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鐵的鏽蝕Corrosion of Iron
2012/01/05 00:27:01瀏覽4877|回應0|推薦2

因為鋼鐵是橋樑、建築和汽車的主結構材料,所以控制鋼鐵的鏽蝕非常重要,為了達到這個目的,我們必須瞭解鏽蝕的機制。

 

化學原理啟迪284

鐵的鏽蝕Corrosion of Iron

 

1.          因為鋼鐵是橋樑、建築和汽車的主結構材料,所以控制鋼鐵的鏽蝕非常重要,為了達到這個目的,我們必須瞭解鏽蝕的機制。

2.          鋼的表面並不均勻,因為鋼不是由單一種類原子組成的,此外,物理碰撞、摩擦會造成金屬表面有些刮痕、凹洞……等壓力點;由於鋼的表面凹凸不平,使得某些區域的鐵比較容易被氧化(陽極區域),其他區域比較難(陰極區域)。

3.          在陽極區域,每個鐵原子會釋放2個電子,變成Fe2+離子:

Fe→Fe22e

被釋放的電子流過鋼,如同電子穿過電池的電線,到陰極區域,與氧進行反應

O22H2O4e→4OH

並且陽極產生的Fe2+離子,透過鋼潮濕的表面,轉移到陰極區域,過程就像離子穿過電池的鹽橋。

4.          在陰極區域,與氧反應形成鐵鏽,其中包含各種組合的水合鐵氧化物 hydrated iron() oxide

4Fe2(aq)O2(g)(4+2n)H2O(l)→2Fe2O3nH2O(s)8H(aq)

Fe2O3nH2O(s)就是鐵鏽

5.          因為離子和電子會轉移陣地,鐵鏽通常不是在鐵被溶解的位置(凹洞)產生,而是在比較遠一點的位置製造出來(累積凸起),這造成鋼鐵表面許多凹洞。

6.          此外,鐵氧化物的水合程度會影響鐵鏽的鹽色,鐵鏽的顏色從黑到黃都有,整體混合起來看就是我們熟悉的紅棕色。

7.          電化學能夠解釋潮濕對鏽蝕過程的重要性。潮濕扮演「陽極區域」與「陰極區域」之間的「鹽橋」,銅在乾空氣中部會鏽蝕,這也可以解釋為什麼汽車在美國西南部,比在潮濕的中西部耐久。

8.          鹽也會加速鏽蝕,美國寒冷地區的汽車比較容易鏽蝕,因為路面會灑鹽來溶解雪和冰,溶解的鹽在潮濕的鋼面增加溶液的導電性,因此加速電化學鏽蝕過程,使汽車嚴重生鏽。

9.          氯離子會與Fe3+形成穩定的錯合物離子,這個因素讓鐵的溶解更加劇烈,進一步加速鏽蝕。

參考資料:海風、海鹽易腐蝕設備

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles ;圖片來源:Wps.prenhall.com

 

研究心得:

1.      為什麼鋼跟鐵相比,鋼比較不容易生鏽?因為鋼參雜了碳,碳最外層的電子殼層需要吸收4個電子才能填滿,所以碳吸收周圍鐵原子的電子給自己,由於鐵的電子被碳奪走、控制了,因此當氧氣分子撞擊鐵的時候,鐵不會把電子釋放給氧進行氧化反應,所以比較不容易生鏽。

2.      鐵增加「鎳」或「鉻」鍛造不鏽鋼的道理也是一樣。鎳與鉻的最外層的電子殼層是「d軌域」,「d軌域」如果填滿10個電子會變得比較穩定,鎳再增加2個電子,鉻再增加6個電子,它們的最外層軌域就會填滿。

3.      因此在鐵裡面混入鎳或鉻,鎳或鉻會吸收鐵的電子穩定自己的最外層軌域,由於鐵的最外層電子被鎖進鐵鎳或鐵鉻共價鍵中,因此氧沒有辦法奪走鐵的電子。更重要的原因是,鎳或鉻比鐵更容易與氧起反應,會形成鎳或鉻的氧化物保護鐵。

4.      為什麼鋼還是會生鏽?鋼是在鐵裡面混入其他種類元素做出來的合金,不論混入的是碳或其他元素,它們不可能完全均勻地混在鐵裡面。

5.      當然鋼的鍛造次數愈多合金會混合得更均勻,但是鋼畢竟不是晶體,所以不是每一個鐵的外層電子都有其他原子牢牢控制住,而且碳加太多鋼會變得太脆,不符合某些實際應用的需要。

6.      所以鋼裡面一定有許多區域只有單純的鐵原子,周遭沒有其他元素幫忙控制它們的電子,這些純鐵區域變成容易被「氧」搶奪電子的「陽極區域」,而那些不容易被「氧」搶奪電子的合金區域就成為「陰極區域」。

7.      混入其他種類的元素會造成鋼的表面凹凸不平,鋼的表面也會因為被刮到或擠壓產生凹洞;遇到潮濕的環境,這些凹下去的地方就成為積水的位置;水有什麼作用呢?水能提供離子,扮演電池系統中平衡電荷的「鹽橋」角色,使氧化反應持續進行,也就是讓鋼鐵持續生鏽。

8.      鐵跟氧這二種物質的碰撞是一種衝突,這種衝突導致鋼鐵的鏽蝕。人類為什麼會有衝突?文明是否會退步?人類如果沒有足夠的理性與知識累積,非常容易被天災所摧毀;就人類社會內部而言,如果人的理性不足很容易引起情緒失控、衝突而暴力相向;學習愈多、受教育愈多(鐵的電子被碳、鉻或鎳控制住),就比較理性、情緒比較不容易失控,比較不會產生暴力衝突。

9.      解決反社會的犯罪者,很不好的方法是隔離、體罰(所有犯罪者關在一起讓他們互相學習犯罪技巧,等於讓鐵泡在水中),最好的方法是讓他接受更多元的教育(在鐵中混入碳、鎳、鉻等物質防止生鏽,鍛造均勻的合金);最糟糕的方法是判他死刑(完全放棄解決鐵生鏽的問題),因為這表示政府無能、老師無能、家長無能,不只無能還因為沒有知識水準、理性不足,所以解決不了問題。

10. 為什麼台灣還需要執行死刑?因為社會大眾都有共識,星雲、證嚴、單國璽、馬英九沒有教育能力、理性不足,所以絕對不可能讓那些犯罪者「改過遷善」,所以星雲、單國璽應該都主張台灣應該多增加一點死刑;也就是絕大部分的權貴階級都不理性、昏庸無能、知識不足,因此沒有辦法讓社會更公平、行政效率更高、法治更完善、學校教育更健全

( 知識學習科學百科 )
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引用
引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=Gabriel33&aid=6003438