МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ЗАНЯТИЯ ПО ХИМИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ «КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ИНТЕГРИРОВАННОГО ЗАНЯТИЯ ПО ХИМИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

ТЕМА: «КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ.
ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ»











Разработала
преподаватель химии
специалист 1 категории
АФОНИНА И.Н.












ПЛАН ЗАНЯТИЯ

Тема - «КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ.
ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ»
Цель-
дидактическая - закрепление знаний о химических свойствах металла: изучение видов коррозионных разрушений, методов защиты металлов от коррозии, ознакомление студентов с проблемой защитных покрытий как средств защиты металла от внешней среды; развитие умений и навыков применять свои знания о металлах в практической деятельности;
воспитательная - формирование навыков работы в команде; развитие
способности принимать решение, решать проблемы.

Вид занятия : интегрированное занятие по химии и материаловедению
Тип занятия : исследование, обобщение и уточнение знаний по теме
Форма организации учебной деятельности: работа в малых группах
Метод и приемы учебы: деловая игра
Дидактичное обеспечение: задание для групп, таблица оценивания, таблица физических и химических свойств металлов, таблица электродных потенциалов металлов, реактивы и необходимо оборудование, плакать, эмблемы.
Межпредметные связи: физика, основы экономики, социология, материаловедение
математика, биология.

Ход занятия

І. Организационный момент

Преподаватель химии. Мы проводим интегрированное занятие по химии и
материаловедению.
Сообщение темы и цели урока.

Преподаватель материаловедения. Предлагаю провести наше занятие немного необычайно. Представим себе, что наш техникум научно-исследовательский институт, а кабинет химии в нем химическая лаборатория . В лаборатории работают разные отделы:
отдел теоретической химии;
отдел информации
отдел экспериментальной химии;
отдел связи с общественностью:
отдел практической химии.
(Разделяем группу на «отделы»).
Прошу в каждом отделе выбрать заведующего.
Преподаватель химии научный руководитель теоретической части лаборатории, преподаватель материаловедения научный руководитель производственной части лаборатории.


Уважаемые коллеги! Нашей лаборатории пришел госзаказ исследовать коррозию металлов, выучить проблему защиты металлов от коррозии. Предлагаю исследование этой проблемы провести по такому плану. ( записано на доске)
1. Свойства металлов
2. Виды коррозии
3. Виды коррозийных разрушений
4. Методы защиты металлов от коррозии
На выполнение задания нам дается 90 рабочих дней (90 минут). Каждый отдел получает задание

II. Учебная часть

Преподаватель химии. Отдел теоретической химии должен осветить такие вопросы:
1. Свойства металлов:
а) физические свойства металлов;
б) химические свойства металлов (подтвердить уравнениями реакций);
в) механические свойства металлов;
г) технологические свойства металлов.
Слово предоставляется работникам отдела теоретической химии.
Все свойства металлов разделяются на физические, химические, механические и технологические.







Металлический блеск
В компактном состоянии все металлы хорошо отбивают световые лучи, имеют блеск (металлический). Световые лучи (его «носители» частицы фотоны) отбивают свободными электронами.
Электропроводимость металлов
Величина электропроводимости металлов зависит от наличия свободных электронов, внутренней структуры металлов и условий, что облегчают перемещение электронов.


Теплопроводимость металлов
Явление теплопроводимости металлов так же, как и электропроводимости связано с наличием в них свободных электронов, которые есть переносниками тепловой энергии.














Механические свойства металлов
Механическими свойствами металлов называется совокупность свойств, которые характеризуют способность металлических материалов подвергаться влиянию внешних усилий (нагрузок).
К механическим свойствам металлических материалов принадлежат: прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость и хрупкость.
Механические свойства являются основной характеристикой металлов и сплавов, потому на заводах созданы специальные лаборатории, где проводятся многообразные испытания с целью определения этих свойств.
Наибольшее распространение имеют статические испытания и растягивания, динамические (ударные) испытания и испытания на твердость. Во время статических испытаний металлический образец поддают действию постоянной нагрузки или нагрузки, которая растет крайне медленно.
Во время динамических испытаний на металлический образец действует нагрузка, которая растет достаточно быстро, то есть удар.

Технологические свойства металлов
Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться разным методам горячей и холодной обработки. К технологическим свойствам металлов и сплавов принадлежат литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резательными инструментами.


Преподаватель материаловедения. Отдел информации получил такое задание:
1. Понятие коррозии металлов.
2. Рассмотреть химическую и электрохимическую коррозию.
3. Виды коррозийных разрушений:
а) равномерное;
б) местное;
в) межкристаллическое
Предоставляем им слово.
Коррозией называется разрушение металлов и сплавов под воздействием химического или электрохимического влияния внешней среды.
Коррозия наносит огромный вред народному хозяйству. Для борьбы с коррозией необходимо изучать ее причины и искать эффективные мероприятия защиты металлов от преждевременного разрушения.
В основе разрушения металлов от коррозии лежат сложные физико-химические процессы, которые протекают на грани металла и внешней среды. В зависимости от механизма процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.
1. Химическая коррозия возникает в результате химического взаимодействия металлов со средой, которая не является проводником электрического тока. Химическая коррозия протекает в сухих газах при высоких температурах или в неэлектролите, то есть в жидкостях, которые не проводят электрический ток (нефть, бензин, керосин, масла и т. др.).
Во время химической коррозии металлы вступают в химическое взаимодействие с активными веществами внешней среды, чаще всего с кислородом. В результате такого взаимодействия на поверхности металла образуется пленка из продуктов коррозии (обычно окислов), и металл начинает разрушаться. Прочность пленок окислов у металлов разная. У некоторых металлов пленки окислов достаточно крепки. Например, алюминий в результате того, что окисляется, укрывается крепкой пленкой окисла, которая защищает металл от последующего разрушения. У сталей и чугуна пленка окислов не прочна, она легко разрушается, и коррозия проникает вглубь металла.
Задание
Записать уравнение реакций, которые приводят к химической коррозии металлов, и составить электронный баланс, указать окислитель и восстановитель:



2. Электрохимическая коррозия возникает в случае влияния на металл электролитов, то есть жидкостей, которые проводят электрический ток (растворы солей, кислот, щелочей). Электрохимическая коррозия является наиболее распространенным видом коррозии. Она сопровождается возникновениям не только химических, но и электрических процессов.
В электрохимической коррозии процесс того, что окисает возобновление разомкнутый. Ионизация атомов металла и возобновления окислителя протекают не одновременно, их скорости зависят от многих факторов. Процесс электрохимической коррозии противоположен процессу электролиза.



Ряды катионов и анионов, которые принимают участие в процессе коррозии





Образование анодных и катодных участков в металлических материалах предопределенно состоянием металла (неоднородность структуры, наличие повреждений, внутренних напряжений, загрязнений и тому подобное) и влиянием агрессивных сред (влажный воздух, электролит и др.).
На грани катодного и анодного участков микрогальванической пары, в среде электролита происходит разрушение металлических кристаллов анодного участка и переход атомов металла из кристалла в окружающую среду в виде гидратированных ионов. На катодном участке металла молекулы воды или оксигеносодержащих анионов разряжаются, в результате чего выделяется атомарный кислород, что окисляет разрушенную поверхность металлического кристалла.
Процессы электрохимической коррозии происходят во время ржавления металлических конструкций в атмосфере, металлической обшивки кораблей в речной или морской воде, ржавления стальных труб газопровода в земле, разрушение баков и аппаратов растворами кислот, солей, щелочей и тому подобное.
Задание
Как происходит атмосферная коррозия луженой меди в результате нарушения покрытия? Решение



По характеру коррозионных разрушений различают
- равномерную (поверхностную),
- местную ,
- межкристаллическую коррозию.

1. Поверхностная коррозия равномерно распределяется по всей поверхности металла. Скорость распространения равномерной коррозии легко определить, процесс коррозии хорошо заметен, потому можно предварительно рассчитать возможный срок службы детали. Поверхностная коррозия чаще всего наблюдается у чистых металлов в сильнодействующих средах, которые препятствуют образованию защитной пленки, и в сплавах с однородной структурой: сплавах твердых растворах, сплавах химических соединениях.

2. Наиболее опасным видом коррозийного разрушения является местная коррозия. В этом случае коррозия не распространяется равномерно по всей поверхности, а сосредоточивается на отдельных участках детали, проникая вглубь металла. Чем более неравномерной является коррозия, тем она опаснее. Местной коррозии поддаются железо, постоянные, алюминиевые сплавы в пресной и морской воде, в почве и некоторых окислительных средах. Развитию местной коррозии особенно содействуют дефекты на поверхности металлических деталей.

3.В результате межкристаллической коррозии разрушение металлов происходит по границы зерен. Внешняя поверхность металла при этом виде коррозийного разрушения остается гладкой, потому найти межкристаллическую коррозию заблаговременно тяжело. Это может привести к серьезным авариям. Такой вид коррозии чаще всего наблюдается в алюминиевых сплавах в результате влияния морского воздуха или воздуха, загрязненного отходами промышленного производства. Особенно опасной является межкристаллическая коррозия в некоторых коррозионностойких сталях возле сваренных швов, в частности в стали марки 2Х18Н9.

Преподаватель химии. Кто не сердился, что у него заржавел нож, поржавела посуда, порвалась цепь колодца, что через повреждение трубы прекратилась подача воды или, напротив, вода залила кухню, что протекла крыша, был перегоревшим электроутюг. Но не каждый знает, что все эти события не случайные неприятности, а следствия одного общего явления коррозии.
Как видим, причин возникновения коррозии металла достаточно много. Потому и методы борьбы с коррозией очень многообразны.

Преподаватель материаловедения .Отдел практической химии подготовил информацию о методах защиты металла от коррозии, что применяются на предприятиях Донецкой области.
Задание
1.Подбор металлических материалов, стойких в определенной среде.
2.Металлические защитные покрытия:
а) гальванический способ;
б)металлизация;
в) горячий способ.
3.Неметаллические покрытия.
4.Составить схему классификации защитных покрытий металлов.

Для защиты металлов от коррозии изготовляют специальные антикоррозионные сплавы и подбирают металлические материалы, стойкие в определенной среде. Антикоррозионные сплавы получают путем легирования их элементами, повышают коррозионную стойкость.
Это хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, титан, ниобий, алюминий, медь.
Наша промышленность выплавляет высоколегированные стали с особенными химическими свойствами, стойкие против коррозии в воде, атмосфере, сухих газах при высоких температурах, растворах многих кислот и щелочей.
Это 1X13, 2X13, 0Х18Н11, 0Х18Н12Т, Х15Н9Ю, Х28, Х5, ХН70ВМТЮ, ХСМ.
В последние годы резко увеличилось производство титана и его сплавов, которые имеют коррозионную стойкость к большему количеству сред, чем нержавеющие стали.

Металлическое покрытие это защита поверхности металлических изделий от коррозии с помощью покрытия их другим металлом. Цель нанесения металлических покрытий на изделия не только изолировать основной металл от влияния внешней среды, но и, насколько возможно, обеспечить его электрохимическую защиту. Для этого металлические покрытия выбирают так, чтобы их электродный потенциал был негативнее, чем потенциал материала изделия. На производстве значительное распространение получили такие металлические покрытия: гальваническое покрытие, металлизация, горячий и диффузионный способы.






1 - и студент. Горловский машиностроительный завод им. Кирова.
Защита металлов от коррозии осуществляется в гальваническом цехе. Этот способ заключается в нанесении на поверхность металлического изделия тонкого слоя защитного металла из водного раствора его соли с помощью электролиза. Процесс осуществляется в кислых или щелочных ваннах. При этом пластины из металла, который осаждается, соединяются с положительным полюсом источника постоянного тока, а изделие, которое защищается, - с отрицательным. Во время пропускания электрического тока через электролит металл из пластинок переносится на изделие и осаждается на его поверхности. Толщина защитного покрытия составляет 0,005-0,030 мм . Этим способом наносят на поверхность изделий цинк, кадмий, олово, хром, никель и другие металлы. При этом можно регулировать толщину защитного слоя и расчетливо тратить дефицитные металлы. Защитные гальванические покрытия выходят ровными и плотными.

2-й студент. Новогорловский машзавод.
Здесь защиту металлов осуществляют путем металлизации или способом разбрызгивания. Этот способ заключается в нанесении защитного металлического покрытия на поверхность изделий путем распыления расплавленного металла струей сжатого воздуха с помощью специального аппарата (металлизатора). Этим способом делают покрытие изделий алюминием, свинцом, цинком, кадмием, медью и другими металлами. Покрытия путем разбрызгивания выходят пористыми и уступают в качестве и защитных свойствах гальваническим покрытиям. Разбрызгивание применяется для нанесения защитных покрытий на большие детали или конструкции, когда другие способы покрытия применить невозможно.

3-й студент. Горловский авторемонтный завод.
Для защиты металла от коррозии здесь используют горячий способ. Он заключается в том, что металлические изделия окунают в ванну с расплавленным металлом: цинком, оловом, свинцом. Когда изделие вынимается из ванны, его поверхность остается покрытой слоем защитного металла. Этим способом покрывают готовые изделия и полуфабрикаты (трубы, провод). Недостатком этого способа является сложность регуляции толщины покрытия, его неравномерность, большие расходы металла.

4-й студент. ВАТ «Концерн Стирол».
Здесь широко применяются неметаллические покрытия как средство защиты от коррозии.
Роль неметаллических покрытий как средств защиты от коррозии сводится к изоляции металла от внешней среды. К неметаллическим покрытиям принадлежат: лакокрасочные покрытия, эмали, смазки, покрытие слоем резины, окислительные защитные пленки.
Способ лакокрасочных покрытий металла являет собой процесс нанесения и закрепления на поверхности изделий пленки, которая состоит из раствора органического пленообразующего вещества (растительного масла, смол ), которое содержит неорганические или органические красители. Лакокрасочное покрытие является наиболее распространенным способом защиты металла от коррозии, оно дешевле металлических покрытий, но уступают им в прочности.

Эмали представляют собой нерастворимые силикаты как стекло. Они защищают металл подобно лакам и краскам и применяются в химической промышленности, в производстве предметов домашнего потребления (посуда, раковины, ванны).
Смазка это в основном смеси веществ, которые не твердеют и не окисляються (вазелин, парафин, масла), с добавками загустителей. Они применяются для защиты разных металлических изделий во время хранения их в хранилищах и при транспортировке. В последнее время в составы смазок и паковочных бумаг вводят вещества, которые являются ингибиторами коррозии. Некоторые ингибиторы смазки служат одновременно и смазками трения.
Покрытие металла резиной или эбонитом применяется в химической промышленности для защиты от коррозии разной аппаратуры, баков, системы химводоочистки.
Окислительные защитные пленки металлических изделий в основном получают оксидированиям и фосфатированиям.
Оксидирование это обработка изделия в сильных окислителях, например в водном растворе едкого натра и селитры.
Фосфатирование стали заключается в обработке ее водным раствором соли фосфорнокислого Феруму и Мангану. При этом на поверхности изделия образуется пленка, которая состоит из нерастворимых в воде фосфорнокислих соединений Феруму и Мангану, которые имеют высокие защитные свойства.


Классификация защитных покрытий металлов












Преподаватель химии. Отделу экспериментальной химии дано задание провести опыты и сделать выводы.


Опыт 1.
Влияние кислорода на коррозию стали в кислой среде
В обычный лабораторный стакан наливается двухнормальный раствор сульфатной кислоты. В него погружаются две стальных пластинки, присоединенной с помощью электропроводов к гальванометру. Стрелка гальванометра устанавливается на нуле. Если на одну из пластинок направить струю воздуха с помощью обычной резиновой груши, то немедленно можно заметить отклонение стрелки прибора. Если струю воздуха направить на другую пластинку, то стрелка гальванометра отклоняется в другую сторону.

Опыт 2.
Влияние гальванических пар на процесс коррозии
В два стакана со смесью растворов двухнормальной сульфатной кислоты,
гидроген пероксиду и калий роданида окунают медную и цинковую пластинки, к которым прикреплены стальные канцелярские скрепки.

Опыт 3.
Ингибиторная защита металлов и сплавов от коррозии
В два стакана с двухнормальным раствором сульфатной кислоты окунают по стальной канцелярской скрепке. Когда реакция пойдет энергично, в один из стаканов наливается 10%-й раствор уротропина. Сначала реакция железа с сульфатной кислотой замедляется, а затем совсем прекращается.

Слово предоставляется отделу экспериментальной химии.

Вывод 1. Опыт показывает, что кислород усиливает процесс коррозии стали в кислой среде.
Вывод 2. Опыт показывает, что там, где стальная скрепка была прикреплена к цинковой пластинке, происходит разрушение цинка и не происходит разрушение стали. В другом стакане медь как менее активный металл не разрушается, зато хорошо взаимодействует с коррозионной средой стальная скрепка. Ионы Fе3+, реагируя с ионами SCN-, образуют кроваво-красный раствор. Опыт свидетельствует о том, что для замедления процесса коррозии стали целесообразно использовать пластины цинка (протекторная защита).
Протектор метал-«жертва», что, разрушая, защищает от коррозии другой металл. Практически протекторная защита осуществляется путем присоединения к конструкции, которая защищается, куску металла (протектора), который имеет в определенной среде низший электродный потенциал, чем потенциал металла конструкции. Протекторная защита широко применяется для предотвращения подземной коррозии трубопроводов, нефтепроводов, кабелей. Этот метод применяется также для защиты от коррозии насосов, подводной части кораблей, гидросамолетов. Как металл для протекторов чаще всего используется цинк.




Вывод 3. Опыт показывает, что уротропин является ингибитором кислотной коррозии.
Ингибиторы это вещества, которые замедляют процесс коррозии металлов
в агрессивных средах, их вводят в состав как коррозийной среды, так и защитных покрытий. В последнее время ингибиторы широко вводятся в состав смазок и паковочных бумаг. Тормозящее действие ингибиторов коррозии предопределено их способностью создавать на поверхности металлов самые тонкие защитные пленки, которые изолируют металл от внешней среды.

Преподаватель материаловедения.
Отдел связи с общественностью подготовил выступление на телевидении.
Одна из глобальных проблем, которые стоят перед человечеством, - это экономия природных ресурсов, поиски их заменителей. Потому сегодня особенно остро чувствуются огромные убытки, что наносит коррозия во всех промышленно развитых странах. Убытки составляют около 5-10 % от национального дохода страны. Потери от коррозии металлов во всем мире большие, чем от стихийных бедствий, вместе взятых, включая ураганы и тайфуны. Расходы на покрытие убытков в результате действия коррозии эквивалентные расходам на ведущие отрасли хозяйства. Можно сказать, что продукция каждой шестой домны в мире тратится на возмещение этого ущерба. Но уже сегодня наука имеет в своем распоряжении большой арсенал средств, способных в значительной мере снизить расходы металлов, которые пожираются коррозией.
Приведем отрывок из статьи, опубликованной «Горном журнале» в 1834 г. Под названием «Улучшение железа и стали посредством ржавления в земле».В ней, в частности, говорится: «Когда по приказу правительства старый Лондонский мост на Темзе был сломан, то значительное количество железа, которое лежало в земле и на протяжении нескольких столетий поддавалось тому, что ржавеет и которым были обитыми сваи моста, приказано было продать из публичного торга. Г. Вейс, известный производитель ножей, зная, без сомнения, цену этой покупки, удержал за собой весь запас заржавленного железа, потому что в настоящее время обнародовал он важное открытие: железо, подданное в земле ржавчине, дает прекрасного качества сталь. Допуская, что это происходит не искусственно, а действует здесь сама природа, Г. Вейс закапывает в землю клинки обычных бритв, ножей. Через три года происходит этот процесс. В старом мостовом железе оказалось, что твердые массы мало потеряли свои железные свойства, напротив, тонкое листовое и обручное железо одним звуком обнаруживает самую качественную сталь, в которую оно превратилось. Г. Вейс заверяет, что на протяжении приобретения всего своего опыта он не видел лучшей стали...»
Г. Вейсу выдали патент, но если учесть опыт грузин и японцев, то он совсем не был первооткрывателем.
Восточные металлурги испокон веков закапывали железо в землю на 10-15 лет, прежде чем изготовлять из него свои сабли, способные перерубать ружейный ствол.

Преподаватель химии. Скажем прямо, игра достойна свеч, и не только свеч, а ингибиторов, лаков, красок, полимеров и легирующих добавок.




III. Подведение итогов занятия

Дебрифинг
Преподаватели вместе со студентами обсуждают вопросы:
Какой отдел полно и убедительно осветил вопрос?
Насколько самостоятельным и убедительным был представитель вашего отдела?
Кто из членов отдела большее активно принимал участие в работе?
Кто из членов отдела обнаружил творческое мышление, показал умение находить выход из нестандартных ситуаций?
Кто из членов отдела обнаружил умение сотрудничать, умело защищал свое мнение, при этом с уважением относился к мнениям своих товарищей?

Выставление оценок, их обоснования


Домашнее задание

Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа в случае нарушения покрытия? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов.




















Литература
Астахов А. И., Касьяненко А. И. Химия. К.: Высшая школа, 1976.
Хомченко И. Г. Общая химия: Учебник для техникумов. М.: Химия, 1987.
Жолондковский О. И., Лебедев Ю. А. Бой с пожирателями металла.М.:Знание, 1984.
Помазан О. К. и др. Коррозия враг металла. Донецк: Донбасс, 1983.
Эрдеи-Груз Т. Химические источники знергии. М.: Мир, 1974.
Гаркунов В. П, Юоцявичюте Н. П. Взаимосвязь химии и материаловедения при
изучении металлических материалов. Л.'ВНШпрофтехобразования, 1984.
Крупицкий Э И Гелин Ф.Д. Технология металлов.- Минск,1968
Глинка Н.Л. Общая химия
Материалы журнала «Химия»,2005-2007


































15