鋼鐵爲什麼會生鏽?

鋼鐵為什麼會生鏽?

​我們日常的生產和生活離不開鋼鐵材料,但是世界上每年因鏽蝕而損失的鋼鐵數量十分巨大。因此,如何保護鋼鐵防止其鏽蝕意義重大。

鋼鐵鏽蝕原理是什麼?我們可以根據下圖所示的小實驗進行探究:在第1支試管中加入少量氯化鈣(氯化鈣可吸收空氣中的水蒸氣,起乾燥作用),放入一根鐵釘,塞緊試管口。在第2支試管中放入一根鐵釘,加入經煮沸並迅速冷卻的蒸餾水浸沒鐵釘,再注入植物油,使水面上形成油層。在第3支試管中放入一根鐵釘,加入少量蒸餾水使鐵釘的一部分浸在水中。 連續一週定時對三支試管進行觀察並記錄現象。我們從實驗結果可以發現第1支、第2支試管中的鐵釘沒有生鏽,但第3支試管中的鐵釘卻生鏽了,鐵釘表面出現了紅棕色的鐵鏽。由此可見鐵生鏽需要水、氧氣的參與。

鋼鐵為什麼會生鏽?

圖 探究鐵生鏽的條件

鋼鐵製品的腐蝕過程,是一個複雜的化學反應過程。鐵鏽通常為紅棕色,不同情況下會生成不同形式的鐵鏽,鐵鏽主要由氧化鐵的水合物(Fe2O3·nH2O)和氫氧化鐵[Fe(OH)3]組成。鋼鐵表面的鐵鏽結構疏鬆,不能阻礙內部的鐵與氧氣、水蒸氣等接觸,最終導致鐵全部生鏽。

我們瞭解了鋼鐵生鏽的條件,只需要將鋼鐵製品與水和氧氣隔絕,就可以阻止鋼鐵鏽蝕。因此,防止鐵生鏽最簡單的方法是保持鋼鐵製品表面光潔乾燥。防止鋼鐵生鏽還可在其表面形成保護層,如塗油、噴漆、燒製搪瓷、噴塑等。在日常生活中,人們經常會對車廂、水桶等採取塗油漆的措施,而機器需要塗礦物性油。除此之外,還可以在鋼鐵表面採用電鍍、熱鍍等方法鍍上一層不易生鏽的金屬,如鋅、錫、鉻、鎳等。這些金屬表面能夠形成一層緻密的氧化物薄膜,從而防止鐵製品和水、空氣等物質接觸而生鏽。另外,還可以將鋼鐵組成合金,以改變其內部的組織結構,例如在鉻、鎳等金屬中加入普通鋼裡製成不鏽鋼,有效地增加了鋼鐵製品的抗生鏽能力。

鋼鐵鏽蝕會損失金屬資源,但是鋼鐵鏽蝕的原理也有有利的一面。例如糕點包裝中常使用脫氧劑,其主要成分包含鐵粉。脫氧劑利用鐵粉生鏽的原理消耗氧氣,從而防止食品變質。

同時,鐵生鏽是放熱反應,人們利用該作用生產了“自熱帖”。“自熱帖”的主要成分是鐵粉、蛭石、活性炭、無機鹽(例如食鹽)、水等。在自然條件下,鐵進行氧化反應的速度緩慢,為了加快該反應的速度,需採用表面積大的鐵粉末。活性炭的作用是形成原電池促進反應;同時利用活性炭的強吸附性,在其疏鬆的結構中儲存水。無機鹽的作用是和活性炭形成原電池促進反應。蛭石是一種鐵鎂質鋁硅酸鹽礦物,可以起到儲熱的作用。

在化學實驗室中我們也可以自制“自熱帖”,按照5:2:2:2的質量比稱量鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石。將稱量好的鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石(蛭石也可以不加)倒入燒杯中,加幾滴水,用玻璃棒充分攪勻後,裝入無紡布袋中,放入自封袋密封(或者使用塑封機密封),使用時取出即可。另外,鐵粉和活性炭顆粒越細(鐵粉以100目為宜,活性炭為150目為宜)反應越快,升溫越明顯。


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