Методическая разработка урока на тему:
«Химическая и электрохимическая коррозия металлов».
Гуриева Л.Т.
г. Владикавказ.
Тема урока: химическая и электрохимическая коррозия металлов.
Познавательная цель урока: дать учащимся понятие о коррозии металлов, её видах и способах защиты от коррозии. Показать химизм процесса.
Развивающая цель урока: оценить значение современных технологий изготовления легированных сплавов и других средств защиты от коррозии для современной автомобильной промышленности.
Воспитательная цель урока: Показать отрицательное значение коррозии для промышленности, в частности автомобильной, указать на разрушающую роль коррозии и борьбу с ней.
Ход урока
I.Актуализация знаний учащихся.
Тестирование.
Тест на тему: металлы. Физические и химические свойства металлов.
Какой из ионов металлов по строению внешнего уровня будет похож на благородный газ?
а) Fe³+
б) Zn²+
в) Са²+
г) Li+
2. Какие из металлов легче взаимодействуют с водой?
а) Ag
б) Na
в) Zn
г) Cu
3. Расположите металлы по степени увеличения их химической активности.
а) Na
б) Fe
в) Ag
г) Cu
4. Какой из металлов имеет строение атома 1/8/2.
а) Al
б) Cu
в) Na
г) Mg
5. По какому принципу расположены металлы в ряду напряжения металлов.
а) по строению атома;
б) в порядке уменьшения химической активности;
в) в порядке увеличения химической активности;
г) в порядке увеличения атомных масс.
6. Какой из металлов в наибольшей степени обладает металлическим блеском?
а) Au
б) Cu
в) Al
г) Ag
Фронтальный опрос. (вопросы).
Где в периодической системе расположены металлы?
Какое количество электронов характерно для внешнего уровня металлов и о чем это говорит?
Перечислить, с какими веществами взаимодействуют металлы?
Перечислить, с какими неметаллами могут взаимодействовать металлы?
Написать на доске уравнение взаимодействия железа с кислородом и объяснить его.
Может ли оксид железа перейти в гидроксид Fe (III). Как?
Написать уравнение реакции образования гидроксида железа (III).
II. Изучению нового материала.
Мы повторили свойства металлов, а из жизненного опыта мы знаем, что металлы, приходя в соприкосновение с внешней средой, в той или иной мере, и с различной скоростью, подвергаются разрушению. Вот этим вопросом мы и займемся сегодня. Тема нашего урока «Химическая и электрохимическая коррозия металлов». Записываем тему.
Так что же такое коррозия? ( слайд №1)
Самопроизвольное разрушение металлических материалов, происходящее под химическим воздействием окружающей среды называют коррозией, (слайд №2) от латинского corrodere – разъедать. В основном этот процесс происходит под воздействием кислорода воздуха и воды. ( слайд №3)
Коррозия бывает двух видов – химическая ( слайд №4) и электрохимическая. ( слайд №5)
Химическая коррозия происходит под воздействием кислорода и воды.
( слайд №6)
4Fe0+3O2 = 2Fe2O3
4Fe0+3O2+6H2O = 4Fe3+(OH)3↓
Электрохимическая коррозия (слайд №7) возникает в том случае, если во внешней среде находятся два соединенных друг с другом металла с различной химической активностью. (слайд №8).
Давайте рассмотрим, что же происходит с металлами при коррозии.
Если чистое железо имело степень окисления «0», то после коррозии степень окисления его становится «+3». О чем это говорит? Коррозия металлов это окислительно-восстановительный процесс, при котором атомы металлов окисляются. Окислителем выступает кислород О2, а также ионы водорода Н+, образующиеся при диссоциации воды.
При электрохимической коррозии между двумя металлами возникает гальванический элемент, (задается вопрос об аккумуляторе) в котором начинает окисляться более сильный и активный металл. Теперь рассмотрим результаты заложенных нами опытов. Выясняется, что есть вещества ускоряющие коррозию, например соль, или конкретно хлорид ионы Cl-. Есть вещества, замедляющие коррозию, например щелочь, вернее гидроксид ионы ОН-. При электрохимической коррозии разрушается более сильный металл, а у слабого коррозия замедляется или вовсе прекращается. В нашем случае корродирует железо, как более активный металл, чем медь. Но если соединить железо с цинком, то корродировать будет цинк, тем самым, защищая железо от разрушения.
Общая масса металлов, используемых в виде различных изделий в мировом хозяйстве, очень велика. Поэтому, несмотря на то, что скорость коррозии обычно мала, ежегодно из-за коррозии мировая потеря металла составляет 20 миллионов тонн. ( слайд №9) Но еще большие убытки приносит не потеря металла, а порча изделий из него. Затраты на ремонт или замену деталей судов, автомобилей, приборов, аппаратуры химических производств во много раз превышают их стоимость. Существуют и косвенные потери: утечки нефти или газа из поврежденных коррозией трубопроводов, порчу продуктов питания, потерю здоровья, а иногда и жизни людей, и т.д. Поэтому на защиту от коррозии тратятся большие средства, ибо защита от коррозии – важнейшая проблема. Какие же меры и средства защиты от коррозии вы могли бы предложить? Предлагаются различные способы.
Резюме:
Для защиты от коррозии применяются:
1. Покрытие металлов красками, лаками, смазками, полимерными пленками. (слайд №10)
2. Механическая обработка: шлифовка, полировка.
3. Создание химически чистых металлов. ( слайд №11)
4. Защитное покрытие одних металлов другими: хромирование, никелирование, анодирование. ( слайд №12)
5. Оцинкование и лужение Fe, Cu.
6. Использование ингибиторов.
7. Создание сплавов (нержавеющая сталь).
8. Протекторная защита, когда возле труб находящихся в земле, располагаются куски активного металла, например Mg. С судов стоящих на рейде так же сбрасывают кусок магния, соединенным с днищем( слайд№13)
III.Закрепление.
Что такое коррозия?
О каких видах коррозии мы узнали?
Как можно объяснить коррозию с точки зрения окисления – восстановления.
Как влияет на коррозию окружающая среда.
Как защитить металлы от коррозии?
Знаете ли вы что?
С того момента, как человек стал использовать железо в производстве транспортных средств и всевозможных металлоконструкций, коррозия, воздействие которой приводит к серьезным убыткам, начала привлекать внимание исследователей. Это произошло в 30-х годах 20 века, когда автомобильная промышленность развивалась весьма активно. Коррозия является достаточно сложным процессом. Но, даже не углубляясь в основы химии, можно понять его причины. С точки зрения обывателя, коррозия превращает железо в ржавчину. Этот процесс происходит в обязательном присутствии двух компонентов – воды и кислорода. Очевидно, что оба эти вещества в избытке находятся в атмосфере и полностью изолировать металл от их воздействия практически невозможно. Воду (вместе с растворенными в ней различными элементами) часто называют электролитом. На скорость протекания коррозии могут влиять и другие обстоятельства. К примеру, соль, а вернее, ионы хлора, равно как и примеси промышленных выбросов, является мощным ускорителем коррозии. А если учесть, что в зимний период дороги крупных городов нашей страны регулярно обрабатываются теми или иными реагентами на основе различных солей, то можно понять, почему в России так актуальна проблема антикоррозионной защиты автомобилей. Но не только присутствие тех или иных химических элементов влияет на скорость протекания коррозии. К примеру, она увеличивается при росте влажности или температуры, что накладывает ограничения на функционирование выхлопной системы, моторного отсека и плохо вентилируемых скрытых полостей. Коррозия автомобильного кузова имеет много специфических особенностей. Известно, что различные его участки корродируют с разной скоростью, т.к. при эксплуатации находятся в разных условиях. Одно из основных уязвимых мест — сварные швы, с помощью которых конструкция сохраняет свою форму. Именно там чаще всего и возникают очаги ржавчины. Дело в том, что в местах сварки всегда есть микротрещины, которые без труда заполняются влагой. В механизме щелевой коррозии важную роль играют вибрации автомобиля при езде, а также перепады температур в зимний период. В последнем случае влага, превращаясь в лед, увеличивает щель, т.к. в твердом состоянии занимает уже больший объем. Поэтому в следующий раз образовавшийся зазор заполнится большим количеством воды, которая, замерзнув, снова его увеличит. Такой, казалось бы, незатейливый циклический процесс, в конечном счете, приводит к серьезным последствиям. Следует также отметить, что коррозионная стойкость стали в местах швов существенно ниже из-за воздействия высокой температуры в момент сварки, как на саму сталь, так и на гальваническое покрытие в случае его наличия. Автомобильный кузов в силу своих конструктивных особенностей обладает большим количеством внутренних полостей. Мало того, что они скрыты от глаз автомобилиста (это часто приводит к позднему обнаружению ржавчины), так еще и плохо вентилируются. В результате там скапливается вода и прочие пагубные для металла вещества и образуется зона повышенной влажности. Так что коррозия в скрытых полостях протекает особенно быстро и, что самое опасное, незаметно. Еще одно уязвимое для коррозии место автомобильного кузова — поверхность днища. И это вполне очевидно, т.к. постоянное механическое воздействие щебня и песка вместе с водой и солью, в избытке летящих из-под колес, в состоянии «пробить» даже надежные защитные покрытия. Работа двигателя и выхлопной системы автомобиля также может спровоцировать появление ржавчины, т.к. функционирование данных узлов связано с существенным повышением температуры. Таким образом, современный автомобиль, обладая сложной конструкцией кузова, весьма сильно подвержен воздействию коррозии. Причем, с точки зрения защиты, разные его компоненты требуют индивидуального подхода, что заметно усложняет процедуру антикоррозионной обработки.
У владельцев многих иномарок существует мнение, что их автомобилям не нужна дополнительная антикоррозионная обработка, т.к. на конвейере уже обо всем позаботился производитель. А если данный автомобиль оснащен оцинкованным кузовом, то это мнение переходит в настоящую убежденность. Но, как оказывается, реальность несколько отличается от ожиданий. Но обо всем по порядку. Помимо оцинковки, набирающей популярность в развитых странах, для защиты от коррозии применяют различные методы грунтования. При производстве отечественных автомобилей чаще используется так называемый анафорезный метод. В развитом мире он уже давно устарел морально, т.к. демонстрировал низкие показатели антикоррозионной стойкости. Тем не менее, в нашей стране его применяют весьма активно. Катафорезный метод грунтования более эффективен. Но как показала реальная эксплуатация, без дополнительной антикоррозионной обработки подобные кузова также довольно быстро пасуют перед ржавчиной. Данный метод используется в России все активнее. К примеру, новые вазовские модели, а также многие иномарки обрабатываются именно таким образом. Наконец, наиболее действенный способ заводской борьбы с коррозией — оцинковка. В автомобильной промышленности принята толщина цинкового покрытия 6-9 мкм. На опытной пластине с такой толщиной гальванического цинка при ее размещении в станции натурных испытаний (напр. промышленной зоне большого города) первые признаки коррозии проявляются в среднем уже через 9-12 месяцев. Это объясняется наличием микропор в цинковом покрытии, через которые влага воздуха вместе со всеми примесями проникает до металла, и процесс прошел. Чем толще цинковое покрытие, тем меньше вероятность, что микропоры «совпадают», и тем надежнее защита. Каждый дополнительный мкм цинкового покрытия увеличивает вес автомобиля и тем самым расход топлива. Поэтому найден компромисс — 6-9 мкм цинкового покрытия, что значительно уменьшает коррозионную стойкость автомобиля и не столь уж увеличивает расход топлива. Действительно, оцинкованные кузова «живут» гораздо дольше. Но не так долго, как это принято думать. Срок их жизни, во-первых, зависит от толщины гальванического покрытия, типа (двустороннее или одностороннее), а главное - от наличия в процессе эксплуатации его повреждений. Последних избежать практически невозможно, т.к. они появляются во время точечной сварки, когда не только «сгорает» тонкий слой цинка, но и оголенная сталь образует в месте сварки гальванический элемент с цинком, тем самым, ускоряя начало коррозии. Поэтому даже оцинкованные кузова по прошествии нескольких лет эксплуатации страдают от коррозии в случае отсутствия дополнительной поддержки антикоррозионных материалов.
