прокорродировало слабо, в чистой воде коррозия идет медленно. Мы наблюдаем химическую коррозию.

В стакане №2 – идет химическая коррозия, но здесь скорость коррозии выше, чем в 1-ом стакане, следовательно, хлорид натрия – увеличивает скорость коррозии.

В стакане №3– мы наблюдаем электрохимическую коррозию (железо находится в контакте с медью). Скорость коррозии высока, т.к. раствор хлорида натрия – сильный электролит.

Суммарное уравнение: Fe⁰ + 2H⁺ Fe²⁺ + H₂ ⁰

В стакане №4– также идет коррозия, но не железа, а цинка, т.к. железо менее активный металл является катодом, а цинк анодом:

В стакане №5 – железо практически не подвергается коррозии, следовательно, гидроксид натрия – замедляет коррозию, гидроксид-ионы являются ингибиторами, т.е. замедляют коррозию.

Вывод: Катионы водорода и растворенный в воде кислород – важнейшие окислители, вызывающие электрохимическую коррозию. Скорость коррозии тем больше, чем сильнее отличаются металлы по своей активности (т.е. чем дальше друг от друга они расположены в ряду напряжений металлов).

Для предупреждения коррозии и защиты от нее применяются разнообразные методы (слайд №10).

1. Шлифование поверхностей изделия – чтобы на них не задерживалась влага.
2. Приготовление химически стойких сплавов (сплавы, содержащие хром, никель, которые при высокой температуре на поверхности металла образуют оксидный слой), нержавеющие стали, из которых изготавливают детали машин, инструменты, посуду (ножи, вилки…).
3. Нанесение защитных покрытий.
• Неметаллические – неокисляющиеся масла, специальные лаки, краски, эмали.
• Химические – искусственно создаваемые поверхностные пленки: оксидные, нитратные, фосфатные, полимерные и другие. Например, железо пассивируют погружением в концентрированную азотную кислоту_.
• Полимерные покрытия изготавливают из полиэтилена, полихлорвинила, полиамидных смол. Наносят их двумя способами: нагретое изделие помещают в порошок полимера, который плавится и приваривается к металлу, или поверхность металла обрабатывают раствором полимера в низкокипящем растворителе, который быстро испаряется, а полимерная пленка остается на изделии.
• Металлические.

Сообщение ученика: В качестве металлов для покрытия обычно применяют металлы, образующие на своей поверхности защитные пленки. К таким металлам относятся хром, никель, цинк, кадмий, алюминий, олово и некоторые другие. Реже применяются металлы, имеющие высокий электродный потенциал – серебро, золото. Чаще всего металлические покрытия наносят с помощью гальванотехники.

Никелевые покрытия нарядны, стойки, прочны. Поэтому никелирование – самый распространенный в гальванотехнике процесс.

4.Электрохимические методы

• Протекторная (анодная) – к защищаемой металлической конструкции, присоединяют кусок более активного металла (протектор), который служит анодом и разрушается в присутствии электролита, В качестве протектора при защите корпусов судов, трубопроводов, кабелей и других металлических изделий используют магний, алюминий, цинк.
• Катодная – металлоконструкцию подсоединяют к катоду внешнего источника тока. Происходит электрозащита – нейтрализация тока, возникающего при коррозии, постоянным током, пропускаемым в противоположном направлении.

5.Подавление влияния коррозионной среды.

• Введение веществ – ингибиторов, замедляющих коррозию (нитрит натрия, хромат и дихромат калия, фосфаты натрия и другие). Защитное действие этих веществ обусловлено тем, что они адсорбируются на поверхности металла и каталитически снижают скорость коррозии, а некоторые из них (хроматы и дихроматы) переводят металл в пассивное состояние.
• Удаление растворенного в воде кислорода (деаэрация).

Таким образом, металлы и сплавы можно защищать от коррозии двумя способами: изоляцией поверхности металла от среды и искусственным повышением коррозионной стойкости путем замедления процессов коррозии.

Наиболее распространенные типы и виды коррозии можно представить с помощью схемы (слайд № 11).

Для закрепления материала ответьте на следующие вопросы:

1. Какой вид коррозии приносит больший вред?
2. Почему луженый бак в местах повреждения быстро ржавеет, а оцинкованный при тех же условиях не разрушается?
3. Почему считают, что рядом со стальной коронкой не рекомендуется ставить золотую?

Приложение 1

Приложение 2