鋼鐵為什麼會生鏽？如何除銹？

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。 連續一周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。

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。

你知道應如何除去鐵表面的銹跡嗎？

常用的除鐵鏽方法可以分為物理方法和化學方法兩類。物理方法主要是利用打磨的方式除去鐵鏽，例如用砂紙、砂輪、鋼絲刷、鋼絲球等進行打磨。化學方法主要是利用酸與鐵鏽發生化學反應，從而達到除銹的目的。

其實，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、燒制搪瓷、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里製成不鏽鋼，有效地增加了鋼鐵製品的抗生鏽能力。

生活中常見的除銹劑主要成分為鹽酸、稀硫酸，它們能與氧化鐵反應，反應原理為：Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O、 Fe2O3+ 3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O。除銹劑沿著銹層和雜質層的裂痕滲透至鋼鐵製品表面，對銹層和雜質層產生溶解、剝落作用，從而使銹層、雜質和氧化皮從鋼鐵製品表面脫落。但是酸具有一定的腐蝕性，因此，在除銹時需要身穿防護服。另外，酸與鐵會產生氫氣，遇明火會發生爆炸，所以，除銹操作時需要禁止煙火。

鹽酸、稀硫酸都能與氧化鐵反應，選擇哪種酸進行工業除銹更好呢？在選擇時主要考慮四個因素：除銹效果、酸的生產成本、酸的運輸儲存、使用安全環保。

鹽酸、硫酸哪一個除銹能力強？我們將帶銹的鐵釘分別放置於等體積、等氫離子濃度的鹽酸和硫酸中，最後發現鹽酸的除銹效果更好。通過實驗也可說明當其它條件相同時，稀硫酸與金屬氧化物的反應速率比鹽酸慢。

那麼從生產、運輸以及安全使用方面比較，鹽酸、硫酸哪一個更佔優勢？鹽酸的工業製備是通過電解飽和食鹽水先得到氫氣和氯氣，兩種氣體反應後生成氯化氫氣體，經過水吸收形成了鹽酸，氯化氫氣體並不能無限制地溶解在水中，因此濃鹽酸的溶質質量分數最多在37%左右。而硫酸是通過高溫煅燒硫鐵礦先製得二氧化硫，二氧化硫與氧氣反應後生成三氧化硫，三氧化硫被濃硫酸吸收成為焦硫酸，焦硫酸加水轉成硫酸。因此，從原料、製備過程以及對環境的影響上，鹽酸優於硫酸。濃鹽酸需要密封儲存在玻璃瓶或塑料桶中，運輸則需要內部襯有橡膠的特製鋼罐車。濃硫酸的質量分數最高可以達到98%，它的儲存與運輸都可以用鋼製或鋁製的容器。在這方面，硫酸強於鹽酸。

溶質質量分數較大的鹽酸具有揮發性，揮發出的氯化氫氣體對人體有強烈的刺激和腐蝕作用，而溶質質量分數低的鹽酸卻相對比較穩定。濃硫酸在使用前需要進行稀釋，稀釋會產生大量的熱，容易造成燙傷，並且濃硫酸的腐蝕性要遠強於濃鹽酸。由此可以看出鹽酸的使用較為安全。

根據以上信息，顯然鹽酸的除銹效果更好，成本更低，使用更加安全。

另外，在化學實驗室中我們還可以自制相對比較環保的除銹劑。第一步，先將檸檬酸18g、糊精0.8g、鉬酸鈉3g、磷酸1.1g和水60g放入混合罐內，室溫下勻速攪拌30 min。第二步，在混合溶液中加入甘油8g，室溫下勻速攪拌10 min，攪拌轉速為25 r/min。第三步，在混合溶液中加入添加劑碘化鈉0.06g，室溫下勻速攪拌30min，攪拌轉速為25r/min。

用檸檬酸代替鹽酸、稀硫酸可以解決目前除銹劑污染環境的弊端，甘油可以加強除銹劑在金屬表面的附著性能。而且這種除銹劑除了除銹功能外，還具有防鏽功能。

當然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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