Идея провести исследовательскую работу, посвященную изучению процессов коррозии железа и применению в практической деятельности методов его восстановления, возникла в связи с тем, что одним из жителей села Куркино Вологодской области в лицей была передана металлическая подкова, покрытая толстым слоем земли и ржавчины. В связи с этим возник вопрос о возможности восстановления предмета и возвращения ему первоначального облика. История появления этого металлического предмета у местного жителя неизвестна, но судя по внешнему виду подковы и состоянию, она на протяжении определенного количества времени пролежала в земле. Таким образом, практически случайно оказавшийся в наших руках предмет положил начало большому исследовательскому проекту.
Вложение | Размер |
---|---|
natoloka_anastasiya_9_klass_bou_vo_vml_himiya.docx | 130.96 КБ |
Бюджетное общеобразовательное учреждение Вологодской области
«Вологодский многопрофильный лицей»
Городская научно-практическая конференция «Мир науки»
Секция: «Химия»
Исследовательский проект на тему:
«Исследование процессов коррозии железа и применение в практической деятельности методов реставрации металлических предметов»
Исследовательский проект
по химии
выполнен ученицей 9 а класса
БОУ ВО ВМЛ
Натолока Анастасией
Научный руководитель:
учитель химии Шохирева Н. Н.
Вологда, 2017 г
Оглавление
1. История освоения железа человеком, в том числе на территориии Вологодской области. 5
2. Современные представления о коррозии металлов. Типы коррозии по механизму протекания процессов. 7
3. Коррозионная активность почвы и влияние различных факторов на процессы коррозии железа 9
Характеристика почв Вологодской области
4. Особенности коррозионного разрушения металлических предметов, длительное время находящихся в почве 13
1. Изучение процессов коррозии железа в различных коррозионных средах 15
2. Проведение экспериментальных работ по реставрации металлического предмета 19
Использованные источники
Идея провести исследовательскую работу, посвященную изучению процессов коррозии железа и применению в практической деятельности методов его восстановления, возникла в связи с тем, что одним из жителей села Куркино Вологодской области в лицей была передана металлическая подкова, покрытая толстым слоем земли и ржавчины. В связи с этим возник вопрос о возможности восстановления предмета и возвращения ему первоначального облика. История появления этого металлического предмета у местного жителя неизвестна, но судя по внешнему виду подковы и состоянию, она на протяжении определенного количества времени пролежала в земле. Таким образом, практически случайно оказавшийся в наших руках предмет положил начало большому исследовательскому проекту.
Рассмотрение такого на первый взгляд узкого вопроса, связанного с восстановлением разрушенного металлического предмета привело к необходимости изучения множества источников, посвященных этой проблеме и обращения к специалистам, которые занимаются реставрацией металлических предметов, в частности к сотрудникам Вологодского филиала Всероссийского художественного научно-реставрационного центра имени академика И.Э. Грабаря.
В ходе проведения исследования были изучены многочисленные монографии, посвященные этой теме, литературные источники, статьи и было установлено, что единой теории реставрации металлических предметов не существует. Есть большое количество источников, на основании которых можно самостоятельно разработать план восстановления разрушенного металлического предмета и осуществить его практически.
Однако прежде чем начать восстановление металла необходимо правильно определить причины его разрушения, знать методы приостановления и предотвращения этого разрушения, нужно знать теоретические основы процессов коррозии. Поэтому данный исследовательский проект включает две части: теоретическую, посвященную теоретическим основам процессов коррозии и практическую – эксперимент по восстановлению разрушенного предмета.
Целью данного исследовательского проекта является: изучение процессов коррозии железа, методов его восстановления и консервации.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Объектом исследования в данном проекте являются процессы коррозии железа и методы его восстановления.
Предмет исследования: разрушенный металлический предмет, методы его восстановления и его консервации.
Актуальность определяется тем, что проект будет интересен обучающимся, интересующимся химией, археологией, историей и может быть использован в качестве дополнительного материала на уроках и элективных занятиях.
Существует много различных теорий происхождения железа в человеческой жизни. Наиболее убедительно мнение о том, что древнейшее рудное железо могло быть получено случайно, как вторичный продукт сложной бронзолитейной технологии, в которой как флюс использовалась железная руда. По-видимому, долго не удавалось получить железо в достаточных количествах, и когда это произошло, железо стали считать даром богов, небесным металлом. Следовательно, оно ценилось очень дорого и не все могли воспользоваться им.
Освоение железа шло двумя путями: использование природного металлического железа и получение из железных руд. Самое древнее железное изделие - ожерелье из прокованных полосок метеоритного железа - было найдено в Египте. Еще, к примеру, в гробнице Тутанхамона было найдено несколько изделий из железа, в том числе кинжал.
Однако железо было слишком мягким материалом, и древние мастера стали насыщать его углеродом и в итоге получали сплав, обладающий большей твердостью и способностью воспринимать закалку. Орудия труда и оружие изготовляли из сварочной стали путем многократной горячей ковки.
В странах Востока делали сталь с исключительными свойствами, сочетающими твердость и упругость - дамасскую сталь и булат. Дамасскую сталь получали кузнечной сваркой стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Из-за разного состава отдельных полос, на клинке после полировки и травления появлялись узоры.
Булат - литая углеродистая сталь, обладающая столь же высокой твердостью и упругостью. Стоимость булатных клинков и оружия из дамасской стали была необычайно высокой.
Чугун раньше всего стали получать в Китае. Интересно, что из руды получали не непосредственно ковкое железо, а выплавляли сразу чугун, из которого путем очистительной переплавки изготовляли сталь. В Китае и на смежных с ним территориях чугун был распространен гораздо шире, чем в других странах и литейная техника из него раньше достигла совершенства. Китайцы умели изготовлять необычайно крупные и сложные отливки из чугуна. Чугун был известен ж античным металлургам уже в IV в. до н.э. Производство чугуна в Западной Европе началось в XIV в. с появлением первых доменных печей. В России производство чугуна было освоено в XVI в. В 1747 году был создан Каслинский чугунолитейный завод, который выпускал предметы прикладного искусства и даже литые украшения из чугуна.
Уникальные предметы прикладного искусства изготавливались тульскими златокузнецами. Тульские стальные изделия украшались коваными гранеными алмазами, наводкой медью, серебром и золотом, насечкой. В специальных горнах мастера получали различные оттенки воронения на стали - от темно-зеленых и синих до лиловых, голубых и розовых. В искусстве барокко появляется золочение, на кованых железных архитектурных балконных решетках и воротах. Поверхность художественных изделий из черных металлов всегда декоративно обрабатывалась, ей придавалась различные оттенки химико-термическими способами. Такая декоративная обработка одновременно и защищала поверхность от коррозии.
История освоения железа в Вологодской области рассмотрена в публикации известного Вологодского археолога Александра Николаевича Башенькина. В начале I тысячелетия до н. э. в лесной зоне Восточной Европы осваивается выплавка железа из местных болотных и луговых руд. По археологической периодизации это ранний железный век. На территории области выплавка железа и изготовление из него орудий труда, оружия и других предметов осваиваются не позднее VII-VI веков до нашей эры. Наиболее ранние изделия из железа обнаружены на поселении Векса под Вологдой и у деревни Куреваниха на реке Мологе в Устюженском районе.
На городище Куреваниха-ХIII, содержащем исключительно сетчатую керамику, при раскопках М. Г. Васениной в 1992 году были найдены два шила и мелкие обломки железных предметов. На городище было сделано и другое важное открытие: в культурном слое найдены многочисленные куски железных шлаков. Это позволяет утверждать, что предметы из железа изготавливались здесь, а не привозились откуда-то. Раннюю датировку городища подтверждает и полное отсутствие стеклянных бус, бронзовых украшений, за исключением одной булавки. Характерна и немногочисленность железных изделий. Железо в то время было редким и дорогим материалом, его берегли, сломанные или сработанные орудия шли в переделку. В этой связи показательным является тот факт, что при раскопках найдено три точильных бруска со следами использования, но не найдено ни одного ножа! Однако уже в конце I тысячелетия до н. э. - начале I тысячелетия нашей эры производство предметов из железа в юго-западных районах области - Устюженском, Чагодощенском, Бабаевском и Кадуйском - было массовым.
Коррозия (от латинского слова «corrodere» «коррозио» - разъедание) – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов под воздействием химического или физико-химического влияния окружающей среды.
Согласно Межгосударственному стандарту ГОСТ 5272-68 «Коррозия металлов» для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса – «коррозионное разрушение». Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой.
ГОСТ 5272-68 по механизму протекания процесса определяет два типа коррозии: химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия - это вид коррозионного разрушения, связанный с взаимодействием металла и коррозионной среды, при котором одновременно окисляется металл и происходит восстановление коррозионной среды. Химическая коррозия происходит при контакте металла с сухими газами или воздухом, в жидкостях - неэлектролитах, т.е. не проводящих электрический ток. К этому виду коррозии относится, в частности, окисление металлов — образование на поверхности тонкой пленки оксидов, приводящей к пассивности металлов. Металлы могут самопроизвольно переходить в более устойчивое состояние в результате процесса:
Металл + Окислительный компонент среды = Продукт реакции
1-й э т а п. Железо окисляется до гидроксида железа(II):
2-й э т а п. Окисление до метагидроксида железа(III):
3-й э т а п. Взаимодействие гидроксида железа(II) и метагидроксида железа(III):
В отличие от плотно прилегающих оксидных пленок, которые образуются в процессе коррозии на щелочных металлах, алюминии, цинке, рыхлая оксидная пленка на железе свободно пропускает к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды. Это способствует дальнейшей коррозии железа.
Электрохимическая коррозия протекает в растворах электролитов (кислоты, основания, соли, морская и речная вода, влажная почва, атмосфера любого влажного газа) и сопровождается возникновением электрического тока. Она протекает по механизму гальванического элемента.
Так как на поверхности металла практически всегда находится пленка влаги, часто тончайшая, практически невидимая, содержащая растворенные соли, которые попадают в нее из атмосферы, с пылью, из почвы, т.е. проводящая ток, а поверхность металла не бывает однородной, то металлические предметы разрушаются вследствие электрохимической коррозии.
При электрохимической коррозии металлов происходит два основных процесса:
1) анодный процесс — переход металла в раствор в виде гидратированных ионов или его окисление; при этом в металле остается соответствующее число электронов;
2) катодный процесс — поглощение появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами, которыми могут быть атомы, молекулы или ионы раствора, подвергающиеся восстановлению на всей поверхности металла или отдельных его участках.
Частицы, участвующие в катодном восстановлении при коррозии, называют деполяризатором. Это связано с тем, что поглощение электронов на катоде оттягивает их с анода и уменьшает поляризацию его двойного электрического слоя. Это способствует активизации анодного процесса, т.е. интенсифицирует коррозию.
Различают два вида процессов деполяризации – с поглощением кислорода (кислородная деполяризация) и с выделением водорода (водородная деполяризация)
Коррозия с участием кислорода называется коррозией с поглощением кислорода (коррозия с кислородной деполяризацией)
Коррозия с участием ионов водорода называется коррозией с выделением водорода (коррозией с водородной деполяризацией)
Анодный - ионы металла переходят в раствор
Fe → Fe2+ + 2e
Происходит реакция окисления. Коррозия металла происходит именно на аноде.
Катодный - избыточные электроны ассимилируются молекулами или атомами электролита, которые при этом восстанавливаются. На катоде проходит реакция восстановления.
O2 + 2H2O + 4e → 4OH- (кислородная деполяризация в нейтральных, щелочных средах)
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O (кислородная деполяризация в кислых средах)
2 H+ + 2e → H2 (при водородной деполяризации).
Кроме анодных и катодных реакций при электрохимической коррозии происходит движение электронов в металле и ионов в электролите. Электролитами могут быть растворы солей, кислот и оснований, морская вода, почвенная вода, вода атмосферы, содержащая , , и другие газы.
При электрохимической коррозии в отличие от химической, продукты коррозии (осадки в нейтральных средах) образуются за счет вторичных процессов, то есть они образуются не непосредственно на поверхности корродирующего металла, а в объеме раствора, поэтому обладают более низкими защитными свойствами, чем первичные пленки, образующиеся на поверхности металла при химической коррозии.
Железо, длительное время находящееся в почве повергается электрохимической коррозии.
Поскольку исследуемая нами разрушенная металлическая подкова длительное время находилась в почве, рассмотрим вопрос о коррозионной активности почвы и влиянии различных факторов на процессы коррозии железа. Развитие почвенной коррозии и разнообразие продуктов коррозии на поверхности железных археологических объектов определяются следующими факторами: содержанием в почве растворенного кислорода, ее влажностью, присутствием микроорганизмов, pH –среды и электропроводностью, которая зависит от состава присутствующих в почве солей.
Влажность грунта очень сильно влияет на скорость почвенной коррозии, превращая почву в электролит, что вызывает электрохимическую коррозию. Максимальная скорость почвенной коррозии наблюдается при влажности грунта 15 – 25%. С повышением влажности почвы анодный процесс проходит легче (за счет затруднения пассивации поверхности металла), а катодный – труднее (грунт насыщается влагой, затрудняется его аэрация). Влажность, при которой наблюдается наибольшая скорость коррозии, называют критическим показателем влаги для грунта. Для глинистых грунтов он составляет около 12 – 25%, для песчаных 10 – 20%.
Пористость (воздухопроницаемость) грунта влияет на способность длительное время сохранять влагу и аэрацию. Воздухопроницаемость зависит от состава грунта, его плотности, влажности. Например, поверхность металла в песчаной зоне будет играть роль катода, а глинистой – анода. Разрушение металла будет происходить на анодных участках поверхности.
Для большинства грунтов значение рН составляет 6,0 – 7,5. Высококоррозионными являются почвы, рН которых сильно отличается от данного значения. К ним относятся торфяные, болотистые грунты, значение рН которых составляет 3 – 6. А также щелочные солончаки и суглинки, с рН почвы 7,5 – 9,5. Очень агрессивной средой по отношению к сталям, с винцу, меди, цинку является чернозем, содержащий органические кислоты.
Одна из самых агрессивных почв – подзол. Железо в подзоле корродирует в 5 раз быстрее, чем в других грунтах.
Кислотность грунтов ускоряет почвенную коррозию, т.к. вторичные продукты коррозии становятся более растворимы, существует возможность дополнительной катодной деполяризации ионами водорода.
Электропроводность грунта зависит от его минералогического состава, количества влаги и солей в почве. Каждый вид грунта имеет свое определенное значение электропроводности, оно может колебаться от нескольких единиц до нескольких сотен Ом на метр. Соленость грунта оказывает огромное влияние на его электропроводность. С увеличением содержания солей легче протекают анодный и катодный электродные процессы, что снижает электросопротивление. Почти всегда определив электропроводность грунта можно судить о его степени коррозионной агрессивности (для стали, чугуна). Исключение составляют водонасыщенные почвы.
Минералогический состав и неоднородность грунта оказывают большое влияние (как и влажность) на омическое сопротивление. В глинисто-песчаном влажном грунте удельное сопротивление почвы составляет около 900 Ом•см, а в таком же грунте, только сухом – 240000 Ом•см. С уменьшением удельного сопротивления грунта его агрессивность увеличивается.
Минерализация почвы может колебаться в пределах 10 – 300 мг/л.
Неоднородность грунта приводит к возникновению гальванопар, которые только усиливают почвенную коррозию, делают разрушение неравномерным.
Влияние температуры грунта на почвенную коррозию металлов. Температура может колебаться в очень больших пределах. Зимой, когда свободная вода, заполняющая капилляры в почве замерзает - скорость почвенной коррозии немного уменьшается. Это также связано с плохой аэрацией поверхности металла. В летнее время, когда на улице стоит жара, скорость почвенной коррозии может замедлятся также, что объясняется высыханием почвы. Самый большой ущерб почвенная коррозия наносит в межсезонье, когда грунт достаточно влажный, созданы оптимальные условия для протекания коррозионного процесса. Температура грунта зависит от времени года, географической широты, времени суток, погоды.
Значительное различие температур на конструкции, имеющей большую протяженность (подземный трубопровод) может быть причиной образования термогальванических коррозионных пар, которые обеспечивают усиление местной почвенной коррозии.
В почве живут и развиваются два вида микроорганизмов: аэробные (могут существовать только при наличии кислорода), анаэробные (для обеспечения их жизнедеятельности кислород не требуется). Они оказывают огромное влияние на почвенную коррозию металлов. Почвенная коррозия металлических сооружений, вызванная жизнедеятельностью живых микроорганизмов носит название биологическая (биокоррозия) либо биохимическая.
Аэробные микроорганизмы (почвенные) существуют двух видов: одни принимают непосредственное участие в осаждении железа, другие – окисляют серу. Оптимальными условиями для существования анаэробных серобактерий является кислая среда (3 – 6 рН). Серобактерии окисляют сероводород в серу, а потом - серную кислоту по следующим уравнениям:
2H2S + O2 = 2H2O + S2;
S2 + 2H2O + 3O2 = 2H2SO4.
В местах наибольшего количества серобактерий концентрация серной кислоты может достигать 10%. Это очень сильно ускоряет почвенную коррозию, особенно стали.
При рН грунта около 4 – 10 развиваются бактерии, перерабатывающие железо. Эти бактерии в процессе своей жизнедеятельности поглощают ионы железа, а выделяют нерастворимые соединения, содержащие Fe. В местах скопления железобактерий наблюдается большое количество нерастворимых железистых соединений, которые увеличивают гетерогенность поверхности. Это явление также оказывает большое влияние на скорость почвенной коррозии.
Анаэробные микроорганизмы могут вырабатывать углеводороды, сероводород, угольную кислоту и множество других химических соединений. Они могут разрушать защитные покрытия, воздействовать на ход анодной и катодной реакции, менять характеристики почвы.
Среди анаэробных микроорганизмов самыми опасными можно считать сульфатредуцирующие бактерии. Оптимальные условия для их существования, почва со значением рН 5,5 – 8 (болотные, глинистые, илистые грунты). Бактерии восстанавливают сульфаты, содержащиеся в почве. Этот процесс можно описать следующим уравнением:
MgSO4 + 4H = Mg(OH)2 + H2S + O2.
Выделившийся кислород обеспечивает протекание реакции на катоде. Сероводород и сульфиды в почве являются причиной появления на поверхности эксплуатируемой конструкции рыхлого слоя сульфида железа.
Наиболее распространённой почвообразующей породой в Вологодской области является морена, поэтому в области преобладают суглинистые и глинистые почвы, часто завалуненные. Морена, как правило, карбонатна с глубины 80 — 100 см, реакция моренного суглинка близка к нейтральной, иногда — слабокислая (на глубине 80—90 см, тогда как еще глубже идет, понятно, карбонатная порода).Моренный суглинок с нейтральной реакцией имеет высокую степень насыщенности основаниями. В целом по приведенным характеристикам можно сделать вывод о том, что по коррозионной активности почва Вологодской области относится к низкоагрессивным грунтам.
Практически все металлы, длительное время находящиеся в почве, подвержены коррозии, в результате чего они снова переходят в состояние химических соединений, подобных тем, в которых находились в рудах. Коррозия начинается чаще всего на поверхности металлических изделий и постепенно проникает внутрь. Одни металлы разрушаются очень быстро, другие оказываются более стойкими, однако нет ни одного, который обладал бы абсолютной коррозионной стойкостью. По сравнению с другими металлами железо более сильно подвергается разрушению, сложность этого процесса обусловлена многообразием образующихся соединений. Железные предметы покрываются слоем окисей, различными солями и другими соединениями сложного состава.
Железные предметы, извлеченные из-под земли, покрыты слоями продуктов коррозии различного типа. Внутренний слой, как правило, представлен смешанным оксидом Fe3O4(FeO•Fe2O3). Один или несколько внешних слоев содержат континуум Fe3O4, покрытый гидроксидом железа и накоплениями почвы.
Особенно опасными соединениями, сильнодействующими на железо, являются хлористое железо (FeCl2) и хлорное железо (FeCl3). При этом концентрация хлоридов в порах предмета может быть выше, чем в окружающем грунте вследствие их передвижения к металлу в процессе электрохимической коррозии. Таким образом, металлический объект накапливает большое содержание в порах и каналах металла и коррозионных слоев.
У только что извлеченных из почвы и невысохших археологических объектов поры в продуктах коррозии железа заполнены почвенным раствором, содержащим катионы Fe2+, FeOH+, Н+, анионы Сl-. При высыхании археологической находки хлориды, заполняющие поры и каналы коррозионных слоев, кристаллизуются и оказывают давление на стенки пор в материале, что приводит к их растрескиваниям и разрушениям. Вследствие чего обеспечивается активный доступ кислорода к внутренним коррозионным слоям и к поверхности металлического железа. Внезапный доступ кислорода окисляет ионы Fe2+с образованием оксогидроксидов железа: 4 Fe2++О2+6Н2О <-> 4 FeOOH+8Н+.
Кислотность при этом возрастает, в результате активизируется коррозия незатронутого металлического железа: Fe+1/2О2+2Н+<-> Fe2++Н2О; Fe2++Н2О <-> Fe(OH)++Н+.
Образование оксогидроксидов железа значительно осложняет процессы коррозии. Увеличение их объема вызывает напряжения в коррозионных слоях на металле, что приводит к возникновению трещин и прочих повреждений; как следствие, обеспечивается доступ кислорода и усиливается коррозионный процесс.
Образование оксогидроксида сопровождается выделением соляной кислоты, которая в свою очередь разъедает не затронутое коррозией железо с образованием хлорида согласно уравнениям:
2FeCl2+3Н2О+1/2О2<-> 2FeOOH+4НСl ; 2Fe+4НСl+O2<-> 2FeCl2+2Н2О.
Это объясняет активное разрушение металлических объектов, извлеченных из почвы, и роль ионов Cl-в этом процессе.
Подготовка образцов к испытанию
Железные гвозди зачищают наждачной бумагой или, при необходимости, напильником. Измеряют линейкой их размеры с точностью до 0,1 мм, обезжиривают органическим растворителем (ацетоном, бензином, керосином) и взвешивают на аналитических весах с точностью до +0,0002 г.
В качестве количественных характеристик процесса коррозии возьмем массовый показатель скорости коррозии v=Δm / S•t, где
Опыт № 1 Роль кислорода в процессе коррозии железа
Цель опыта: установить зависимость степени коррозии железа от степени аэрации – то есть от доступа кислорода к поверхности металла.
в пробирку № 1– до половины,
в пробирку № 2- до верха
в пробирку № 3 – до верха и нальем слой растительного масла. Сплошной слой масла блокирует поступление кислорода в толщу воды.
в пробирку № 4 - добавим воды до верха, после чего вытесним ее кислородом. Кислород получим путем разложения перманганата калия.
Роль кислорода в процессе коррозии железа | |||||
№ пробирки | Среда | Масса гвоздя до эксперимента, г | Масса гвоздя после эксперимента, г | Количественные показатели коррозии | |
Массовый показатель скорости коррозии, г/см2 -ч | Потеря массы, г | ||||
1 | 1/2 пробирки воды | 0,930 | 0,898 | 0,0000088183 | 0,032 |
2 | полная пробирка воды | 0,922 | 0,899 | 0,0000063382 | 0,023 |
3 | вода + слой растительного масла | 0,934 | 0,934 | 0,00 | 0,000 |
4 | кислород | 0,916 | 0,911 | 0,0000013778 | 0,005 |
В пробирках № 1 и № 2 гвозди подвергаются коррозии в большей степени, при чем в пробирке № 1 где гвоздь виден из воды, коррозия железа достигла большего размера, чем в пробирке, где гвоздь полностью покрыт водой. То есть, на границе раздела воздух – вода металл больше подвергается коррозии, так как идет соприкосновение воды и металла с кислородом воздуха и процесс окисления железа ярче выражен.
В пробирке № 3 из-за слоя растительного масла доступ кислорода в пробирку прекращен, процесса коррозии за 2,5 месяца проведения эксперимента по показателю потери массы гвоздя не зафиксировано.
В пробирке № 4 потеря массы составила 0,005 г, что свидетельствует, что процессы коррозии незначительны, это связано с тем, что в пробирке отсутствовала вода.
2Fe + 2H2O + O2 = 2Fe(OH)2
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3
Опыт № 2 Влияние различных сред на процессы коррозии железа.
Цель опыта: установить зависимость степени коррозии железа от различных сред
2. Опустим в пробирки железные гвозди и добавим:
Влияние различных сред на процессы коррозии железа | |||||
№ пробирки | Среда | Масса гвоздя до эксперимента, г | Масса гвоздя после эксперимента, г | Количественные показатели коррозии | |
Массовый показатель скорости коррозии, г/см2 -ч | Потеря массы, г | ||||
1 | Серная кислота (конц) | 0,930 | 0,255 | 0,0001860119 | 0,675 |
2 | Серная кислота (разб) | 0,926 | 0,674 | 0,0000694444 | 0,252 |
3 | Серная кислота 60% | 0,932 | 0,242 | 0,0001901455 | 0,690 |
4 | Соляная кислота (конц) | 0,922 | 0,000 | 0,000254-785 | 0,922 |
5 | Соляная кислота (разб) | 0,929 | 0,278 | 0,0001793981 | 0,651 |
6 | NaOH | 1,453 | 1,453 | 0,00 | 0,000 |
7 | NaCl | 0,997 | 0,948 | 0,000013503 | 0,049 |
8 | железный гвоздь, обмотанный медной проволкой +поваренная соль | 0,936 | 0,833 | 0,000028384 | 0,103 |
9 | железный гвоздь + водопроводная вода | 0,937 | 0,900 | 0,0000101962 | 0,037 |
10 | железный гвоздь +дистиллированная вода | 0,920 | 0,885 | 0,0000096451 | 0,035 |
Выводы:
Пробирки № 1 - № 3. В ходе проведения химического эксперимента было установлено, что наибольшая скорость коррозии наблюдается в растворе 60% серной кислоты. В разбавленной серной кислоте скорость коррозии железа почти в три раза меньше, чем в 60%. Известно, что железо пассивируется в безводной серной кислоте, но в концентрированной серной кислоте вступает с ней в реакцию с выделением следующих продуктов:
2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
Пробирка №4, №5 Соляная кислота является очень агрессивной по отношению к металлам, в пробирке № 4 гвоздь растворился полностью, в пробирке № 5 скорость коррозии значительная.
Пробирки № 6, №7, № 8 Щелочи являются ингибиторами коррозии, поэтому в пробирке № :- разрушения металла не происходит, что связано с тем, что гидроксид анионы замедляют анодные процессы коррозии. Хлорид натрия является сильным активатором коррозии, поэтому в пробирке № 7 наблюдается потеря массы металла. При контакте с менее активным металлом возникает гальваническая пара и разрушается более электроотрицательный металл. В паре железо-медь будет разрушаться железо, а в высокоагрессивной среде (NaCl) скорость разрушения возрастает.
Пробирки № 9, № 10 В водопроводной воде скорость коррозии выше, так как в ней содержатся соли, в большинстве своем являющиеся активаторами коррозии.
Опыт № 3 Влияние хлор-иона на коррозию железа.
Цель опыта: установить зависимость степени коррозии железа от присутствия в среде хлорид ионов.
Ион хлора является сильным активатором коррозии.
В пробирку № 2 добавим железный гвоздь и раствор хлорида меди (II)
Влияние хлор-иона на коррозию железа | |||||
№ пробирки | Среда | Масса гвоздя до эксперимента, г | Масса гвоздя после эксперимента, г | Количественные показатели коррозии | |
Массовый показатель скорости коррозии, г/см2 -ч | Потеря массы, г | ||||
1 | Fe+CuSo4 | 1,063 | 0,857 | 0,0000567668 | 0,206 |
2 | Fe+CuCl2 | 0, 924 | 0, 409 | 0,0001419201 | 0,515 |
Вывод: В пробирках № 1, № 2 наблюдается значительная потеря массы металла, что связано с тем, что хлорид- и сульфат- ионы являются активаторами коррозии, в частности хлорид-ионы адсорбируются на поверхности защитной пленки металла, а затем вытесняют из оксида ионы кислорода. В результате образуется хлорид металла, растворимый в воде, а в защитной пленке образуются поры. Сульфаты влияют на снижение рН среды и, как следствие, на увеличение скорости коррозионных процессов. Таким образом, высокие концентрации хлорид- и сульфат-ионов приводят к увеличению скорости коррозии, особенно в присутствии кислорода.
Fe +CuCl2=FeCl2+Cu
После изучения влияния среды на процессы коррозии железа была проведена экспериментальная работа по реставрации разрушенного процессом коррозии металлического предмета. Перед началом работ был составлен план реставрации и подобраны методики проведения экспериментальных работ на основании Были получены консультации у сотрудников Вологодского филиала Всероссийского художественного научно-реставрационного центра имени академика И.Э. Грабаря.
При составлении плана реставрации металлического предмета учитывалось, что он длительное время находился в земле. При нахождении объекта из железа в земле, ионы хлора мигрируют из почвы и накапливаются в объекте, образуя растворимые и плохо растворимые соединения. Хлориды не вступают в реакции, а являются катализатором (электролитом). Эти соли гигроскопичны и притягивают влагу. Кроме этого, хлориды разрушают пассивирующий слой и тем самым способствуют дальнейшей коррозии. Хлориды железа хорошо растворимы в воде. С повышением температуры растворимость повышается. После того, как находка извлечена из земли, хлорид железа находящийся в продуктах коррозии под действием кислорода и влаги преобразуется в акагенит FеО(ОН) . Хлорид железа встраивается в кристаллическую решётку акагенита и точная формула будет FеО(Cl, ОН). При образовании этого соединения происходит увеличение объёма продуктов коррозии, что приводит к появлению трещин, а в дальнейшем и к расслаиванию.
№ п/п | Наименование работ | Описание | Продолжительность | Результат |
1 | Определение сохранности металлического предмета | Наличие металлического ядра было выявлено простукиванием: звонкий звук свидетельствует о сохранившемся металлическом ядре | 15 минут | Установлено, что металлическая подкова хорошо сохранилась |
2 | Определение железа | Наличие железа в металлическом предмете определено магнитом | 5 минут | Установлено, что металлическая подкова изготовлена из сплава железа |
3 | Очистка от земли | Промывка подковы под струей дистиллированной воды, аккуратная очистка неметаллической щеткой и скальпелем | 3 раза по 30 минут | Подкова частично очищена от земли и грязи |
4 | Щелочная промывка | Промывка подковы 2% NaOH | Выдерживаем в растворе в течение недели | Раствор NaOH стал коричневого цвета, видимых изменений с подковой не произошло |
5 | Щелочно-сульфитная обработка | Обработка подковы в растворе, содержащем 65 г/л сульфита натрия с 25 г/л гидроксида натрия | Выдерживаем в растворе в течение 3 месяцев | Верхний слой металла стал более рыхлым, ржавчина хорошо отчищается от поверхности металла Объяснение процессов: Плотные соединения трехвалентного железа восстанавливаются в менее плотные соединения двухвалентного железа, т.е. к увеличению пористости продуктов коррозии и, соответственно, повышению скорости удаления хлоридов. Fe3+ ------Fe2+ |
6 | Промывка дистиллированной водой | Промывка подковы под струей дистиллированной воды, аккуратная очистка металлической щеткой и скальпелем | В течение недели по 30-40 минут в день | Поверхность подковы стала более гладкой, слои ржавчины удалены. |
7 | Проверка присутствия хлор-иона | Помещение подковы во влажную камеру | 24 часа | Расплывчатых капель воды не обнаружено, поэтому хлорид-ионов нет |
8 | Консервация металлического предмета | Обработка подковы 5% раствором танина в спирте | Погружение в раствор на 7 дней | Поверхность подковы стала блестящей, черного цвета. |
В ходе исследовательского проекта были изучены теоретические основы процессов коррозии металлов, рассмотрены вопросы освоения железа человеком, влияние коррозионных сред на процессы образования ржавчины.
Проведены экспериментальные работы по влиянию агрессивных коррозионных сред на железо и реставрации разрушенного металлического предмета.
Выявлено, что процесс реставрации металлического предмета можно осуществить в химической лаборатории по самостоятельно разработанному плану.
Осуществлено восстановление разрушенного металлического предмета, подкова приобрела гладкую ровную поверхность черного цвета. Таким образом, мы достигли поставленной цели.
Снежная зима. Рисуем акварелью и гуашью
Два Мороза
Новогодние гирлянды
Астрономический календарь. Ноябрь, 2018
Вокруг света за 80 дней