腐蝕、陽極處理及其影響

大家好！有沒有試過把單車放在雨中，之後發現它出現了難看的紅褐色鏽斑？又或者留意到舊金屬閘門變得剝落脆弱？這就是腐蝕作用在搞鬼！在這些筆記中，我們將會深入探討這個日常現象背後的科學原理。我們會探索為甚麼像鐵這類金屬會生鏽，我們可以怎樣保護它們，以及為甚麼像鋁這類「超級英雄」金屬似乎能抵禦腐蝕。最重要的是，我們會看到為甚麼了解腐蝕對我們的安全、經濟和環境都至關重要。讓我們開始吧！


甚麼是腐蝕和生鏽？

腐蝕是指金屬與環境（如空氣和水）進行化學反應，而逐漸被破壞的過程的總稱。生鏽是鐵及其合金（例如鋼）的腐蝕作用特稱。

生鏽的化學原理

如果一開始覺得有點難，不用擔心。生鏽其實只是一種氧化還原反應。讓我們來逐步拆解吧。

快速重溫：氧化還原反應

還記得「OIL RIG」嗎？這是一個記住氧化還原反應如何發生的好方法：

  • Oxidation Is Loss (of electrons) 氧化即失去（電子）
  • Reduction Is Gain (of electrons) 還原即獲得（電子）

要發生生鏽作用，氧化和還原必須同時發生。

生鏽的兩個必要條件

把這想像成一份食譜。要製成鐵鏽，你絕對需要兩種材料：

  1. 氧（通常來自空氣）
  2. 水

如果缺少其中任何一種，鐵就不會生鏽。這是一個「非此即彼」的情況！

生鏽過程逐步解說

生鏽是一個電化學過程。想像一下鐵的表面有一個微型電池。

步驟一：氧化（失去電子）
鐵金屬充當負極（陽極）並被氧化。鐵原子失去電子，變成鐵(II)離子。

$$ \text{Fe(s)} \rightarrow \text{Fe}^{2+}\text{(aq)} + 2\text{e}^- $$

步驟二：還原（獲得電子）
鐵失去的電子會通過金屬，移動到另一個位置。在那裡，在水的存在下，空氣中的氧氣獲得這些電子，被還原成氫氧根離子。

$$ \text{O}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} + 4\text{e}^- \rightarrow 4\text{OH}^-\text{(aq)} $$

步驟三：形成鐵鏽
鐵(II)離子（Fe²⁺）和氫氧根離子（OH⁻）隨後與更多的氧氣反應，形成我們稱為鐵鏽的紅褐色物質。鐵鏽的化學名稱是水合氧化鐵(III)。

$$ \text{Fe}_2\text{O}_3 \cdot n\text{H}_2\text{O} $$

「n」只是表示有不定量的水分子連接其中，這解釋了為甚麼鐵鏽有時看起來會有所不同。

如何用指示劑「觀察」生鏽

在實驗室中，我們可以使用一種特殊的生鏽指示劑（六氰合鐵(III)酸鉀和酚酞的混合物）來觀察鐵釘上氧化和還原發生的地方。

  • 當鐵被氧化（失去電子形成Fe²⁺）時，指示劑會變成深藍色。這是生鏽的起始點。
  • 當氧氣被還原（獲得電子形成OH⁻）時，溶液會變成鹼性，指示劑則會變成粉紅色。

加速生鏽的因素

某些條件可以使鐵生鏽得更快。把這些想像成「生鏽加速器」。

  • 食鹽的存在：溶解的鹽類（例如海水中的鹽）使水成為更好的電解質，加速離子和電子的流動。這就是為甚麼沿海城市的汽車會生鏽得更快。
  • 酸的存在：酸雨含有酸性污染物。酸提供更多的離子（H⁺），有助於氧氣更容易被還原，從而加速整個過程。
  • 與不活潑金屬接觸：如果鐵與銅或錫（這些金屬的反應性較低）接觸，就會形成一個微型電化學電池。反應性較高的金屬（鐵）被迫更快地被氧化和腐蝕。
重點回顧

生鏽是鐵的腐蝕，是一種需要氧氣和水的氧化還原過程。食鹽、酸和與不活潑金屬接觸都會加速生鏽。鐵鏽本身是水合氧化鐵(III)。


我們如何保護鐵？

由於生鏽會造成很多問題，我們已經開發了許多巧妙的方法來阻止它。它們主要分為兩大類：設置屏障或運用巧妙的化學原理。

方法一：建立物理屏障

最簡單的想法：如果我們能將氧氣和水與鐵隔絕，它就不會生鏽！這就像給鐵穿上雨衣一樣。

  • 塗層：塗上一層油漆、油或塑膠可以形成物理屏障。例子：塗漆的橋樑、上油的單車鏈、塑膠塗層鐵絲網。
  • 鍍上其他金屬：
    • 鍍錫：鐵被鍍上一層薄薄的錫。錫比鐵不活潑，能作為屏障。這用於食物罐頭。
      但要小心！如果錫層被刮傷，下面的鐵會生鏽得更快，因為它現在暴露在空氣和水中，同時與反應性較低的金屬（錫）接觸。
    • 電鍍：利用電解作用將鐵鍍上另一種通常不活潑且更美觀的金屬，例如鉻。例子：閃亮的鍍鉻水龍頭和汽車保險桿。

方法二：電化學保護

這就是化學原理變得非常酷的地方。我們不只是設置屏障，還可以強迫另一種金屬而不是鐵進行腐蝕。

  • 犧牲性保護：我們將一種反應性較強的金屬（例如鋅或鎂）連接到鐵上。因為鋅的反應性較強，它會先失去電子並腐蝕，從而「犧牲」自己來保護鐵。
  • 鍍鋅：這是一種常見的犧牲性保護，將鐵或鋼鍍上一層鋅。鍍鋅鐵有兩層保護：
    1. 鋅層作為物理屏障。
    2. 如果表面被刮傷，鋅會提供犧牲性保護，代替鐵進行腐蝕。這使其比鍍錫好得多！
  • 陰極保護：這是大規模的犧牲性保護。為保護船體或地下管道，會連接大塊的鋅或鎂。這些金屬塊會隨著時間腐蝕，然後被替換，從而保護了船隻或管道免於生鏽。
  • 合金化：將鐵與其他元素混合以改變其性質。最著名的例子是不鏽鋼，它是鐵、鉻和鎳的合金。表面上的鉻會與氧氣反應，形成一層堅韌、隱形且能自我修復的氧化鉻(III)層，保護底下的鐵。
重點回顧

我們通過建立屏障（油漆、鍍錫）或使用電化學方法來防止生鏽。最好的方法，例如鍍鋅（使用鋅）和合金化（不鏽鋼），即使在刮傷後也能提供保護。


鋁的秘密：為甚麼它不太會腐蝕

這裡有個謎題：如果你查看金屬活動性序，鋁比鐵活潑得多。那它不應該在幾秒鐘內就被腐蝕掉嗎？非也！鋁擁有一種超能力。

當鋁暴露在空氣中，它會立即與氧氣反應，形成一層非常薄、堅韌且透明的氧化鋁(Al₂O₃)層。這層氧化膜是鈍性（不活潑）的，並緊密地附著在表面，就像一層天然的盔甲，防止任何進一步的腐蝕。

讓鋁更堅固：陽極處理

我們可以通過一種稱為陽極處理的過程，使這層保護性氧化膜變得更厚、更堅固。

陽極處理的原理：
  1. 鋁製物件被製成電解池的陽極（正極）。(記憶口訣：陽極處理(ANodisation)在陽極(ANode)發生！)
  2. 它被放置在電解質中，通常是稀硫酸。
  3. 當通電時，氧氣在陽極產生。
  4. 這些氧氣立即與鋁反應，形成一層厚而堅硬的氧化鋁層。

這層更厚的氧化膜使鋁對腐蝕具有極強的抵抗力。一個額外的優點是氧化層是多孔的，因此可以填充染料，製成耐用、色彩豐富的表面。例子：彩色窗框、智能手機外殼和水樽。

重點回顧

鋁天然地受到一層薄而堅韌的氧化鋁保護。陽極處理是一種工業過程，能使這層氧化膜增厚，使鋁更耐腐蝕，並能被著色。


腐蝕：社會和經濟影響

我們為甚麼要花費這麼多時間和金錢來對抗腐蝕呢？因為它對我們的社會有巨大的影響。

  • 經濟成本：腐蝕每年使各國損失數十億美元。這包括更換腐蝕的橋樑、管道、汽車和建築物的成本，以及我們討論過的所有預防方法的成本。
  • 安全風險：腐蝕的橋樑或飛機零件可能導致災難性故障，危及生命。腐蝕造成的管道洩漏可能導致爆炸或環境災難。
  • 資源耗盡：鐵來自鐵礦，而鐵礦是一種有限的資源。每件生鏽的鐵基本上都失去了價值。通過防止腐蝕，我們有助於為後代保護地球的自然資源。
你知道嗎？

自由女神像由銅皮覆蓋在鐵骨架上建成。最初，兩種金屬之間用蟲膠隔開，但蟲膠會磨損。不活潑的銅與較活潑的鐵直接接觸，導致鐵骨架嚴重腐蝕，不得不在1980年代更換。這是一個著名的電化學腐蝕實例！

重點回顧

腐蝕不單止是一種難看的不便。它是一個巨大的全球性問題，造成巨額金錢損失，產生危險的安全隱患，並浪費寶貴的自然資源。