Автор: Гостищев Игорь Александрович

Рубрика: 1. Общие вопросы химии

Опубликовано в

II международная научная конференция «Современная химия: Успехи и достижения» (Чита, апрель 2016)

Дата публикации: 04.04.2016

Статья просмотрена: 445 раз

Библиографическое описание:

Гостищев И. А. Изучение коррозии железа в уксусной кислоте в присутствии экстракта листьев и корней Chelidonium majus L. [Текст] // Современная химия: Успехи и достижения: материалы II Междунар. науч. конф. (г. Чита, апрель 2016 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2016. — С. 1-3.



При археологических раскопках находят предметы из черных металлов различной степени сохранности. Наличие продуктов коррозии недопустимо при консервации музейных экспонатов и окраске архитектурных деталей из чугуна и стали. В процессе реставрации приходится проводить расчистку от ржавчины и напластований красочных слоев, восполнение утрат, защиту от развивающейся коррозии. Удаление ржавчины и других продуктов коррозии — обязательный процесс в реставрации изделий из черного металла [1, с.155].

При использовании сильных кислот для обработки реставрируемого предмета наряду с удалением продуктов коррозии (ржавчины) железа происходит значительное растворение металла в кислоте, что крайне нежелательно, поскольку может привести к утрате внешнего вида и свойств обрабатываемого предмета. Специалисты-реставраторы для решения данной проблемы применяют: а) сложносоставные смеси сильных и слабых кислот, в том числе входящих в Список прекурсоров, оборот которых в РФ ограничен [2, с.46–51], [1, с.156]; б) сокращение времени обработки сильной кислотой, что не позволяет полностью удалить продукты коррозии и чревато риском испортить реставрируемый предмет; в) введение дорогих и труднодоступных для неспециалиста веществ-ингибиторов, уменьшающих скорость взаимодействия железа и его сплавов с кислотами [2, с.51], [1, с.163]. К сожалению, эти способы не подходят для широкого применения реставраторами-любителями. Решению данной проблемы посвящено наше исследование.

В [3, с.89–91] описывается возможность применения в качестве ингибиторов коррозии солянокислых экстрактов чистотела, хохлатки, дымянки, алтея лекарственного и тысячелистника. Чистотел большой (Chelidonium majus L.) — это распространенное растение умеренного пояса Евразии [4, с.717], ядовит, содержит около 20 алкалоидов, в том числе берберин [5, с.19–28], применяется как лекарственное растение и ценный источник биологически активных веществ [6, с.39–41].

Гипотеза. Мы предполагаем, что для уменьшения потерь металла во время обработки предметов из железа и его сплавов от продуктов коррозии (ржавчины) можно использовать не только водный раствор уксусной кислоты, но и уксуснокислый экстракт корней и листьев чистотела большого (Chelidonium majus L.), который выступает в роли ингибитора растворения железа в уксусной кислоте.

Объектом исследования является процесс взаимодействия железа и уксусной кислоты при комнатной температуре.

Предмет исследования — влияние состава травильного раствора (концентрация кислоты, наличие экстракта корней и листьев чистотела) на характер растворения железа в уксусной кислоте при комнатной температуре.

Цель исследования — изучить влияние состава травильного раствора на характер растворения железа в уксусной кислоте при комнатной температуре.

Задачи:

  1. Изучить динамику изменения массы железного предмета во времени при разных мольных соотношениях железо/уксусная кислота при комнатной температуре.
  2. Изучить динамику растворения железа в уксуснокислом экстракте корней и листьев чистотела большого Chelidonium majus L. при комнатной температуре.
  3. Разработать параметры оценки процесса растворения железа в уксусной кислоте.
  4. Проанализировать зависимость эффективности коррозии от мольного соотношения железо/уксусная кислота в начальный момент времени.
  5. Сравнить скорость коррозии в растворе уксусной кислоты и в уксуснокислых экстрактах корня и листьев чистотела большого.

В качестве предмета, подвергаемого коррозии, были выбраны гвозди, сделанные из конструкционной углеродистой стали марки Ст1пс, содержащей ~99 % железа. В нашем исследовании были построены графики зависимости массы предмета, подвергаемого коррозии, от времени для реакционных систем с мольным соотношением железо/уксусная кислота в пределах от 0,206 до 1,625. Обнаружено, что при недостатке кислоты взаимодействие начинается не сразу, а после некоторого периода (от 5 до 14 дней), во время которого продукты реакции не обнаруживаются в реакционной смеси.

Для описания процесса коррозии введем понятие эффективность коррозииЭm — отношение массы растворившегося железа к исходной массе, умноженное на 100 %:

, где

m1масса предмета, подвергаемого коррозии, в данный момент времени, г,

m0 — исходная масса предмета, подвергаемого коррозии, г.

Чем больше эффективность коррозии в данный момент времени, тем больше потеря массы предмета, подвергаемого коррозии, а значит, быстрее растворяется железо за изучаемый промежуток времени при данных мольных соотношениях железо/уксусная кислота.

Эффективность коррозии за данный промежуток времени возрастает с увеличением избытка кислоты — увеличивается тангенс угла наклона прямой, описывающей зависимость процентного отношения массы растворившегося железа к исходной массе от времени. Наименьшая эффективность коррозии зафиксирована при стехиометрических соотношениях железо/уксусная кислота 1 к 2 по реакции:

Fe + 2CH3COOH = Fe(CH3COO)2 + H2↑.

Построив зависимость тангенса угла наклона данных прямых от мольного соотношения железо/уксусная кислота, можно создать карту значений эффективности коррозии во времени. Изучив данную карту, сделаем вывод, что для целей реставрации металла можно использовать:

а) Слабые растворы уксусной кислоты (порядка 10–30 масс. %), что дает некоторый период неактивности, во время которого не наблюдается растворение металла, но в дальнейшем тангенс угла наклона для эффективности коррозии сопоставим с системами, в которых наблюдается сильный избыток кислоты. При этом есть риск возникновения вторичной коррозии металла в водной среде (ржавление) и развития плесневых грибков в реакционной системе после того, как вся кислота прореагировала.

б) Системы с мольным соотношением, соответствующим стехиометрическим коэффициентам в реакции образования ацетата железа (II). При этом наблюдается наиболее пологий график зависимости эффективности коррозии от времени.

Затем приготовили реакционные системы: железо — 70 % уксусная кислота, железо — экстракт корней чистотела 70 %-ной уксусной кислотой, железо — экстракт листьев чистотела 70 %-ной уксусной кислотой. В нашем исследовании были построены графики зависимости массы предмета, подвергаемого коррозии, от времени в исследуемых системах.

Использование уксуснокислого экстракта чистотела вместо раствора уксусной кислоты изменяет характер зависимости растворения железа с линейной на квадратичную. На графике, который описывает растворение железа в экстракте корня чистотела, наблюдается линейный участок в период, во время которого добавление ингибитора не имеет эффекта. В экстракте корня чистотела за первые 7 дней растворяется ~8 % массы железа, что сопоставимо с чистым раствором уксусной кислоты без добавки ингибитора. В то время как использование экстракта листьев чистотела кардинально замедляет процесс растворения — за 7 дней потерян всего 1 % от исходной массы железа.

С течением времени влияние ингибитора становится более заметным: за период 55–57 дней в экстракте корня чистотела коррозия замедлилась в 2 раза, а в экстракте листьев — в 3 раза относительно раствора уксусной кислоты без добавок.

Также в нашей работе оценивали скорость коррозии по значению величиныKt — процентное отношение массы растворившегося железа к исходной массе за единицу времени (эффективность коррозии в единицу времени):

, где

m1 — масса предмета, подвергаемого коррозии, в данный момент времени, г;

m0 — исходная масса предмета, подвергаемого коррозии, г;

t — время коррозии, дней;

Эm — эффективность коррозии — отношение массы растворившегося железа к исходной массе, умноженное на 100 %.

Проанализировав график зависимости скорости коррозии от времени, заметим, что в экстракте листьев чистотела наблюдается равномерное увеличение скорости коррозии за весь изучаемый период при сравнительно маленьких значениях величины Kt. В то время как на графике для экстракта корня чистотела есть резкий скачок, который говорит об изменениях в характере взаимодействия железа с экстрактом, которые можно объяснить относительно медленным связыванием уксусной кислоты в комплекс или процессом сорбции экстрактивных веществ на поверхности предмета, подвергаемого коррозии.

Таким образом, для целей реставрации металла предпочтительно использовать не раствор уксусной кислоты, а уксуснокислый экстракт листьев чистотела большого, содержащий природные ингибиторы коррозии.

Были получены следующие результаты:

1. Изучена динамика изменения массы железного предмета во времени при разных мольных соотношениях железо/уксусная кислота при комнатной температуре. Выявлена линейная зависимость уменьшения массы железа при взаимодействии с уксусной кислотой. Для систем с недостатком кислоты растворение начинается по истечении некоторого периода неактивности. Чем больше избыток кислоты, тем больше потеря металла за равный промежуток времени.

2. Исследована зависимость эффективности коррозии от мольного соотношения железо/уксусная кислота в начальный момент времени. Наименьшая эффективность коррозии железа в уксусной кислоте наблюдается при стехиометрических соотношениях реагирующих веществ.

3. Изучена динамика растворения железа в уксуснокислом экстракте корней и листьев чистотела большого Chelidonium majus L. при комнатной температуре в избытке уксусной кислоты. Показано положительное влияние уксуснокислого экстракта листьев и корней чистотела большого Chelidonium majus L. на замедление растворения железа в уксусной кислоте: скорость коррозии железа в экстракте корней чистотела замедляется в 2 раза, а в экстракте листьев — в 3 раза по сравнению с чистым раствором уксусной кислоты.

4. Для описания процесса коррозии железа в уксусной кислоте предложен параметр «эффективность коррозии» Эm, связанный с изменением массы предмета, подвергаемого коррозии, а также параметр «скорость коррозии Kt», характеризующий изменение эффективности коррозии во времени.

Таким образом, для целей реставрации металла предпочтительно использовать не раствор уксусной кислоты, а уксуснокислый экстракт листьев чистотела большого, содержащий природные ингибиторы коррозии, либо травильный раствор, содержащий добавки экстракта листьев чистотела большого.

Результаты данного исследования можно использовать:

1. в качестве демонстрационного эксперимента при изучении темы «Металлы» в курсе химии 11 класса;

2. для разработки состава, который будет применяться для удаления ржавчины в целях реставрации;

3. для создания краски на водной основе, в которой в качестве красителя можно использовать смесь солей железа (III);

4. при изготовлении средства для протравливания тканей кустарным способом.

Литература:

  1. Никитин, М. К. Химия в реставрации [Текст] / М. К. Никитин, Е. П. Мельникова — Л.: Химия, 1990. — С.155–164.
  2. Кирьянов, А. В. Реставрация археологических предметов [Текст] / А. В. Кирьянов — М.: Издательство Академии наук СССР, 1960. — С.24–25, с.46–51.
  3. Ольгин, О. М. Опыты без взрывов [Текст] / О. М. Ольгин — М.: Химия, 1995. — С.89–91.
  4. Биологический энциклопедический словарь [Текст] / М. С. Гиляров и др. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С.717–718.
  5. Потопальский, А. И. Препараты чистотела в биологии и медицине [Текст] / А. И. Потопальский — Киев: Наукова думка, 1992. — С.19–28.
  6. Ерофеева, Л. Н. Биологически активные вещества чистотела большого и их фармакологические свойства [Текст] / Л. Н. Ерофеева, В. Н. Бубенчикова, Е. В. Баркалая // Фармация. — 1997. — Т.46. № 6. — С.39–41.
Основные термины (генерируются автоматически): листьев чистотела, уксусной кислоты, листьев чистотела большого, растворения железа, уксусной кислоте, эффективности коррозии, коррозии железа, эффективность коррозии, комнатной температуре, продуктов коррозии, экстракт листьев чистотела, чистотела большого chelidonium, корня чистотела, скорость коррозии, экстракте корня чистотела, раствор уксусной кислоты, массы железа, экстракта листьев чистотела, корней чистотела, зависимость эффективности коррозии.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос