Ржавчина на стали: Почему она возникает и эффективные способы ее устранения

Сталь является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни и производства, однако количество стали, ежегодно теряемой в мире из-за ржавчины, огромно. Поэтому защита стали от коррозии имеет большое значение.

По какому принципу ржавеет сталь?

Мы можем изучить это с помощью небольшого эксперимента, как показано на рисунке ниже: В первую пробирку мы добавляем небольшое количество хлорида кальция (который поглощает водяной пар в воздухе, играя роль осушителя) и вставляем гвоздь, плотно закрывая пробирку.

Во вторую пробирку вставляем гвоздь, погружаем его в дистиллированную воду, которая была прокипячена и быстро охлаждена, а затем вливаем растительное масло, чтобы на поверхности воды образовался слой масла.

В третью пробирку вставляем гвоздь и добавляем небольшое количество дистиллированной воды так, чтобы часть гвоздя была погружена в воду. В течение недели мы регулярно наблюдаем и записываем явления в трех пробирках.

Из результатов эксперимента видно, что гвозди в первой и второй пробирках не заржавели, но гвоздь в третьей пробирке все-таки заржавел, и на его поверхности появилась красновато-коричневая ржавчина. Это говорит о том, что для ржавления железа необходимо участие воды и кислорода.

Процесс коррозии железных и стальных изделий представляет собой сложную химическую реакцию. Ржавчина, обычно красновато-коричневого цвета, принимает различные формы при различных условиях. В основном она состоит из гидратированного оксида железа (III) (Fe2O3-nH2O) и гидроксида железа (III) [Fe(OH)3]. Рыхлая структура ржавчины на поверхности стали не может защитить внутреннее железо от воздействия кислорода и водяного пара, что в конечном итоге приводит к полному ржавлению железа.

Знаете ли вы, как удалить ржавчину с железной поверхности?

Обычные методы удаления ржавчины делятся на две категории: физические и химические. Физические методы, как правило, включают в себя абразивные методы, с использованием наждачной бумаги, шлифовальных кругов, стальных проволочных щеток и стальной ваты для удаления ржавчины. Химические методы предполагают реакцию между кислотой и ржавчиной, которая служит для удаления ржавчины.

На самом деле, если держать стальные изделия изолированными от воды и кислорода, можно предотвратить появление ржавчины. Поэтому самый простой способ избежать ржавчины - поддерживать чистую и сухую поверхность стальных изделий. Предотвратить появление ржавчины можно также путем создания защитного слоя на поверхности, используя масло, краску, эмаль или полимерное покрытие.

В повседневной жизни на такие предметы, как кузова автомобилей и ведра, часто наносятся лакокрасочные покрытия, а машины требуют покрытия минеральным маслом.

Кроме того, такие методы, как гальваника или горячее погружение, позволяют нанести на стальную поверхность слой металла, устойчивого к ржавчине, например цинка, олова, хрома или никеля. Эти металлы создают плотный слой оксидной пленки, которая предотвращает ржавление железа, изолируя его от воды и воздуха.

Кроме того, сталь можно легировать, чтобы изменить ее внутреннюю структуру, например, добавляя хром или никель в обычную сталь для получения нержавеющей стали, что эффективно повышает устойчивость стальных изделий к ржавчине.

Обычные средства для удаления ржавчины в повседневной жизни в основном содержат соляную и разбавленную серную кислоту, которые могут вступать в реакцию с оксидом железа. Уравнения реакций таковы:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Средства для удаления ржавчины проникают в стальную поверхность через трещины в слоях ржавчины и примесей, заставляя эти слои растворяться и отслаиваться, тем самым удаляя ржавчину, примеси и оксидную кожу со стальной поверхности. Однако кислоты обладают коррозионными свойствами, поэтому при удалении ржавчины необходимо использовать защитную одежду.

Кроме того, в результате реакции между кислотой и железом образуется водород, который может взорваться при контакте с открытым пламенем, поэтому во время работ по удалению ржавчины курить категорически запрещено.

Соляная и разбавленная серная кислота могут вступать в реакцию с оксидом железа, но какая из них лучше подходит для удаления ржавчины в промышленности?

Основными факторами являются эффективность удаления ржавчины, стоимость производства кислоты, транспортировка и хранение кислоты, а также безопасность и защита окружающей среды.

Что эффективнее удаляет ржавчину - соляная или серная кислота? Поместив ржавые гвозди в равные объемы и концентрации водородных ионов соляной и серной кислот, мы обнаружили, что соляная кислота более эффективна для удаления ржавчины. Эксперименты также показывают, что при прочих равных условиях скорость реакции разбавленной серной кислоты с оксидами металлов медленнее, чем скорость реакции соляной кислоты.

Итак, что выгоднее с точки зрения производства, транспортировки и безопасного использования - соляная или серная кислота? Промышленное получение соляной кислоты заключается в электролизе насыщенного рассола с получением водорода и хлора. Газы реагируют с образованием хлористого водорода, который поглощается водой с образованием соляной кислоты.

Хлорид водорода не может растворяться в воде бесконечно долго, поэтому концентрированная соляная кислота имеет массовую долю растворителя не более 37%. Серная кислота, с другой стороны, производится путем обжига пирита при высоких температурах с образованием диоксида серы, который реагирует с кислородом, образуя триоксид серы. Триоксид поглощается концентрированной серной кислотой с образованием олеума, который затем превращается в серную кислоту путем добавления воды.

Поэтому с точки зрения сырья, процесса приготовления и воздействия на окружающую среду соляная кислота превосходит серную. Концентрированная соляная кислота должна храниться в герметичных стеклянных бутылях или пластиковых бочках, а перевозиться в специально изготовленных стальных автоцистернах с резиновой прокладкой.

Концентрированная серная кислота может иметь массовую долю до 98%, а для ее хранения и транспортировки можно использовать стальные или алюминиевые контейнеры. В этом отношении серная кислота сильнее соляной.

Соляная кислота с большей массовой долей растворителя летуча, и испаряющийся хлористый водород оказывает сильное раздражающее и разъедающее действие на организм человека, в то время как соляная кислота с меньшей массовой долей растворителя относительно стабильна.

Концентрированную серную кислоту необходимо разбавлять перед использованием. При таком разбавлении выделяется значительное количество тепла, которое может легко вызвать ожоги. Кроме того, коррозионная активность концентрированной серной кислоты гораздо сильнее, чем концентрированной соляной кислоты. Из этого можно сделать вывод, что использование соляной кислоты более безопасно.

Исходя из вышеизложенной информации, очевидно, что соляная кислота обеспечивает лучший эффект удаления ржавчины, более низкую стоимость и безопасное использование.

Кроме того, в химической лаборатории можно изготовить относительно экологичное средство для удаления ржавчины. Для этого необходимо поместить 18 г лимонной кислоты, 0,8 г декстрина, 3 г молибдата натрия, 1,1 г фосфорной кислоты и 60 г воды в емкость для смешивания и равномерно перемешивать при комнатной температуре в течение 30 минут.

На втором этапе к смешанному раствору добавляют 8 г глицерина и равномерно перемешивают при комнатной температуре в течение 10 минут при скорости перемешивания 25 об/мин. На третьем этапе в смешанный раствор добавляют 0,06 г йодида натрия и равномерно перемешивают при комнатной температуре в течение 30 минут при скорости перемешивания 25 об/мин.

Замена соляной кислоты и разбавленной серной кислоты на лимонную может решить проблему загрязнения окружающей среды средствами для удаления ржавчины. Глицерин усиливает адгезию средства для удаления ржавчины к металлической поверхности. Более того, этот удалитель ржавчины не только удаляет ржавчину, но и обладает антикоррозийными свойствами.

Хотя ржавление стали приводит к потере металлических ресурсов, у этого процесса есть и свои преимущества. Например, железный порошок - ключевой ингредиент поглотителей кислорода, часто встречающихся в кондитерских упаковках, - использует принцип ржавления для поглощения кислорода, предотвращая тем самым порчу продуктов.

Более того, ржавление железа - это экзотермическая реакция. Это явление было использовано для производства "нагревательных пластырей". Основными компонентами нагревательного пластыря являются железный порошок, вермикулит, активированный уголь, неорганические соли (например, поваренная соль) и вода. В естественных условиях скорость реакции окисления в железе медленная.

Для ускорения этой реакции используется мелкий железный порошок с большой площадью поверхности. Роль активированного угля заключается в формировании первичной ячейки для продвижения реакции, в то время как его сильная адсорбционная способность удерживает воду в его рыхлой структуре. Неорганические соли взаимодействуют с активированным углем, образуя первичную ячейку и способствуя протеканию реакции. Вермикулит, железо-магниевый алюмосиликатный минерал, служит в качестве теплоаккумулирующей среды.

В химической лаборатории мы можем сами сделать эти нагревательные пластыри. Смешав железный порошок, активированный уголь, поваренную соль и вермикулит в массовом соотношении 5:2:2:2. Эту смесь (вермикулит не обязателен) высыпают в мензурку, добавляют несколько капель воды и тщательно перемешивают стеклянной палочкой.

Затем он упаковывается в мешок из нетканого материала и запечатывается в самозапечатывающийся пакет (или с помощью пластикового герметика). При необходимости его можно достать для использования. Следует отметить, что чем мельче частицы железного порошка и активированного угля (в идеале 100 меш для железного порошка и 150 меш для активированного угля), тем быстрее протекает реакция и тем заметнее повышение температуры.