化学自习室移动版

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^-=Fe^2＋，

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Fe^2＋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^-==2Fe^2＋，

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Fe^2＋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。