Научные стремления 2011-2

УДК 620.193.4

Лепкович Н.С., Долгов П.А.

ТРАВА ПОДОРОЖНИК КАК ИНГИБИТОР КОРРОЗИИ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ

ГУО «Белорусскоязычная гимназия № 2 г. Борисова»

Ржа ест железо. Ежегодные потери из-за «аппетита» ржавчины составляют примерно десятую часть мировой выплавки металлов. В настоящее время имеется большое количество ингибиторов – веществ, введение которых в агрессивную среду в незначительных количествах приводит к коррозионной устойчивости металла. Но, как видно из вышесказанного, их ещѐ недостаточно.

Известно, что некоторые соединения, замедляющие процесс разрушения металлов, вырабатываются растениями, а поэтому содержатся в их соке. К таким растениям относятся лютик ядовитый, тысячелистник, алтей лекарственный, чистотел [1].

Есть ли другие растения, способные защищать металл, а если есть, то какова их эффективность и каковы возможные пути их практического применения? Поиск ответа на эти вопросы определил цель и содержание работы, описанной в статье.

Исследование влияния растений и уротропина на скорость разрушения железа и изделий из него. С этой целью отбирались дикорастущие травы (лютик, чистотел, подорожник, пастушья сумка, сныть и др.) и изучалось взаимодействие железа с соляной кислотой (w(HCl)=4%) в присутствии этих растений и уротропина. По интенсивности образования водорода делали вывод об их влиянии на скорость разрушения железа.

Из всех растений выделялся подорожник. На стенках пробирки, где был подорожник, в отличие от всех остальных экземпляров, на протяжении более 3- х суток не появлялся бурый налѐт. Поэтому именно подорожник был взят для более тщательного изучения на предмет ингибиторных возможностей в кислотной среде и в среде на границе жидкость – воздух. Параллельно, для сравнительной оценки, изучалась эффективность ингибиторного действия уротропина и чистотела.

Изучение эффективности ингибиторного действия уротропина,

чистотела и подорожника. Для оценки ингибиторных возможностей уротропина, чистотела и подорожника, определены относительные величины – эффект торможения [2], величина защитного действия, ингибиторный эффект

[3].

где h0 и h – высота поднятия жидкости в трубочке, m и m0 – разница масс исходной и перешедшей в раствор в ингибированной и неингибированной средах.

871

Сэтой целью приготавливались отвары подорожника и чистотела, раствор уротропина (w=0,5 %).

Для изучения эффекта торможения собран прибор (рис. 1.). В пробирки помещались металлическое железо и растворы на основании соляной кислоты. Жидкость в трубочке поднималась в соответствии со скоростью растворения металла.

Спервых минут скорость растворения железа в ингибированной подорожником кислоте меньше, чем в остальных испытуемых системах

(рис. 2.).

Для определения величины защитного действия и ингибиторного эффекта использовались стальные гвозди. Гвозди на неделю помещались в пробирки с растворами кислоты и ингибиторов, а затем, по разнице масс исходной и массы после пребывания гвоздя в кислоте, проводились расчѐты ингибиторного эффекта и величины защитного действия (табл. 2).

Таблица 2. Характеристики ингибиторного действия уротропина и растений.

Изучение эффективности ингибиторного действия уротропина, чистотела и подорожника в среде на границе жидкость – воздух.

Металлические изделия, находящиеся на границе раздела жидкость – воздух, подвергаются сильному разрушению. Поэтому есть смысл поиска дополнительных средств защиты металла от коррозии в таких условиях.

872

Проделанная работа в этом направлении осуществлялась поэтапно. Первоначально было рассмотрено, как работают тестируемые уротропин, чистотел и подорожник в присутствии влажной поваренной соли, как средства усиливающего коррозию металла. В результате исследования, получен результат, который говорил о том, что подорожник и чистотел (особенно измельчѐнные) в определѐнной степени защищают металл (табл. 3, рис. 3).

Таблица 3. Результаты исследования коррозии стальных гвоздей с участием ингибиторов на границе раздела жидкость – воздух в присутствии поваренной соли.

Рис. 3. Нумерация образцов и наблюдаемая картина соответствует содержанию таблицы №3

Следующий этап исследования – изучение поведения стальных гвоздей в песчано-солевой смеси (ПСС). С этой целью смоделирован коррозионный процесс с участием ПСС, которая вызывает коррозию транспортных средств и подземных коммуникаций в зимнее время.

Использовалась противогололѐдная смесь двух составов: первая – кварцевый песок, поваренная соль (1:1 по массе); вторая – песок, соль сильвинитовых отвалов (4:1 по массе). Растения в обоих случаях добавлялись, как в сухом (измельчѐнном) виде, так и в виде отваров. Температура близкая к реальным условиям обеспечивалась морозильной и холодильной камерами.

Картина, которая наблюдалась через неделю, аналогична вышеописанным наблюдениям (рис. 3, табл. 3).

Влияние концентрации подорожника на степень разрушения железа в противогололѐдной смеси. Исследовалось пять образцов, в которых противогололѐдная смесь вместе с подорожником (w=2%, 3%, 4%, 5%)

873

наносилась на ледяной покров в ѐмкости. В образце № 1 (без подорожника) ржавчина появилась через 1,5 суток, в остальных образцах явных следов ржавчины не наблюдалось в течение недели.

В дальнейшем наша работа сводилась к определению сравнительной степени разрушения железа в испытуемых образцах 1, 2, 3, 4, 5. С этой целью поверхность гвоздей очищалась механически и с помощью воды и кислоты.

Перешедшее в раствор Fe3+ определялось с помощью радонида калия.

Fe3++6CNS-=Fe(CNS)3-6

Интенсивность окраски образца № 4 –

защитных свойств подорожника лежат следующие процессы и соединения:

-флавоноиды, дубильные вещества, аскорбиновая, лимонная кислоты могут принимать участие в окислительно-восстановительных процесса, в коррозионной среде.

-слизь, прилипая к металлу, защищает его от внешнего воздействия;

-сапонины – пенообразующие вещества, которые также могут внести вклад в снижение коррозии, ограничивая доступ кислорода к изделию.

-пассивирование металла гидроксильными группами OH- (рН=7-8). Заключение. На основании наблюдений, рассчитанных величин,

характеризующих эффект ингибиторных действий, делаем вывод о том, что

трава подорожник может быть включена в ряд известных растенийингибиторов.

В связи с этим, трава подорожник может найти практическое применение там, где имеет место кислотная и атмосферная коррозия.

Заслуживает внимания тот факт, что эффект торможения подорожника в кислотной среде равен шести, а эффект торможения уротропина – 2,3. Необходимо иметь в виду, что это преимущество подорожника срабатывает только в течение одного часа.

При атмосферной коррозии подорожник может быть использован для снижения коррозионной агрессивности противогололѐдной смеси, что позволит защитить в какой-то степени от разрушения металл транспортных средств и подземных коммуникаций.

874

Литературные источники

1.Ситкевич, Л. И. Химический эксперимент в средней школе. – Минск: Народная асвета, 1969-62 с.

2.Хомченко, Г.П., Платонов, Ф.П., Чертков, И.Н. Демонстрационный эксперимент по химии. – Москва: Просвещение, 1978 – 131с.

3.Балезин, С.А. Коррозия металлов и борьба с ней. – Москва: Знание, 1953 – 14с.

4.Машковский, М.Д. Лекарственные средства. – Москва. Новая волна, 2006 г - 160с.

Lepkovich N.S., Dolgov P.A.

HERB PLANTAIN AS A CORROSION INHIBITOR OF IRON AND ITS ALLOYS

State Establishment of Education «Belarusian speaking gymnasium № 2», Borisov

Summary

The article deals with wild plants as inhibitors of corrosion where the herb plantain stands out. The sample was considered as an inhibitor of acid and atmospheric corrosion and was used for studying its behavior in the sand-salt mixture. Herb plantain can be included in a number of wellknown plant inhibitors of acid and atmospheric corrosion and it is confirmed by the experiment. Inhibitory capabilities of plantain can be used for acid pickling of metals, as well as to reduce the corrosiveness of icing mixture.

875

УДК 531/534

Мацкевич Н.А.,1 Карпиеня М.В.,3 Курило В.С.,2 Митько О.В.1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛЕБАНИЙ МАЯТНИКА, ТОЧКА ПОДВЕСА КОТОРОГО КОЛЕБЛЕТСЯ В ВЕРТИКАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ

1Минский государственный областной лицей, Минск

2Белорусский государственный университет, факультет радиофизики и компьютерных технологий, Минск

3Белорусский государственный университет

Примерами важных колебательных систем являются сердечнососудистая система человека, силовая установка гидрогенератора. Понять существенные особенности работы таких систем можно на простой модели – математическом маятнике с колеблющейся точкой подвеса.

Если точка подвеса маятника колеблется в вертикальном направлении с достаточно большой частотой и амплитудой, то верхнее состояние равновесия может стать устойчивым. Для объяснения этого явления целесообразно использовать принцип наименьшего действия. Мы поставили перед собой задачу показать, что принцип наименьшего действия позволяет получить численные условия изменения свойств системы, которые могут вызвать еѐ разрушение на примере плоского маятника, точка подвеса которого совершает вертикальные колебания по закону показан нарис.1, [1, c.23]. Маятник находится в однородном поле тяжести (ускорение силы тяжести g).

Рис.1. Математический маятник на жестком подвесе длиной l, массой m с колеблющейся в вертикальной плоскости точкой подвеса по закону a cos t .

(1)

Будем обозначать дифференцирование по времени точкой над буквой:

Потенциальная энергия нашей системы имеет вид:

Проведя ряд преобразований, запишем вид кинетической энергии:

Общий вид функции Лагранжа:

876

Проведем преобразование над последним слагаемым в функции кинетической энергии, а именно над его частью sin t sin :

В окончательном виде кинетическая энергия и функция Лагранжа (после исключения членов зависящих только от времени) будут выглядеть следующим образом

На точку подвеса маятника действует сила f , меняющаяся со временем с циклической частотой , много большей циклической частоты колебаний маятника ω. По своей величине сила f не предполагается слабой по сравнению с силами, действующими в потенциальном поле. Однако вызываемое этой силой смещение мы будем считать малым.

Эти два предположения позволяют усреднить во времени третье слагаемое в уравнении (9). Для этого воспользуемся методом Капицы, [1, c.125]. Усреднѐнное по осцилляциям движение точки подвеса происходит так, как если бы, помимо постоянного поля, действовало ещѐ дополнительное постоянное поле, квадратично зависящее от амплитуды переменного поля.

Окончательное выражение для эффективной потенциальной энергии:

Рассмотрим функцию y(), определяющую зависимость эффективной потенциальной энергии колебательной системы от угла поворота маятника:

Для определения числа устойчивых и неустойчивых состояний равновесия системы продифференцируем выражение (12) и проанализируем экстремумы функции.

;

(13)

При значении переменной появляется четыре экстремума функции и, следовательно, четыре состояния равновесия. Происходит изменение свойств колебательной системы.

877

Следовательно, условие изменения свойств системы задается равенством:

(14)

Для экспериментальной проверки полученного результата (14) воспользуемся установкой, которая состоит из генератора звуковых колебаний Г3-33, вольтметра В7-16А, звукового динамика и механического маятника, установленного на диффузоре динамика. Для определения амплитуды колебаний используем микрометр.

Выходной сигнал генератора Г3-33, амплитуда которого измеряется универсальным вольтметром В7-16А, поступает на вход динамика и вызывает механические колебания его диффузора. Первоначально установим маятник в верхнее положение. Будем слабо удерживать его вблизи этого положения. Включим генератор и постепенно увеличим его выходное напряжение. При достаточно большом напряжении верхнее положение маятника станет устойчивым. После этого оставляем маятник свободным и медленно уменьшаем напряжение. Фиксируем напряжение, при котором свойство устойчивости теряется и маятник падает в нижнее положение.

Теоретическое значение критической амплитуды колебаний получим из уравнения (14), при условии, что =2 f, где f – частота звукового генератора, эффективная длина маятника l=40 мм. Теоретические и экспериментальные результаты определения критической амплитуды колебаний показаны на Рис.2.

Рис. 2. Теоретический график находится в пределах интервала достоверности экспериментальных результатов, что свидетельствует о верности теории и пригодности экспериментальной установки.

Поведение систем, которые могут находиться в нескольких различных состояниях, были изучены в монографии В.И.Арнольда [2]. Очень важным результатом этой работы является тот факт, что в системах данного типа возможны сильные внутренние напряжения при переходе из одного состояния в другое. Проведѐм экспериментальную проверку этого положения.

Добавим в установку дополнительную арку, закрепленную неподвижно и не связанную с динамиком. Расположим ее таким образом, чтобы маятник при опоре на нее находился под углом 135° относительно нижнего равновесного состояния.

878

Подаем на вход динамика напряжение равное по величине критическому напряжению, которое было определено в предыдущем эксперименте. В данном случае мы замечаем существенное отличие, по сравнению с предыдущим опытом. В том случае вблизи двух состояний равновесия низкочастотные колебания возбуждались только внешним воздействием и быстро затухали при снятии его. В этом случае низкочастотные колебания возникают самопроизвольно и не затухают. На практике такое поведение системы может привести к ее разрушению. Эти наблюдения хорошо согласуются с основными выводами работы [2].

Полученные экспериментальные результаты по наблюдению за низкочастотными самопроизвольными колебаниями имеют познавательное значение. Из них следует, что уже на стадии проектирования важно обеспечить условие существования только одного равновесного состояния системы – ее рабочего состояния. Можно отметить здесь, что Чернобыльская и Игналинская АЭС, гидроагрегаты Саяно-Шушенской ГЭС этому условию не удовлетворяли.

Нами было экспериментально подтверждено, что метод наименьшего действия позволяет определить параметр, численное значение которого указывает на возможность качественного изменения свойств системы. Экспериментально исследован эффект самопроизвольного возникновения низкочастотных незатухающих колебаний.

Литературные источники

1.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. М: Наука,1988. С. 215;

2.В.И. Арнольд Теория катастроф. М: Наука, 1990. С.128.

Matskevich N.A.1,Karpienia M.V.3 , Kyrilo V.S.2,Mitsko O.V.1

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE SWING OF THE PENDULUM STEADINESS THE SUSPENSION POINT OF WHICH FLUCTUATES IN VERTICAL DIRECTION

1Minsk State regional Lyceum, Minsk

879

2Belarusian State University, Department of Radio Physics and Computer Technologies, Minsk

3Belarusian State University, Minsk

Summary

We put an aim to show that the principle of the lowest action allows to get the numerical terms change of the system characteristics which can cause its distruction.

For the experimental check of the theoretical result we use a device consisting of a sound oscillator generator G3-33 a voltmeter V7-16A, a loud speaker and a mechanical pendulum, placed on the loud speaker. We used a micrometer to define the amplitude of oscillation.

The aim was achieved, the affect of spontaneous rising of low frequency undamped fluctuatious was investigated.

880