铁锈 為铁 氧化物 的统称,通常为红色,由铁和氧气 境下進行氧化還原反應 而生成。不同情况下会生成不同形式的铁鏽。[ 1] 铁锈主要由三氧化二铁 水合物Fe2 O3 ·nH2 O和氢氧化铁 (FeO(OH), Fe(OH)3 )组成。其他金属亦会被氧化,但是通常不称为“鏽”。足够的时间后,在氧气和水充足的情况下,铁会完全氧化成鏽。铝 的氧化非常缓慢,因为氧气在铝的表面生成了一层致密的氧化铝 薄膜,此反应称为钝化 。
化学反應
鐵金屬的氧化
與水、氧氣或其他氧化劑或酸接觸時,鐵不一定會生鏽。如果鹽存在才會,由於電化學 反應的發生,鐵生鏽會更快。純水或乾燥氧氣對鐵有影響。若在鐵表面鍍上其他金屬,可以形成氧化物薄膜,阻止鐵的進一步氧化。溶有二氧化硫 或二氧化碳 的水亦會使鐵鏽蝕。三價鐵 (Fe3+ )會形成。因為鐵鏽不附著在鐵表面,它會脫落,導致內部的鐵暴露在水、氧氣之下,進一步被鏽蝕,最終整塊鐵被氧化。[ 2]
与生锈有关的化学反应
鐵的生锈是一種電化學 反應,反應的第一步是鐵將電子轉移到氧。[ 3] 生锈的速度會受水影響,也會因為電解質 存在而加速。例如汽車在有鹽的環境較容易生锈。生锈主要的反應是氧的還原:
O2 + 4 e- + 2 H2 O → 4 OH-
由於其反應產生氫氧根 離子,酸的存在會加速此反應的進行。上述反應消耗電子,因此可以進行以下氧化反應,將鐵氧化為亞鐵離子:
Fe → Fe2+ + 2 e−
若有氧的存在,亞鐵離子還會再度氧化:
4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2−
亞鐵離子和鐵離子和水會產生酸鹼反應,形成氫氧化鐵 及氫氧化亞鐵 :
Fe2+ + 2 H2 O → Fe(OH)2 + 2 H+
Fe3+ + 3 H2 O → Fe(OH)3 + 3 H+
最後氫氧化鐵及氫氧化亞鐵會和其脫水物形成以下的平衡:
Fe(OH)2 → FeO + H2 O
Fe(OH)3 → FeO(OH) + H2 O
2 FeO(OH)→ Fe2 O3 + H2 O
依以上反應式,可以看出鐵生锈會受到氧和水的影響。若溶氧量有限,較容易產生含亞鐵離子的產物,例如氧化亞鐵 及黑色的四氧化三鐵 。若溶氧量高,則會產生鐵離子的產物,其化學式為Fe(OH)3-x Ox/2 。由於鐵锈中的固體仍在緩慢的進行化學反應,鐵锈的成份會隨時間變化。
上述的反應也會受到其他離子的影響,例如當鈣離子存在時,因為鈣離子是電解質,會加速鐵锈的產生,鈣離子也會和鐵的氧化物及氫氧化物結合,形成Ca-Fe-O-OH形式的沉澱。
防锈
鏽沒有緻密的組織。水和氧氣會穿透鏽,繼續使內部的鐵生锈。若要防锈,就需要有可以防止生锈的緻密表層。不鏽鋼 的表面是一層不容易反應的三氧化二鉻 。若使用鎂 、鈦 、鋅 、鋁 ,也會產生類似不易反應的緻密氧化物表層。
鍍鋅是一種常見的防锈處理方式,在要保護的物品上,利用電鍍 或熱浸鍍鋅 的方式鍍上一層鋅。使用鋅的原因很多,包括其價格便宜、和鐵的附著性好,而且當鋅和鐵接觸時,鋅和鐵會形成一個電池,由於鋅活性較強,鋅是電池的陽極,會被氧化,藉此可保護電池陰極的鐵不被氧化(即陰極保護 )。若在腐蝕性更強的環境中(例如鹽水中),會用鎘 來代替鋅。若在接合口,接頭或孔穴附近,鍍層會因外力或加工而受到破壞,無法完整的包覆待保護物,此時鍍層就只能靠陽極保護的方式來發揮保護作用了。有些先進的鍍層,鋅之外還會加入鋁,鋁會移轉到鍍層被破壞的部份,鋁和氧化鋅均可保護鐵,效果更好。
若針對更惡劣的環境或希望產品有更長的壽命,防锈處理方式時也會同時使用鍍鋅和塗層。
除了鍍鋅之外,以下的方式也可用來抑制鏽的形成:
陽極保護 利用提供電荷的方式,抑制鐵的氧化反應。若正確使用,生锈會徹底的停止。最簡單的作法就是在鐵上面加一個金屬片,和鐵形成電池,且使金屬片成為電池的陽極,因此電池陽極的金屬片會被氧化,保護電池陰極的鐵不受氧化。選用的金屬片需要其電極電位 為負,且小於鐵的電極電位,一般常用鋅、鋁或鎂。
發藍 (Bluing)是利用化學藥品,使鐵形成均勻的氧化層以避免生锈,但防锈能力有限。常用在小型的鐵件(如槍枝),若要提高其防锈效果,可在發藍後,用油布磨擦鐵件使油滲入,避免之後因水份滲入而導致生锈。
可以用塗層(如油漆 )來減少鏽的產生,塗層可隔絕環境對鐵的影響。例如有封閉箱體的大型鐵件結構(像船舶及汽車)常會在結構中注入含蠟的防鏽油。鋼筋混凝土 是用混凝土包裹鋼筋,且混凝土可使鋼筋保持在鹼性的環境中。
控制環境可以達到防锈的效果,例如控制濕度低於一定值,就可以減少或避免鏽的形成。
適當的設計也有助於防锈,例如避免鐵件暴露在水中,或是用耐蝕性較強的金屬包裹鐵件。
防蚀剂的使用,像氣體或揮發性的防蚀剂就可以用在密閉空間 內的防锈。
若鋼 的表面已經生锈,有最簡單及廉價的除锈方式,就是用鋁箔 沾點水,摩擦生锈的部份。因為鋁的還原電位比鋼鐵中的鐵 要高,因此氧會由鐵原子轉移到鋁原子;鋁箔硬度比鋼小,因此不會刮傷表面,而鋁氧化後形成的氧化鋁硬度高,剛好可以作鋼的抛光 處理。
化学除鏽
除去铁锈的方法有很多,在化学 上常用稀的酸溶液 帮助除鏽。
相关的化学反应方程式 :
铁锈与盐酸 反应,溶液 由无色变为黄色,铁锈逐渐消失:Fe2 O3 +6HCl =2FeCl3 +3H2 O
铁锈与硫酸 反应,溶液 由无色变为黄色,铁锈逐渐消失:Fe2 O3 +3H2 SO4 =Fe2 (SO4 )3 +3H2 O
反应后由于溶液中存在三价铁离子 (Fe3+ ),溶液呈黄色。
在社会及经济上的影响
生锈會造成鋼鐵製品或結構的劣化。鏽的體積比相同質量的鐵大,因此鏽會擠壓相鄰未生锈的部位,因而造成損壞。
例如1983年美國 康乃迪克州 的Mianus River Bridge倒塌事件就是因為類似的原因。其中使用的軸承 內部生锈,因此使得橋面位移,其中一角沒有支撐,因此造成橋面倒塌。也使當時在橋上的三名駕駛落河身亡。後來美國國家運輸安全委員會 的報告指出其中一個排水渠道在重鋪路面時阻塞,使得逕流水滲入支持架中。而且維護的工程師也很難在維護檢測用的走道上看到軸承的情形。
若結構中是由混凝土包裹鋼或鐵,類似的情形會造成混凝土的剝落,產生嚴重的結構問題。這也是鋼筋混凝土 橋樑 常見的失效模式之一。
图片
生锈的铁链
由于生锈导致外部的漆涂层龟裂剥落
生锈的铁螺钉
将铁器烧红后用沙除锈
生锈的结合零件
参见
参考文献
^ Interview, David Des Marais . [2009-05-23 ] . (原始内容存档 于2007-11-13).
^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN
0-12-352651-5.
^ Hubert Gräfen, Elmar-Manfred Horn, Hartmut Schlecker, Helmut Schindler "Corrosion" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH: Weinheim, 2002. DOI: 10.1002/14356007.b01_08
^ Ada McVean. Rust Doesn't Give You Tetanus . [2023-01-31 ] . (原始内容存档 于2023-04-02).
外部链接
铁(-II) 铁(0) 铁(I)
铁(0,II) 铁(II)
铁(0,III) 铁(II,III) 铁(III)
铁(VI)