生活中常见的腐蚀与研究

冯启睿

（甘肃省兰州第一中学 甘肃 730030）

第一次工业革命以后，金属材料得到了巨大的应用和发展，钢铁的年产量甚至代表了一个国家的工业水平。与高分子材料以及陶瓷相比，金属材料具有导电、导热、制备工艺简单、强度高等优点，在经济社会发展中发挥着越来越重要的作用。然而，易腐蚀一直是金属材料难以克服的弊端。金属材料腐蚀带来的危害是巨大的，不仅损害经济，对于资源和坏境，甚至公共安全方面都会造成严重威胁[1]。数据表明，金属腐蚀带来的经济损耗不可估计，每年我国因金属材料腐蚀造成的经济损失，高达数千亿美元[2]。不仅如此，金属材料的腐蚀性严重破坏了周边坏境，威胁了人们的健康。例如，天然气井盖的套管，在长期使用过程中因为应力腐蚀容易裂开，造成井喷甚至爆炸；化工厂储存乙烯原料的罐子因为硫化物质腐蚀而造成大火引起人员伤亡，波音747客机断裂坠毁等等，因金属腐蚀而造成的伤亡现象屡见不鲜。

金属腐蚀是一个复杂的过程，发生腐蚀的本质是金属材料本身与其所处的环境介质发生不同程度的化学、电化学或者物理作用，从而引起材料失去原有属性的现象。在不同的环境下，金属可能发生不同种类的腐蚀[3]。宋海军在《浅谈金属材料的腐蚀与防护》一书中指出，根据金属腐蚀的机理不同，可以将金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，其中电化学腐蚀带来的危害比化学腐蚀大得多，其实质都是金属原子被氧化成金属离子的过程；除了化学腐蚀和电化学腐蚀外，研究者[4]又补充了生物腐蚀和物理腐蚀。同时，由于腐蚀的形态和环境不同，其又可分为湿腐蚀和干腐蚀。按照腐蚀程度划分，其可为局部腐蚀和全面腐蚀。相比而言，局部腐蚀带来的危害更大。王金红对腐蚀速率做了相关研究，她指出，对于不同成分不同浓度的盐水喷雾，其所造成的金属材料的腐蚀速度也不相同。当盐含量过高时，湿度含量会相对降低，此时，倘若盐分结晶时，反而降低腐蚀速率。冯宁宁也指出，金属腐蚀速率的重点是水分的产生，当水分过多时，达到或者超过了特定的相对湿度，就会引起电化学腐蚀，加快反应速度。同时，空气中常见的的污染物大多都是酸性气体，它们在一定程度上也能够加速腐蚀速率。

本文在前人研究的基础上，通过利用生活中易得的实验器材，构造了干电池除铁钉锈的实验，并揭示其原理，分析了金属腐蚀的机理，产生条件以及影响因素，进而给出了相应的解决措施，希望给后来研究者以启迪。

一、实验

（一）实验材料

干电池、导线、生锈的铁钉、碳棒、小碗、10%的食盐水。

（二）实验方法

配置10%的食盐水，放到小碗里，分别将生锈的铁棒、碳棒连接到电源的正极和负极，并插入到食盐水中，通电几分钟后，取出铁钉，观察铁钉表面的形貌变化，其结果如图1所示：

图1:电池除锈实验前后铁钉的外观图片，其中a：实验前；b：实验后

（三）结果与讨论

通电几分钟后，我们可以观察到铁钉大量气泡冒出，铁钉表面的锈附着在铁钉上，很容易擦掉，而且擦掉后，漏出铁钉基体，铁锈被除掉。

由实验装置可知，干电池、电极、电解液构成了电解池。其中，生锈的铁钉与电池的正极相连，通电时，发生氧化反应：

由反应方程式可知，铁锈下的铁元素发生氧化反应，由铁原子氧化成二价铁离子，从而进入到溶液中，使得原本附着在表面铁元素上的铁锈与内部铁元素的结合力变软，因此很容易被擦掉，漏出内部未发生生锈的铁。与此同时，由于电子守恒，电池的阴极发生还原反应：

因此，我们可以看到电池正极有气泡冒出。

二、影响金属腐蚀的因素

材料发生腐蚀，是由于材料本身受到周围环境的作用，进而发生有害的化学、电化学、物理反应，使其失去固有性能的过程。因此，影响材料发生腐蚀过程的因素既与材料本身因素有关，也与其所处的环境相关。

（一）内因

1.金属的化学稳定性

金属的耐腐性好坏首先与金属的本性有关。我们可以用标准平衡电极电位来评定，也等同于材料本身的热力学稳定性。热力学稳定性越高，金属越不易与周围环境发生反应，从而能够保证金属原子不被还原为离子，使其不容易受到腐蚀。然而，部分热力学稳定性低的金属与空气中的氧气发生反应，使其表面能生成致密的氧化膜，进而阻碍金属本身与外界坏境的接触，使其具有良好的耐腐蚀性，如金属铝，金属钛。

2.合金成分的影响

在生活和工业中，纯金属很少能够满足复杂的工业要求，因而大部分使用的都是合金。和纯金属相比，合金具有优良的性能，在耐蚀性上，也与纯金属有不同的地方，具体表现在：

（1）单相合金。单相合金都具有较高的热力学稳定性，耐蚀性较好，如生活中常见的不锈钢、铝合金、钛合金。

（2）两相或多相合金。由于各相之间存在化学和物理上的不均匀，导致同一合金不同相之间标准平衡电极电位不同，使得合金表面不同相之间容易形成腐蚀微电池，加快金属腐蚀，所以两相或多相合金比单向合金更容易腐蚀。例如，普通的钢。然而，也有例外，如铸铁，由于各相之间原本比较稳定，当加入了一些稳定的合金成分，如硅元素，其形成的多相结构仍比较稳定，较耐腐蚀。

（3）热处理。不同的热处理状态，得到的材料的组织结构不同。因此，这也决定了其具有不同的耐腐蚀性。

（4）金属的表面状态。当金属边、面具有擦伤、缝隙、漩涡等损伤时，其会使金属表面比较粗糙，增大金属与环境的接触面积。这些损伤部位都是腐蚀产生的源头，使金属更容易受到腐蚀。

（二）外因

1.环境的PH值对腐蚀的影响

我们知道，生活中使用的大部分金属，如不锈钢，钛合金都能与酸发生反应。因此，一般在酸性溶液中，金属都容易受到腐蚀，而且腐蚀速率随着PH值的增加而减小[5]，在碱性溶液中，金属常有钝化的情况发生，腐蚀速度下降，但对于两性金属，如铝合金，其在强碱性溶液中，腐蚀速度会再次增加。

2.溶液成分的影响

当金属处于溶液环境下时，当溶液的成分、浓度不同时，金属会形成不同的腐蚀速率。例如，一般在高湿、高盐的海洋坏境下，金属极容易产生电化学腐蚀，从而加快腐蚀速度，这也是金属在高湿、高盐环境下难以保护的原因。

3.介质压力对腐蚀的影响

不同压力条件下，金属所处的坏境也不同。压力越大时，一方面很容易产生金属内部的晶格畸变，使原子的活动性增加，扩散加速，促使金属发生电化学腐蚀；另一方面，压力增加时，能够加快金属与周围介质的化学反应速率，也能促使腐蚀速率增加。

4.温度对腐蚀的影响

金属发生电化学腐蚀时，其腐蚀速率一般随着温度的升高而增加。当温度的升高，电极反应扩散过程速度增加，从而使电化学反应的控制步骤速度增加，提高电化学反应速度。在许多大陆性气候，由于昼夜温差比较大，白天温度较高，加速电化学反应，晚上温度降低时，空气中的水分以凝露的形式聚集在金属表面，从而为金属生锈提供了良好的条件。因此，昼夜温差大的地方，金属都容易产生腐蚀。

5.介质的流动速度对腐蚀的影响

对于同一种金属来说，当其所处的坏境介质不同时，其腐蚀速率也不同；同样，同种介质流速下，不同的金属，其腐蚀行为也不相同。例如，在静态海水环境中，碳钢的腐蚀速率远远高于不锈钢。当流速为10米每秒时，铜合金的腐蚀敏感性要远远高于钢，主要原因是铜合金表面成膜速度很慢，使其长时间与海水接触，易发生腐蚀。

三、材料腐蚀的防护措施

金属材料腐蚀是材料表面以及界面与环境发生作用而引起的破坏，因此目前对于金属材料防护主要从金属材料本身、坏境以及材料界面三方面进行考虑[6-7]。主要的防护手段有以下几种方式。

（一）缓蚀剂

加入缓蚀剂是常用的金属材料防护的方法[8]。缓蚀剂是一种加入少量，就能显著减缓或阻止金属材料发生腐蚀的物质，具有用量较少、见效迅速、成本低廉、使用方便等优点。目前市面常用的缓蚀剂种类繁多、机理复杂。按照缓蚀剂作用区域不同，其可以分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂、混合型缓蚀剂。然而，其作用机理均为根据实际情况抑制某极反应来增加另一极的反应。按照作用机理来讲，部分缓蚀剂能在金属表面生成致密而附着力良好的氧化膜；部分能够与金属的腐蚀产物或者与阴极反应的产物，生成沉淀，从而有效修补金属表面的破损处，阻碍内部金属与环境的接触，减缓腐蚀速度。目前缓蚀剂主要应用领域是在石油工业以及工业循环水等液体环境下，而且有时单独使用一种缓蚀剂达不到良好效果时，可使用多种缓蚀物质协同使用。

（二）电化学保护

电化学保护是目前金属防护效果较为理想的一种保护方法。其实质是根据金属电化学腐蚀原理，对金属进行保护。按照电极作用原理不同，我们可以将电化学保护分为阴极保护与阳极保护两大类。阴极保护是将金属构件作为电极反应的阴极，通过阴极反应来消除金属表面的电化学不均匀性，从而达到保护金属的目的。通常的作用方式是，将被保护的金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流而使金属无法失去电子，从而得到保护。还有一种阴极保护的方式，当需要保护某种金属时，把某种电位比较负的金属与被保护电位相对较正金属构件相连接，从而使保护的金属构件成为腐蚀电池中的阴极，进而实现被保护的目的。阳极保护是利用金属在电解质溶液中依靠阳极极化，建立钝态的特性而实施的保护方法。与外加电流阴极保护一样，阳极保护也使用外加直流电源供电。所不同的地方，被保护设备接的的电源正极。保护原理是当金属与电源正极相连接时，处于腐蚀区的金属将进行阳极极化，使其电位向正移至钝化区，从而使金属由腐蚀状态变为钝化状态。其在金属表面生成一层钝化膜，使内部金属与外部环境隔离，从而金属腐蚀速度降低而得到保护。阳极保护的关键，是使被保护金属与环境能建立起可钝化的体系。因此，对于阳极保护来说，得知被保护金属的致钝电流密度，维钝电流密度，钝化区电位范围是至关重要的。

（三）表面涂层保护

工业生产和生活中的大部分金属既没有在液态环境下，也没有与其他金属或者电源相连接。因此，表面涂层保护是目前最为常用的金属材料防护方法。金属表面形成保护性覆盖层，可避免金属与腐蚀介质直接接触，或利用覆盖层对机体金属的电化学保护或缓蚀作用，从而达到减缓金属腐蚀速率的目的。目前，常用的金属表面形成涂层的方法包括电镀、阳极氧化、化学氧化、喷漆等途径。不同的金属材质采用不同的途径，如一般钢铁制品大多采用电镀，铝合金材料、钛合金材料则采用阳极氧化、化学氧化的方法。然而，无论何种方式得到的涂层，均有结构致密，完整无孔，与机体有较好的结合力，在整个被保护面上分布均匀等特性。