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各种铁锈

发表时间:2020-11-27

                                                 各种铁锈

1.潮湿大气中的铁锈

       钢铁在潮湿大气中,由于水分的凝聚,其表面上出现了薄的水膜,使电化学腐蚀的发生具备了条件。

      空气中的氧,通过金属表面的水膜比通过完全浸没时的液层要容易的多,所以金属在大气中的腐蚀是属于氧去极化腐蚀。在工业大气中,水膜常常是呈酸性,这时也可能产生氢去极化腐蚀。但由于氧极易到达阴极,所以氧的去极化作用仍是主要的。

     在潮湿大气中,最初形成的铁锈的主要成分是Fe2O3·nH2o。当这些腐蚀产物达到一定的厚度时,还会影响大气腐蚀的电极反应。在锈层处于湿润的条件下,氧的扩散通路被限制时,它可以作为氧化剂,而在阴极被还原,产生下面的阴极去极化反应

                       4 Fe2O3·nH2o+Fe2++2e3 Fe3O4+4 nH2o

而当锈层干燥时,它是透氧的,具有磁性的黑色的Fe3O4,又被渗入锈层的氧气重新氧化,变成铁红色的Fe2O3,即

            4Fe3O4+O26 Fe2O3

当锈层再受潮时,Fe2O3吸水后再度发生阴极去极化反应,在靠近铁基体的部位,重新转化为Fe3O4。由此可见,在干湿交替的条件下,钢铁所带有的锈层能加速腐蚀的进行,因而生成的铁锈也较严重。钢铁在常温大气中的锈蚀产物是疏松的,主要以Fe2O3为主。Fe3O4是夹在Fe2O3和Fe中间的很薄的过渡层,随着温度的升高,有增厚的倾向。

   钢铁在被二氧化硫、硫化氢或氯气污染的潮湿的工业大气中腐蚀速度要明显加快。其中腐蚀性特别严重的是被二氧化硫污染的相对湿度大于70%的大气。二氧化硫在城市和工业区的含量可达0.1~100mg/m3。二氧化硫加速腐蚀的作用与它在钢铁表面上形成的硫酸亚铁盐膜有关。

   铁和钢在含有二氧化硫的湿空气中生锈,最初是“酸的再生循环”起作用,其反应如下:

                          Fe+SO2+O2⇋FeSO4

                          4 FeSO4+ O2+6H2o⇋5FeOOH+4H2SO4

                         4H2SO4+4 Fe+2 O2⇋4 FeSO4+4H2o

  一旦有锈和硫酸亚铁生成时,“电化学循环过程”就开始起组要作用。这是因为电化学循环要比酸的再生循环快得多。像所有的腐蚀电池一样,它由两部分组成:电解质部分的电路,由渗透在Fe3O4孔道中的FeSO4溶液提供。而电子部分的电路,由Fe3O4本身提供,因为磁性氧化铁是电子导体。

     这样的锈层是疏松的,保护性差,容易脱落被剥离。

2.各种水溶液中的铁锈

在水溶液中,钢铁表面锈层的形成要经历电化学腐蚀产生铁离子、铁离子向溶液内部扩散、铁离子浓度逐渐增加和在钢铁表面优先达到饱和析出铁的氧化物及铁盐沉积物的过程。

在酸液中,铁的氧化物因为被分解,而不可能生成。而铁盐在酸液中的溶解度一般又较大,所以在酸液中,钢铁表面是不易形成锈层的。但这不意味着钢铁在酸液中的腐蚀较轻,相反,由于H+的去极化作用,钢铁的腐蚀要严重的多。

在常温下,钢铁在不太浓的碱中是十分稳定的。这主要是因为腐蚀产物(氢氧化铁膜)在碱中的溶解度很低,并能较牢固的覆盖在金属表面上,阻滞金属的腐蚀。所以,钢铁在碱液中生成的锈层很薄,不明显。

钢铁在中性和金中性的水溶液中的腐蚀产物是疏松的,对金属基体的保护性差。因此,在中性水溶液中,钢铁表面最容易生成铁锈。

在常温下,钢和铁在中性水溶液中的腐蚀速度受氧的扩散控制。其阳极、阴极反应及腐蚀的总反应如下:

阳极区  FeFe2++2e

阴极区O2+2 H2o+4e4OH-

          Fe2++2 OH-Fe(OH)2(二次过程)

          4 Fe(OH)2+ O2+2 H2o4 Fe(OH)3(进一步氧化)

          2 Fe(OH)3Fe2O3+3 H2o(再转化)

总反应4 Fe+3 O22 Fe2O3

生成的Fe2O3疏松,无保护作用。如除去水溶液中的氧气,则可抑制Fe2O3的生成。

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