钢铁为什么会生锈?如何除锈?

我们日常的生产和生活离不开钢铁材料,但是世界上每年因锈蚀而损失的钢铁数量十分巨大。因此,如何保护钢铁防止其锈蚀意义重大。生锈

钢铁锈蚀原理是什么?我们可以根据下图所示的小实验进行探究:在第1支试管中加入少量氯化钙(氯化钙可吸收空气中的水蒸气,起干燥作用),放入一根铁钉,塞紧试管口。在第2支试管中放入一根铁钉,加入经煮沸并迅速冷却的蒸馏水浸没铁钉,再注入植物油,使水面上形成油层。在第3支试管中放入一根铁钉,加入少量蒸馏水使铁钉的一部分浸在水中。 连续一周定时对三支试管进行观察并记录现象。我们从实验结果可以发现第1支、第2支试管中的铁钉没有生锈,但第3支试管中的铁钉却生锈了,铁钉表面出现了红棕色的铁锈。由此可见铁生锈需要水、氧气的参与。

钢铁制品的腐蚀过程,是一个复杂的化学反应过程。铁锈通常为红棕色,不同情况下会生成不同形式的铁锈,铁锈主要由氧化铁的水合物(Fe2O3·nH2O)和氢氧化铁[Fe(OH)3]组成。钢铁表面的铁锈结构疏松,不能阻碍内部的铁与氧气、水蒸气等接触,最终导致铁全部生锈。

你知道应如何除去铁表面的锈迹吗?

常用的除铁锈方法可以分为物理方法和化学方法两类。物理方法主要是利用打磨的方式除去铁锈,例如用砂纸、砂轮、钢丝刷、钢丝球等进行打磨。化学方法主要是利用酸与铁锈发生化学反应,从而达到除锈的目的。

其实,只需要将钢铁制品与水和氧气隔绝,就可以阻止钢铁锈蚀。因此,防止铁生锈最简单的方法是保持钢铁制品表面光洁干燥。防止钢铁生锈还可在其表面形成保护层,如涂油、喷漆、烧制搪瓷、喷塑等。在日常生活中,人们经常会对车厢、水桶等采取涂油漆的措施,而机器需要涂矿物性油。除此之外,还可以在钢铁表面采用电镀、热镀等方法镀上一层不易生锈的金属,如锌、锡、铬、镍等。这些金属表面能够形成一层致密的氧化物薄膜,从而防止铁制品和水、空气等物质接触而生锈。另外,还可以将钢铁组成合金,以改变其内部的组织结构,例如在铬、镍等金属中加入普通钢里制成不锈钢,有效地增加了钢铁制品的抗生锈能力。

生活中常见的除锈剂主要成分为盐酸、稀硫酸,它们能与氧化铁反应,反应原理为:Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O、 Fe2O3+ 3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O。除锈剂沿着锈层和杂质层的裂痕渗透至钢铁制品表面,对锈层和杂质层产生溶解、剥落作用,从而使锈层、杂质和氧化皮从钢铁制品表面脱落。但是酸具有一定的腐蚀性,因此,在除锈时需要身穿防护服。另外,酸与铁会产生氢气,遇明火会发生爆炸,所以,除锈操作时需要禁止烟火。

盐酸、稀硫酸都能与氧化铁反应,选择哪种酸进行工业除锈更好呢?在选择时主要考虑四个因素:除锈效果、酸的生产成本、酸的运输储存、使用安全环保。

盐酸、硫酸哪一个除锈能力强?我们将带锈的铁钉分别放置于等体积、等氢离子浓度的盐酸和硫酸中,最后发现盐酸的除锈效果更好。通过实验也可说明当其它条件相同时,稀硫酸与金属氧化物的反应速率比盐酸慢。

那么从生产、运输以及安全使用方面比较,盐酸、硫酸哪一个更占优势?盐酸的工业制备是通过电解饱和食盐水先得到氢气和氯气,两种气体反应后生成氯化氢气体,经过水吸收形成了盐酸,氯化氢气体并不能无限制地溶解在水中,因此浓盐酸的溶质质量分数最多在37%左右。而硫酸是通过高温煅烧硫铁矿先制得二氧化硫,二氧化硫与氧气反应后生成三氧化硫,三氧化硫被浓硫酸吸收成为焦硫酸,焦硫酸加水转成硫酸。因此,从原料、制备过程以及对环境的影响上,盐酸优于硫酸。浓盐酸需要密封储存在玻璃瓶或塑料桶中,运输则需要内部衬有橡胶的特制钢罐车。浓硫酸的质量分数最高可以达到98%,它的储存与运输都可以用钢制或铝制的容器。在这方面,硫酸强于盐酸。

溶质质量分数较大的盐酸具有挥发性,挥发出的氯化氢气体对人体有强烈的刺激和腐蚀作用,而溶质质量分数低的盐酸却相对比较稳定。浓硫酸在使用前需要进行稀释,稀释会产生大量的热,容易造成烫伤,并且浓硫酸的腐蚀性要远强于浓盐酸。由此可以看出盐酸的使用较为安全。

根据以上信息,显然盐酸的除锈效果更好,成本更低,使用更加安全。

另外,在化学实验室中我们还可以自制相对比较环保的除锈剂。第一步,先将柠檬酸18g、糊精0.8g、钼酸钠3g、磷酸1.1g和水60g放入混合罐内,室温下匀速搅拌30 min。第二步,在混合溶液中加入甘油8g,室温下匀速搅拌10 min,搅拌转速为25 r/min。第三步,在混合溶液中加入添加剂碘化钠0.06g,室温下匀速搅拌30min,搅拌转速为25r/min。

用柠檬酸代替盐酸、稀硫酸可以解决目前除锈剂污染环境的弊端,甘油可以加强除锈剂在金属表面的附着性能。而且这种除锈剂除了除锈功能外,还具有防锈功能。

当然钢铁锈蚀会损失金属资源,但是钢铁锈蚀的原理也有有利的一面。例如糕点包装中常使用脱氧剂,其主要成分包含铁粉。脱氧剂利用铁粉生锈的原理消耗氧气,从而防止食品变质。

同时,铁生锈是放热反应,人们利用该作用生产了“自热帖”。“自热帖”的主要成分是铁粉、蛭石、活性炭、无机盐(例如食盐)、水等。在自然条件下,铁进行氧化反应的速度缓慢,为了加快该反应的速度,需采用表面积大的铁粉末。活性炭的作用是形成原电池促进反应;同时利用活性炭的强吸附性,在其疏松的结构中储存水。无机盐的作用是和活性炭形成原电池促进反应。蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐矿物,可以起到储热的作用。

在化学实验室中我们也可以自制“自热帖”,按照5:2:2:2的质量比称量铁粉、活性炭、食盐、蛭石。将称量好的铁粉、活性炭、食盐、蛭石(蛭石也可以不加)倒入烧杯中,加几滴水,用玻璃棒充分搅匀后,装入无纺布袋中,放入自封袋密封(或者使用塑封机密封),使用时取出即可。另外,铁粉和活性炭颗粒越细(铁粉以100目为宜,活性炭为150目为宜)反应越快,升温越明显。

来源: 中国冶金报社