Почему металл ржавеет в воде. Виды коррозии металла и борьба с ней

Если оставить какой-то железный предмет в сыром и влажном месте на несколько дней, он покроется ржавчиной, как если бы его покрасили красноватой краской.

Что такое ржавчина? Почему она образуется на железных и стальных предметах? Ржавчина - это окись железа. Она образуется в результате «сгорания» железа при соединении с кислородом, растворенным в воде.

Это значит, что при отсутствии в воздухе влаги и воды вообще отсутствует растворенный в воде кислород и ржавчина не образуется.

Если капля дождя попадает на блестящую железную поверхность, она остается прозрачной в течение короткого периода времени. Железо и кислород, находящийся в воде, начинают взаимодействовать и образуют окись, то есть ржавчину, внутри капли. Вода становится красноватой, и ржавчина плавает в воде в виде мелких частиц. Когда капля испарится, остается ржавчина, образуя красноватый слой на поверхности железа.

Если уж ржавчина появилась, она будет расти и в сухом воздухе. Это происходит потому, что пористое пятно ржавчины поглощает влагу, содержащуюся в воздухе, - она притягивает и удерживает ее. Вот почему легче предупредить ржавчину, чем остановить ее, когда она появилась. Проблема предупреждения ржавчины очень важна, так как изделия из железа и стали должны долго храниться. Иногда их покрывают слоем краски или пластмассы. А что бы ты сделал, чтобы предохранить от ржавчины боевые корабли, когда они не используются? Эта проблема решена с помощью поглотителей влажности. Такие механизмы заменяют влажный воздух в отсеках на сухой. Ржавчина в таких условиях появиться не может!

Думаете, что ржавчина - это проблема владельцев 15-летних "Жигулей"? Увы, рыжими пятнами покрываются и гарантийные авто, даже если кузов оцинкован. Разбираемся, как правильно ухаживать за металлом и можно ли защитить его от коррозии раз и навсегда.

Что такое кузов? Конструкция из тонкого листового металла, причем разных сплавов и со множеством сварных соединений. И еще не нужно забывать о том, что кузов используется как «минус» для бортовой сети, то есть постоянно проводит ток. Да он просто обязан ржаветь! Попробуем разобраться, что же происходит с кузовом машины и как с этим бороться.

Что такое ржавчина?

Коррозия железа или стали - процесс окисления металла кислородом в присутствии воды. На выходе получается гидратированный оксид железа - рыхлый порошок, который мы все называем ржавчиной.

Разрушения автомобильного кузова относят к классическим примерам электрохимической коррозии. Но вода и воздух - это лишь часть проблемы. Помимо обычных химических процессов важную роль в нем играют гальванические пары, возникающие между электрохимически неоднородными парами поверхностей.

Уже вижу, как на лицах читателей-гуманитариев возникает скучающее выражение. Не пугайтесь термина «гальваническая пара» - мы не на лекции по химии и сложных формул приводить не будем. Эта самая пара в частном случае - всего лишь соединение двух металлов.

Металлы, они почти как люди. Не любят, когда к ним прижимается кто-то чужой. Представьте себя в автобусе. К вам прижался помятый мужчина, вчера отмечавший с друзьями какой-нибудь День монтажника-высотника. Вот это в химии называется недопустимой гальванической парой. Алюминий и медь, никель и серебро, магний и сталь… Это «заклятые враги», которые в тесном электрическом соединении очень быстро «сожрут» друг друга.

Вообще-то, ни один металл долго не выдерживает близкого контакта с чужаком. Сами подумайте: даже если к вам прижалась фигуристая блондинка (или стройная шатенка, по вкусу), то первое время будет приятно… Но не будешь же так стоять всю жизнь. Особенно под дождем. Причем тут дождь? Сейчас все станет понятно.

В автомобиле очень много мест, где образуются гальванические пары. Не недопустимые, а «обычные». Точки сварки, кузовные панели из разного металла, различные крепежные элементы и агрегаты, даже разные точки одной пластины с разной механической обработкой поверхности. Между ними всеми постоянно есть разность потенциалов, а значит, в присутствии электролита будет и коррозия.

Стоп, а что такое электролит? Пытливый автомобилист вспомнит, что это некая едкая жидкость, которую заливают в аккумуляторы. И будет прав лишь отчасти. Электролит - это вообще любая субстанция, проводящая ток. В аккумулятор заливают слабый раствор кислоты, но не обязательно поливать машину кислотой, чтобы ускорить коррозию. С функциями электролита прекрасно справляется обычная вода. В чистом (дистиллированном) виде она электролитом не является, но в природе чистой воды не встречается…

Таким образом, в каждой образовавшейся гальванической паре под воздействием воды начинается разрушение металла на стороне анода - положительно заряженной стороны. Как победить этот процесс? Запретить металлам корродировать друг от друга мы не можем, но зато можем исключить из этой системы электролит. Без него «допустимые» гальванические пары могут существовать долго. Дольше, чем служит автомобиль.

Как с ржавчиной борются производители?

Самый простой способ защиты - покрыть поверхность металла пленкой, через которую электролит не проникнет. А если еще и металл будет хорошим, с низким содержанием примесей, способствующим коррозии (например серы), то результат получится вполне достойным.

Но не воспринимайте слова буквально. Пленка - это необязательно полиэтилен. Самый распространенный вид защитной пленки - краска и грунт. Также ее можно создать из фосфатов металла, обработав поверхность фосфатирующим раствором. Входящие в его состав фосфоросодержащие кислоты окислят верхний слой металла, создав очень прочную и тонкую пленку.

Прикрыв фосфатную пленку слоями грунта и краски можно защитить кузов машины на долгие годы, именно по такому «рецепту» готовили кузова на протяжении десятков лет, и, как видите, довольно успешно - многие машины производства пятидесятых-шестидесятых годов смогли сохраниться до наших времен.

Но далеко не все, ведь со временем краска склонна к растрескиванию. Сначала не выдерживают внешние слои, потом трещины добираются до металла и фосфатной пленки. А при авариях и последующем ремонте покрытия часто наносят, не соблюдая абсолютной чистоты поверхности, оставляя на ней маленькие точки коррозии, которые всегда содержат в себе немного влаги. И под пленкой краски начинает появляться новый очаг разрушения.

Можно улучшать качество покрытия, применять все более эластичные краски, слой которых может быть чуть надежнее. Можно покрыть пластиковой пленкой. Но есть лучшая технология. Покрытие стали тонким слоем металла, имеющего более стойкую оксидную пленку, использовалось давно. Так называемая белая жесть - листовая сталь, покрытая тонким слоем олова, знакома всем, кто хоть раз в жизни видел консервную банку.

Олово для покрытия кузовов машин уже давно не применяют, хотя байки про луженые кузова ходят. Это отголосок технологии выправления брака при штамповке горячими припоями, когда часть поверхности вручную покрывали толстым слоем олова, и иногда самые сложные и важные части кузова машины и правда оказывались неплохо защищены.

Современные покрытия для предотвращения коррозии наносятся в заводских условиях до штамповки кузовных панелей, и в качестве «спасателей» используется цинк или алюминий. Оба этих металла, помимо наличия прочной оксидной пленки, обладают еще одним ценным качеством - меньшей электроотрицательностью. В уже упомянутой гальванической паре, которая образуется после разрушения внешней пленки краски, они, а не сталь будут играть роль анода, и, пока на панели остается немного алюминия или цинка, разрушаться будут именно они. Этим их свойством можно воспользоваться иначе, просто добавив немного порошка таких металлов в грунт, которым покрывают металл, что даст кузовной панели дополнительный шанс на долгую жизнь.

В некоторых отраслях промышленности, когда стоит задача защитить металл, применяют и другие технологии. Серьезные металлоконструкции могут быть оборудованы и специальными пластинами-протекторами из алюминия и цинка, которые можно менять со временем, и даже системами электрохимической защиты. С помощью источника напряжения такая система переносит анод на какие-то части конструкции, не являющиеся несущими. На автомобилях подобные вещи не встречаются.

Многослойный бутерброд, состоящий из слоя фосфатов на поверхности стали или цинка, слоя цинка или алюминия, антикоррозийного грунта с цинком и нескольких слоев краски и лака, даже в очень агрессивной внешней среде вроде обычного городского воздуха с влагой, грязью и солью позволяет сохранить кузовные панели на десяток-другой лет.

В местах, где слой краски легко повреждается (например на днище) используют толстые слои герметиков и мастики, которые дополнительно защищают поверхность краски. Мы привыкли называть это «антикором». Дополнительно во внутренние полости закачивают составы на основе парафина и масел, их задача вытеснять влагу с поверхностей, тем самым еще улучшая защиту.

Ни один из способов по одиночке не дает стопроцентной защиты, но все вместе они позволяют производителям давать восьми-десятилетнюю гарантию на отсутствие сквозной коррозии кузова. Однако нужно помнить, что коррозия подобна смерти. Ее приход можно замедлить или отложить, но нельзя исключить совсем. В общем, что мы говорим ржавчине? Правильно: «Не сегодня». Или, перефразируя современного классика, «не в этом году».

<a href=»http://polldaddy.com/poll/8389175/»>Приходилось ли бороться с ржавчиной на кузове?</a>

Понятие прочности часто связывают с металлами. «Прочный, как сталь», - каждый из нас слышал эту фразу не один раз. На самом деле под химическим воздействием внешней среды металлы могут окисляться и разрушаться.

Термин «коррозия» произошёл от латинского "corrodere" – разъедать. Но коррозии подвержены не только металлы. Пластмассы, полимеры, дерево и даже камни также подвержены коррозии.

Коррозия – это результат химического воздействия окружающей среды. В результате коррозии металлы разрушаются самопроизвольно. Конечно, разрушаться металлы могут и под влиянием физического воздействия. Такие процессы называют износом, старением, эрозией.

Несмотря на то, что в промышленности и в быту широко используются полимеры, керамика, стекло, роль металлов в жизнедеятельности человека продолжает оставаться очень важной.

С коррозией металлов мы сталкиваемся очень часто. Ржавое железо – результат коррозии. Нужно сказать, что многие металлы могут подвергаться коррозии. Но ржавеет только железо.

Что же происходит с металлами во время коррозии с точки зрения химии?

Химическая коррозия

Поверхностный слой металла взаимодействует с кислородом воздуха. В результате образуется оксидная плёнка. На поверхностях разных металлов образуются плёнки разной прочности. Так, алюминий и цинк образуют при взаимодействии с кислородом прочную плёнку, которая препятствует дальнейшей коррозии этих металлов. Защитная плёнка алюминия – оксид алюминия Al 2 O 3. Через неё не могут проникать ни кислород, ни вода. Например, в алюминиевом чайнике кипящая вода не действует на металл.

Но некоторые металлы и их соединения образуют рыхлые плёнки. Если отрезать кусочек металлического натрия, то можно увидеть, как на его поверхности появится плёнка, имеющая трещины. Такая плёнка свободно пропустит к поверхности кислород воздуха, пары воды и другие вещества. Коррозия натрия будет продолжаться.

Химическая коррозия – это химическое взаимодействие металла и внешней среды, в результате которой происходит реакция окисления металла и восстановления коррозионной среды.

Но во внешней среде содержатся не только кислород и пары воды. В воздухе встречаются оксиды азота, серы, углерода, а воде могут быть соли и растворённые газы. И процесс коррозии – довольно сложный процесс. Разные металлы корродируют по-разному. Например, бронза покрывается сульфатом меди (CuOH) 2 SO 4 , который похож на зелёную паутину.

Коррозия, которая происходит под воздействием электрического тока, не является химической. Её называют электрохимической.

Почему железо ржавеет

Почему же всё-таки железо ржавеет?

В процессе коррозии металл окисляется и превращается в оксид.

Упрощённое уравнение коррозии железа выглядит так:

4Fe + 3O 2 + 2H 2 О = 2Fe 2 O 3 ·H 2 О

2Fe 2 O 3 ·H 2 О - гидратированный оксид железа, или гидроксид железа. Это и есть ржавчина.

Как видно из уравнения реакции, ржавчина образуется на поверхности железа, если оно взаимодействует с кислородом в воде или во влажном воздухе. В сухом месте железо не ржавеет. Поверхность ржавчины не защищает железо от дальнейшего воздействия среды, поэтому в конце концов железо полностью превратится в ржавчину. Ржавчиной называют коррозию железа и его сплавов.

Химическая коррозия бывает газовая и коррозия в жидкостях-неэлектролитах.

Виды химических коррозий

Газовой коррозией называют процесс разрушения поверхности металла под воздействием газов при высокой температуре. Больше всего известна коррозия при воздействии кислорода на металл.

Химическая коррозия металлов и их соединений может происходить в жидкостях-неэлектролитах. Жидкости-неэлектролиты - фенол, бензол, спирты, керосин, нефть, бензин, хлороформ, расплавленная сера, жидкий бром, и другие. Такие жидкости не проводят электрический ток. В чистом виде они не содержат примесей и не реагируют с металлами. Но если в них попадают примеси, то металлы в таких жидкостях начинают подвергаться химической коррозии.

Чтобы защитить металлические конструкции от химической коррозии, на поверхность наносят покрытия, которые обеспечат защиту от воздействия коррозионной среды.

Опасный враг – ржавчина! Как металл ни крепок ржавчина все равно его одолеет. Послушайте про это одну историю. В стародавние времена один незадачливый король приказал про запас спрятать в сырые подвалы крепости много разнообразного оружия: стальные мечи, ружья, пушки, пушечные ядра. Только порох туда не велел класть, чтобы не отсырел. А с железом, мол, ничего не случится. По счастью, войны долго не было, и пролежало оружие в подвале много лет.

Собрался король на войну и приказал вооружить молодцов-новобранцев. Отпели тяжелые двери, вынесли из подвала боевые мечи – смотрят, а они все ржавые. Начали чистить – мечи сделались тоньше кухонных ножей. Куда такие годятся! Достали ружья – те тоже были ржавыми. Из таких пальнешь – в руках разорвутся. Дошла очередь до пушек. С ядрами. Стали с них ржавчину сдирать. До того дочистили, что ядра величиной с арбуз сделались меньше картофелины. Как такими пушки заряжать? Велики им теперь пушки, не по размеру. Пришлось отменить поход! Подвела сырость, влага.

А эта история приключилась недавно. Шел по льду трактор и угодил в занесенную снегом полынью. Тракториста удалось спасти, трактор же пошел ко дну. Только через год сумели поднять тяжелую машину. Долго очищал от ржавчины, а завести мотор так и не удалось, пока многие его заржавевшие в воде части не заменили новыми.

Где еще ржавеет железо?

Если бы ржавело только в воде! Но металл ржавеет даже в жаркой пустыне. Кругом – сколько ни ищи – капли воды не найдешь. Но в воздухе всегда есть крошечные, совсем не заметные частички влаги. И этой малости достаточно, чтобы металл понемногу стал ржаветь. А в сыром климате он, понятно, разрушается куда быстрее.

Сколько же всего железа уничтожает ржавчина? Ответ готов. За десять лет ржавчина съедает столько металла, сколько его вырабатывают за год все металлургические заводы мира. Оказывается, ржавчина съедает миллионы тонн металла! Вот люди издавна и объявили ей войну! Как вы ? Правильно, надеваете резиновые сапожки и плащи, а еще лучше спрячетесь под крышу. Вот и с металлом поступают также. Машины, станки прячут под навесы, под крыши цехов.

Ржавчина и защита металла от коррозии

Прокладывают газопровод, нефтепровод, водопровод – на трубы надевают непромокаемый плащ – обертывают их просмоленной тканью или бумагой.

А автомобили, ? Они ведь не только для красоты покрашены нарядными, яркими красками. Хоть и тонок слой краски, но от сырости, а значит, и от ржавчины защищает неплохо. Для этого же красят и мосты, и вагоны, и корабли, и крыши…

Но защищать металл может не только краска, железо могут покрывать тонким слоем другого, более стойкого металла – цинка. И крыша сразу становится долговечнее. Консервные банки тоже железные – жестяные. Тут на железо нанесено тонким слоем расплавленное олово.

Много есть и других способов защиты металла от ржавчины, а ученые ищут новые, более надежные.

МОУ Средняя общеобразовательная школа п. Новопавловка

Петровск-Забайкальского района Забайкальского края

Исследовательская работа по теме:

Почему вода ржавая?

Работу выполнил ученик 2-А класса

Ионинский Дмитрий,

п. Новопавловка

ВВЕДЕНИЕ

Я заметил, что если некоторое время не откачивать воду из скважины, то она становится желтоватого цвета. Мне стало интересно, а почему вода желтеет? От папы я узнал, что это ржавчина.

Цель работы : узнать, почему ржавчина образуется на железе, в каких растворах образуется ржавчина и выяснить методы защиты от ржавчины.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач :

· Узнать, что такое ржавчина, почему она возникает (теоретически).

· Путем опыта получить в домашних условиях ржавчину на железных гвоздях в различных средах.

· Проанализировать и сравнить результаты наблюдений данного эксперимента и сделать выводы.

Объект исследования : железный гвоздь в пробирках с различными растворами.

Методы исследования :

· изучение литературы;

· наблюдения;

· анализ полученных данных;

· обобщение.

Я выдвигаю гипотезу: железо разрушается, то есть ржавеет, в любых растворах.

Чтобы провести данное исследование, мы с учителем Людмилой Сергеевной, изучили специальную литературу (авторы указаны в списке литературы). При участии моей семьи я ставил опыты, наблюдал, анализировал и делал выводы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Теоретическая часть

Что такое ржавчина

Первоначально я прочитал в толковом словаре Ожегова что такое ржавчина?

РЖА́ВЧИНА, - ы, ж.

1. Красно-бурый налёт на железе, образующийся вследствие окисления и ведущий к разрушению металла, а также след на чём-н. от такого налёта. В душе появилась какая-то р. (перен.: что-то разъедающее, мучащее).

2. Бурая плёнка на болотной воде.

Jpg" width="252" height="237">

Ржавчина возникает при взаимодействии атмосферы с железом. Процесс её образования называется ржавлением или коррозией. Корро́зия - это самопроизвольное разрушение металлов в результате взаимодействия с окружающей средой. Процесс ржавления железа начинается только при наличии в воздухе влаги. При попадании на поверхность изделия из железа капли воды, спустя некоторое время, можно заметить изменение её цвета. Капля становится мутной и постепенно окрашивается в бурый цвет. Это свидетельствует о появлении, в месте контакта воды с поверхностью, продуктов коррозии железа.

Роль металлов в жизнедеятельности человека

В повседневной жизни металлы применяются повсюду. Мы живем в мире металлов. Дома, на улице, в автобусе – всюду нас окружают металлические предметы. Без них мы просто не мыслим свою жизнь.

Железо – химический элемент, серебристо – белый металл. В чистом виде практически не применяется из-за своей небольшой прочности. Как правило, используют сплавы на основе железа – сталь и чугун.

Сталь – это самый важный вид железных сплавов. От чистого железа его отличает содержание углерода, меньше 2%, но именно эта незначительная добавка придает сплаву твердость, которой нет у железа. От того, сколько в стране выплавляется стали в расчёте на душу населения, в огромной степени зависит технический и экономический уровень развития государства.

Алюминий используется в самолетостроении, потому что он очень прочный и легкий. В отличие от железа алюминий не боится влаги и не ржавеет, поэтому изделия из него не нуждаются в защитных покрытиях.

Цинк служит добавкой к меди, но часто его применяют и в чистом виде. У цинка хорошие литейные качества, поэтому из него отливают детали для различных машин. Обычно мы замечаем этот голубовато – белый металл с характерным пятнистым узором на новых водосточных трубах и металлических ведрах. Все эти изделия изготовлены из так называемого кровельного железа - мягкой листовой стали, покрытой тонким слоем цинка. Он предохраняет основной металл от ржавчины. Такое железо называется оцинкованным.

Медь очень пластична и она лучше других металлов (за исключением драгоценного серебра) проводит электрический ток. Эти качества позволяют использовать её в электрических проводах. Здесь она считается металлом номер один.

Серебро . Древние литейщики, кузнецы и ювелиры ценили этот металл за мягкость и податливость в обработке. Со времен Древней Греции и вплоть до начала нынешнего века большая часть добываемого серебра шла на чеканку монет, а остальная на изготовление ювелирных изделий, столовых приборов и посуды. Сегодня серебро ценится ещё за то, что оно лучше любого металла проводит электрический ток. Поэтому его широко применяют в электротехнике . Немало серебра идет на изготовление аккумуляторов, но ещё больше - на производство фото - и киноматериалов. Есть у металла ещё одно достоинство: оно убивает болезнетворные микробы. Поэтому на его основе готовят лекарственные препараты, которыми промывают гнойные раны, для заживления небольших ран к телу прикладывают бактерицидную бумагу, пропитанную соединениями серебра. Так же серебро применяют на зеркальных фабриках.

Больше всего от коррозии страдают сплавы на основе железа. «Ржа ест железо»- поговорка старая, но точная. Около 10% добытого металла теряется безвозвратно. За коррозией наступает эрозия - разрушение металлических изделий. После чего металл уже не пригоден. И все-таки 2/3 металлов возвращается в производство после переплавки в мартеновских печах. Вот почему важно собирать металлолом.

Я решил провести опыты с железными гвоздями, помещая их в различные среды.

Практическая часть

ОПЫТ 1. «В какой воде металлы ржавеют быстрее всего»

Цель опыта : выяснить, в какой воде железо ржавеет быстрее всего

Я взял воду из 4-х источников (из скважины, из речки, дистиллированную, снег) и положил в неё одинаковые железные гвозди. Банки с водой находились в одинаковых условиях. Через 2 дня вода пожелтела, через неделю на гвоздях появилась ржавчина, через месяц слой ржавчины значительно вырос. Ржавчина образовалась на всех гвоздях независимо от того в воде из какого источника они находились.

Вывод : ржавчина образуется на железе в любой воде.

ОПЫТ 2. «В какой среде металлы ржавеют быстрее всего»

Цель опыта : выяснить, в какой среде железо ржавеет быстрее всего

Я решил выяснить, в какой среде железо ржавеет быстрее всего. Для этого взял 4 банки воды из скважины. В первую добавил соль, во вторую – сахар, в третью – соду, в четвертую – уксус. В каждую, банку опустил железный гвоздь.

Через 2 дня :

· в воде с солью появился небольшой желтый осадок, сам раствор остался прозрачным;

· раствор с сахаром пожелтел;

· раствор с уксусом прозрачный на стенках банки пузырьки.

Через месяц :

· в воде с солью появился слой ржавчины и кристаллы соли на гвозде;

· раствор с сахаром посветлел, ржавчины нет;

· в воде с содой изменений не произошло;

· раствор уксуса темно-коричневый, на дне банки частички гвоздя.

Вывод : ржавчина не образуется в щелочной среде; в кислой среде железо разрушается.

ОПЫТ 3. «Как различные металлы противостоят коррозии»

Цель опыта : выяснить, образуется ли ржавчина на других металлах

Мне захотелось выяснить, образуется ли ржавчина на других металлах. Я взял 4 разных металла (медь, алюминий, цинк, железо) и опустил их в воду. Отдельно положил в воду окрашенный железный гвоздь. Уже через 2 дня вода с железом стала ржавой, а на остальных металлах ржавчина не образовалась даже через месяц. Вода с окрашенным гвоздем не заржавела.

Вывод : ржавчина образуется только при взаимодействии воды с железом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе своего исследования я попытался выяснить, почему ржавчина образуется на железе, в каких растворах образуется ржавчина и выяснить методы защиты от ржавчины. На примере исследования видно, что вода является благоприятной средой для возникновения ржавчины, не зависимо от того из какого источника она берется. Щелочная среда благоприятна для предохранения железа от ржавчины. В кислой среде железо разрушается более быстро. Железо можно сохранить, если не допустить его соприкосновения с водой, для этого необходимо проводить окрашивание.

СПИСОК ИСПОЛЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

2. Большая энциклопедия «Почемучек».- М.: «РОСМЭН», 2006

3. Я познаю мир. АСТ», 1999