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纯铁为什么不容易生锈?

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 金属铁 电化学腐蚀
由前苏联和美国从月球采集的尘埃中含有纯铁的颗粒。前苏联人宣称由月球探测器“佐德20”号取回的纯铁颗粒,在地球上几年后也不生锈。在印度新德里有一根纯铁 的柱子,历经千年也未生锈。纯铁为什么不容易生锈? (1)概念辨析 纯铁。纯铁含碳量小于0.02%,又称熟铁(含碳量在 0

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由前苏联和美国从月球采集的尘埃中含有纯铁的颗粒。前苏联人宣称由月球探测器“佐德20”号取回的纯铁颗粒,在地球上几年后也不生锈。在印度新德里有一根纯铁 的柱子,历经千年也未生锈。纯铁为什么不容易生锈?

(1)概念辨析

纯铁。纯铁含碳量小于0.02%,又称熟铁(含碳量在 0. 02%〜1. 7%称为钢,含碳量在1. 7%〜4. 3%则称为生铁)。纯铁由铁矿石用碳直接还原制得,或将生铁熔化并将杂质氧化而得到,在加工后显现出纤维组织。纯铁较软,具 有较好的抗腐蚀性,韧性和延展性较高,硬度和强度较低。

生锈。生锈的实质是由于钢铁表面与大气中的氧气、水分及其酸、碱、盐等物质 发生化学作用或电化学作用而引起的变色或腐蚀,也称为锈蚀。一般所谓生锈是指物质表面改变了原有成分,如铁锈或碱式碳酸铜等。不过若将生锈定义为金属氧化的话,大部分金属都会生锈,而且部分金属氧化后会生成致密氧化膜(如氧化铝),反过来可保护内层金属。

(2)金属生锈原因分析

金属的生锈有两类:一类是化学腐蚀,另一类是电化学腐蚀。

化学腐蚀过程是金属与腐蚀介质(空气中的氧)直接作用但不产生电流,例如钢铁,即使在干燥空气中,也会与氧发生作用,生成一层肉眼可见的极薄氧化膜,表面会发蓝发黑,但因氧化膜完整而紧密,氧就不易再与钢铁发生反应,故生锈的速度便 缓慢下来。

电化学腐蚀过程是指金属浸在电解质溶液中或放在潮湿空气中,其表面有电流 产生,加快了腐蚀。这种现象被称为电化学腐蚀。

从腐蚀速度上来看,电化学腐蚀要比化学腐蚀快得多。从铁被腐蚀的程度来看,电化学腐蚀也远远大于化学腐蚀。

电化学腐蚀主要是以下两种腐蚀的结合。

①析氢腐蚀:在较强酸性介质中,由于H浓度大,铁以析氢腐蚀为主。

负极反应(Fe):Fe-2e-=Fe2+

正极反应(C) :2H+2e-=H2

水膜中H在阴极得电子后放出H2,H2O不断电离,OH浓度升高并向整个水膜扩散,使Fe2+与OH相互结合形成Fe(OH)2沉淀。Fe(OH)2还可继续氧化成 Fe(OH)3: 4Fe(OH)3+2H2O+O2 ==4Fe(OH)3。Fe(OH)3可脱水形成 Fe2O3·nH2O,即铁锈的主要成分。

②吸氧腐蚀:在弱酸性或中性介质中,发生的腐蚀是吸氧腐蚀。

负极反应(Fe) : 2Fe-4e-==2Fe2+

正极反应(C):2H2O+O2+4e-==4OH

水溶液中通常溶有O2,它比H更容易得到电子。正极上产生的OH及负极产生的Fe2+向溶液中扩散,生成Fe(OH)2,进一步氧化生成Fe(OH)3,并转化为铁锈。这种腐蚀称为吸氧腐蚀。两种电化学腐蚀中,吸氧腐蚀比析氢腐蚀要普遍和严重得多。

另外,金属电化学腐蚀的影响因素很多。首先是金属的性质,即金属越活泼,标准电极电势越低,就越易腐蚀。有些金属,如Al、Cr等,虽然电极电势很低,但会生 成一层紧密覆盖在金属表面上的氧化物薄膜,阻止了腐蚀继续进行。但如果氧化膜被破坏,则腐蚀仍会发生。其次,金属所含的杂质如果比金属活泼,则会形成以金属为阴极的微电池,便不易被腐蚀。如果金属比杂质活泼,则金属成为微电池的正极 而加速腐蚀。

(3)纯铁不容易生锈的原因分析

①由于常见的雨水中溶解CO2后,形成的碳酸酸性很弱,纯净的铁难以置换出 碳酸中的氢,只有在发生原电池反应的情况下才可能生锈。没有碳或其他不如铁活泼的物质作正极,反应就不能进行了,所以,纯铁不容易生锈。而生铁因含有碳等杂质,常常发生电化学腐蚀,在表面迅速生成松散的氧化铁层,也就是常说的铁锈。由于铁锈不能将金属与介质隔离,外界的氧原子或氢离子会不断向内扩散而使生铁继续生锈、腐蚀,以致完全被破坏。

②一般情况下,纯铁在空气中刚开始呈银白色,比较软,而后会和空气中的氧气 反应,表面会生成一层灰白的、致密的氧化膜(成分是Fe2O3),这层氧化膜(钝化膜) 将整个金属表面遮盖起来,起到保护作用,而且氧化膜(钝化膜)各处是均匀的,并与金属本体结合很牢固,水汽和氧气无法接触铁,从而阻止内部铁被继续氧化。

(责任编辑:化学自习室)
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