中心主题：铁锈
定义与本质
- 是什么？
- 铁锈的主要成分是氢氧化铁 (FeO(OH)) 和氧化铁 (Fe₂O₃) 的水合物。
- 是铁、钢或其合金在潮湿空气中发生电化学腐蚀的产物。
- 一种松散、多孔、红褐色的固体物质。
- 俗称
红锈、铁氧化物。
形成条件与过程
- 必要条件 (三要素)
- 活泼金属: 铁 (Fe) 作为阳极（负极）。
- 电解质溶液: 水膜 (H₂O)，通常溶解了二氧化碳、盐分等,形成电解质。
- 氧气 (O₂): 作为氧化剂，在阴极（正极）得到电子。
- 化学过程 (电化学腐蚀)
- 阳极 (铁失电子，氧化):
Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ - 阴极 (氧气得电子，还原):
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ - 沉淀生成:
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂(氢氧化亚铁，白色)4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃(氢氧化铁,红褐色) - 脱水:
2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃·nH₂O + (3-n)H₂O(形成铁锈)
- 阳极 (铁失电子，氧化):
- 加速因素
- 环境: 高湿度、沿海地区（盐分多）、酸雨。
- 杂质: 钢中的碳或其他杂质会形成微电池,加速腐蚀。
- 物理损伤: 划痕、焊接点等会破坏保护层,成为腐蚀起点。
主要性质
- 物理性质
- 颜色: 红褐色或黄褐色。
- 状态: 固体,质地疏松多孔。
- 磁性: 具有磁性 (Fe₃O₄)。
- 溶解性: 不溶于水,溶于酸。
- 化学性质
- 不稳定性: 受热会分解。
- 酸性: 具有弱酸性,能与碱反应。
- 氧化性: 可作为氧化剂。
- 与酸反应:
Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O(溶解,可用于除锈)
主要影响
- 负面影响 (最主要)
- 材料损耗: 导致钢铁结构（如桥梁、船舶、管道、建筑）强度下降,最终失效。
- 经济损失: 造成巨大的维修、更换和预防成本,是国民经济的一大损失。
- 安全隐患: 结构失效可能导致灾难性事故（如建筑倒塌、管道破裂）。
- 功能失效: 影响机械精度、电路导电性等。
- 正面影响 (特定场景)
- 艺术创作: 铁锈的独特纹理和色彩被用于艺术涂装、雕塑和工业风设计中。
- 历史见证: 古代铁器的锈迹是其历史年代的标志。
- 化学原料: 可作为生产某些颜料（如铁红）的原料。
防护与控制
- 基本原则: 隔离铁、水、氧气中的任意一个或多个。
- 常用方法
- 改变金属成分 (合金法)
- 不锈钢: 添加铬、镍等元素,形成致密的氧化铬保护膜。
- 形成保护层
- 电镀: 镀锌 (牺牲阳极保护)、镀锡 (物理隔离)、镀铬 (美观耐磨)。
- 涂覆: 刷油漆、涂沥青、上珐琅等物理涂层。
- 发蓝/发黑: 在钢铁表面形成致密的氧化膜（四氧化三铁）。
- 牺牲阳极保护法
- 原理: 活泼金属（如锌、镁）与钢铁相连，活泼金属先被腐蚀,保护钢铁。
- 应用: 船体、储水罐、地下管道。
- 外加电流保护法 (阴极保护)
- 原理: 将钢铁作为阴极，连接直流电源，强制其发生还原反应,抑制氧化。
- 应用: 大型钢结构，如跨海大桥、输油管道。
- 保持干燥
- 原理: 最简单直接的方法,消除电解质溶液。
- 应用: 日常用品存放、仓库管理。
- 改变金属成分 (合金法)
相关利用
- 工业应用
- 颜料: 铁红 (Fe₂O₃) 是重要的红色颜料，用于油漆、涂料、建材。
- 催化剂: 在某些化学反应中用作催化剂。
- 抛光剂: 红色氧化铁粉可用作金属抛光剂。
- 艺术与生活
- 做旧效果: 故意做出铁锈效果，用于复古家具、艺术品、服装。
- 铁锈染: 一种天然染色方法，用铁锈和媒染剂（如醋、茶）为棉麻等织物染色,形成独特的灰褐色。
- 科学实验
- 经典实验: “铁钉生锈”是中学化学中研究反应条件和质量守恒的经典实验。
