Д. И. Менделеев · 1869

Периодическая система химических элементов

Химия · 9 класс

Коррозия
металлов

Почему железо ржавеет, что этому помогает и как металл защитить

План урока: что такое коррозия · химическая и электрохимическая коррозия · как образуется ржавчина · опыт с гвоздями · кислоты и контакт металлов · способы защиты

Листайте стрелками или свайпом

Сегодня на уроке узнаем

  • Что такое коррозия и почему она идёт сама, без нашего участия
  • Какие условия нужны, чтобы железный гвоздь заржавел
  • Почему соль и кислота ускоряют разрушение металла
  • Как защищают мосты, корабли, трубы и автомобили

Определение

Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды

Железо Fe
Ржавчина — рыхлая и хрупкая

Происхождение термина

От латинского corrosio — «разъедание».

Коррозию называют «тихим разрушителем»: она идёт незаметно, но непрерывно, днём и ночью.

Суть процесса

Металл окисляется: его атомы отдают электроны и превращаются в ионы: Fe − 2e⁻ → Fe²⁺.

Металл возвращается в то состояние, в котором он был в руде, — в оксиды и гидроксиды.

Важно знать

  • Коррозия идёт сама — для неё не нужны ни нагрев, ни электрический ток извне
  • Ржавчиной называют продукт коррозии только железа и его сплавов
  • У меди образуется зелёная патина, у алюминия и цинка — тонкая плотная плёнка оксида
  • Ржавчина рыхлая и не защищает металл, поэтому железо может проржаветь насквозь

Виды коррозии

По механизму процесса коррозию делят на два вида. Они отличаются средой, в которой находится металл, и тем, возникает ли при этом электрический ток.

Химическая

Идёт в сухих газах при высокой температуре (O₂, SO₂, Cl₂) или в жидкостях-неэлектролитах — нефти, бензине.

Электрический ток не возникает: металл напрямую реагирует с окислителем.

Пример — окалина при ковке: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

Электрохимическая

Идёт в растворах электролитов: во влажном воздухе, в речной и морской воде, во влажной почве.

На поверхности металла возникают маленькие гальванические элементы, и течёт электрический ток.

Это самый распространённый вид — именно так ржавеет железо.

Примеры из жизни

  • Химическая: детали двигателей, выхлопные трубы, металл в печах и котлах
  • Химическая: тёмная окалина на металле после сварки или ковки
  • Электрохимическая: ржавые гвозди, заборы, кузова машин, днища кораблей
  • Электрохимическая: трубы в земле, батареи отопления, металл в морской воде

Механизм

Как образуется ржавчина

Для ржавления нужны вода и кислород одновременно

На поверхности железа появляются участки двух видов. На анодных участках железо отдаёт электроны и уходит в раствор ионами Fe²⁺. Электроны по металлу перетекают к катодным участкам, где их забирает кислород, растворённый в воде.

Три участника

Fe+O₂+H₂O→ржавчина

Уберите хотя бы одного — и коррозия железа почти остановится.

Анод — окисление
Fe − 2e⁻ → Fe²⁺
Катод — восстановление
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
В растворе
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂
4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃
Итог
4Fe + 3O₂ + 2nH₂O → 2Fe₂O₃·nH₂O

Обратите внимание

  • Fe(OH)₂ белый или зеленоватый, но на воздухе быстро буреет, превращаясь в Fe(OH)₃
  • Fe(OH)₃ постепенно теряет воду — так получается бурая ржавчина Fe₂O₃·nH₂O
  • Ржавчина занимает больший объём, чем железо, поэтому вспучивается и отслаивается
  • Чем больше ионов в воде, тем лучше она проводит ток и тем быстрее идёт коррозия

Анимация

Капля воды на железе

Классический опыт: капля солёной воды на железной пластине. В центре капли кислорода мало — там анод и железо растворяется. По краям кислорода много — там катод. Между ними кольцом откладывается ржавчина.

e⁻ — электроны в металле Fe²⁺ — ионы железа O₂ — кислород из воздуха OH⁻ — гидроксид-ионы ржавчина

Что показывает анимация

  • Под центром капли в металле появляется ямка — железо уходит в раствор
  • Электроны бегут по пластине от центра к краям капли
  • Кислород проникает в каплю сверху и по краям, где слой воды тоньше
  • Ржавчина откладывается не там, где растворяется железо, а там, где встречаются Fe²⁺ и OH⁻

Опыт

Гвозди в разных пробирках

Берём шесть одинаковых железных гвоздей, помещаем в разные условия и наблюдаем за ними неделю. Счётчик сверху показывает, какой идёт день.

Как устроен опыт

  • 1 — сухой воздух: хлорид кальция CaCl₂ на дне поглощает влагу, пробирка закрыта пробкой
  • 2 — кипячёная вода: кипячением удалили кислород, слой масла не даёт ему вернуться
  • 3 и 4 — обычная и солёная вода, к ним свободно поступает воздух
  • 5 — разбавленная соляная кислота, 6 — солёная вода, но гвоздь обмотан цинком. Опыты с кислотой — только с учителем!

Что показал опыт

Нет ржавчины

Сухой воздух

Нет воды — нет электролита. Коррозия не идёт.

Почти нет

Вода без кислорода

Вода есть, а кислорода почти нет — катодный процесс не идёт.

Ржавеет

Вода и воздух

Есть и вода, и кислород. Сильнее всего ржавеет у поверхности воды.

Ржавеет сильнее всех

Солёная вода

Ионы Na⁺ и Cl⁻ делают воду хорошим проводником, и коррозия ускоряется.

Растворяется

Соляная кислота

Железо реагирует с кислотой, выделяется водород, раствор зеленеет от FeCl₂.

Защищён

Гвоздь с цинком

Цинк активнее железа и разрушается вместо него. Гвоздь остаётся целым.

Вывод

Железо ржавеет, только когда есть вода и кислород одновременно. Соль ускоряет коррозию, кислота растворяет железо, а более активный цинк его защищает.

Железо и кислоты

Кислота не ржавит железо — она его растворяет

Железо стоит в ряду активности левее водорода, поэтому вытесняет его из растворов кислот. Металл переходит в раствор в виде соли, а на поверхности гвоздя появляются пузырьки водорода.

Пробирка с HCl

Разбавленные кислоты
Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
Fe + H₂SO₄ (разб.) → FeSO₄ + H₂↑
Пассивация
Концентрированные H₂SO₄ и HNO₃ покрывают железо плотной оксидной плёнкой — реакция почти останавливается. Поэтому эти кислоты перевозят в стальных цистернах.

Кислоты вокруг нас

  • Кислотные дожди: SO₂ и NO₂ от сгорания топлива растворяются в каплях дождя
  • Такие дожди разрушают металлические крыши, мосты, памятники и автомобили
  • Ржавчину удаляют кислотами: «преобразователи ржавчины» содержат ортофосфорную кислоту
  • Пищевые кислоты тоже вызывают коррозию — поэтому консервные банки покрывают изнутри

Анимация

Контакт двух металлов

Если два разных металла касаются друг друга во влажной среде, получается гальваническая пара. Разрушается более активный металл — он отдаёт электроны, а менее активный остаётся целым.

e⁻ — электроны Fe²⁺ Zn²⁺ ржавчина

Ряд активности металлов

KCaNaMgAlZnFeNiSnPb(H)CuHgAgAu
  • Fe + Cu: железо левее меди, поэтому разрушается железо — и быстрее, чем без меди
  • Fe + Zn: цинк левее железа, поэтому разрушается цинк, а железо защищено

Что ускоряет коррозию

Влажность

Чем влажнее воздух, тем толще плёнка воды на металле и тем быстрее он ржавеет.

Соли

Зимой дороги посыпают солью, и кузова машин ржавеют быстрее. Морская вода опаснее речной.

Кислоты

Кислотные дожди и кислые промышленные выбросы растворяют защитные плёнки и сам металл.

Температура

При нагревании скорость любых химических реакций растёт, в том числе и коррозии.

Менее активный металл

Медная деталь на стальной трубе или болт из другого металла ускоряют разрушение железа.

Царапины и примеси

Повреждённая краска, трещины и примеси в стали становятся очагами коррозии.

Что замедляет коррозию

  • Сухость: в пустыне железные предметы сохраняются веками
  • Слабощелочная среда: стальная арматура в бетоне почти не ржавеет
  • Удаление кислорода из воды: так защищают котлы и трубы отопления
  • Ингибиторы — вещества, которые добавляют в воду или смазку, чтобы замедлить коррозию

Защита

Как защитить металл

Покрытия

Краска, лак, эмаль, смазка, полимерная плёнка отделяют металл от воды и воздуха.

Цинкование

Железо покрывают цинком. Даже при царапине цинк разрушается первым и защищает железо.

Лужение

Покрытие оловом — консервные банки. Пока слой цел, защищает. При царапине железо ржавеет даже быстрее.

Нержавеющая сталь

В сталь добавляют хром и никель. Хром образует тонкую прочную плёнку оксида.

Протекторы

К корпусу корабля или трубе крепят блоки цинка или магния. Разрушаются они, а не сталь.

Ингибиторы и электрозащита

Ингибиторы замедляют коррозию, а слабый ток от внешнего источника защищает трубопроводы.

Как выбирают защиту

  • Мосты и вышки красят, а их краску регулярно обновляют
  • Вёдра, водосточные трубы и кровельные листы делают из оцинкованного железа
  • Посуду, медицинские инструменты и раковины делают из нержавеющей стали
  • Корабли, причалы и подземные трубы защищают протекторами и электрическим током

Коррозия вокруг нас

Эйфелева башня

Чтобы защитить её железо от ржавчины, башню перекрашивают примерно раз в семь лет. На одну покраску уходят десятки тонн краски.

Статуя Свободы

Её оболочка сделана из меди. Со временем медь покрылась зелёной патиной — основным карбонатом меди Cu₂(OH)₂CO₃. Патина защищает металл от дальнейшего разрушения.

Железная колонна в Дели

Ей около 1600 лет, высота около 7 метров, и она почти не ржавеет. Учёные объясняют это составом древнего железа и защитной плёнкой на его поверхности.

Титаник

Корабль лежит на дне Атлантики больше ста лет. Его корпус покрыт ржавыми «сосульками», которые создают железоокисляющие бактерии.

Интересные факты

  • Алюминий активнее железа, но почти не корродирует: его защищает плотная плёнка Al₂O₃
  • Золото и платина в обычных условиях не корродируют совсем
  • Коррозия ежегодно уничтожает огромное количество металла, поэтому защита от неё — важная часть техники
  • Ржавчина бывает полезной: её используют как пигмент — природную коричневую краску

Итоги урока

Что мы узнали

Что это

Коррозия — самопроизвольное разрушение металла под действием окружающей среды.

Два вида

Химическая — в сухих газах и неэлектролитах, электрохимическая — в растворах электролитов.

Условия

Железо ржавеет, только когда есть и вода, и кислород.

Ускорители

Соли, кислоты, влажность, нагрев и контакт с менее активным металлом.

Гальваническая пара

При контакте двух металлов разрушается более активный.

Защита

Покрытия, цинкование, нержавеющая сталь, протекторы и ингибиторы.

Главное за урок

Fe+O₂+H₂O→Fe₂O₃·nH₂O— защищаем покрытиями и более активным металлом

Коррозия металлов · Химия, 9 класс

Спасибо
за внимание!

Берегите металл от воды, соли и кислоты — и он прослужит десятилетия

FeO₂H₂OржавчиназащитаZnCr