腐蚀和酸败

从我们身体的食物新陈代谢到我们从太阳接收到的光是如何通过化学反应产生的，化学反应无处不在。在开始化学反应之前了解物理和化学变化至关重要。物理和化学变化的最好例子是燃烧的蜡烛。

拿起一支蜡烛，放在桌子上。随着时间的推移，我们可以看到蜡烛是如何变成蜡的。如果你用罐子盖住蜡烛，它就会熄灭。蜡烛的燃烧是化学变化，而蜡烛转化为蜡是演示中的物理变化。物理变化主要导致物质状态的变化，而化学变化主要导致新物质的形成，其中能量被释放或吸收。因此，我们可以推断出化学变化之后是物理变化。

腐蚀

我们在日常生活中看到的最典型的现象之一就是腐蚀。您可能已经看到，随着时间的推移，一些铁质物体会被橙色或红褐色的层覆盖。该层是由于称为生锈的化学反应而形成的，生锈是一种腐蚀。

Corrosion is the process by which refined metals are transformed into more stable compounds such as metal oxides, metal sulphides, and metal hydroxides. The development of iron oxides occurs as a result of the action of air moisture and oxygen on iron. Corrosion is commonly regarded as a bad phenomenon since it compromises the metal’s good characteristics. 

例如，铁以其抗拉强度和刚度（尤其是与其他一些元素的合金）而闻名。另一方面，生锈会导致铁制品变脆、片状且结构不牢固。腐蚀是一种电化学过程，因为它通常涉及金属与某些大气介质（包括水、氧气和二氧化硫等）之间的氧化还原相互作用。

Do All Metals Corrode?

Metals with a greater reactivity series, such as iron and zinc, corrode quickly, whereas metals with a lower reactivity series, such as gold, platinum, and palladium, do not corrode. The reason for this is because corrosion requires the oxidation of metals. The tendency to oxidise decreases as we progress down the reactivity series (oxidation potentials is very low). Interestingly, although being reactive, aluminium does not corrode like other metals. This is due to the fact that aluminium is already covered with an oxide layer. It is protected from further corrosion by this layer of aluminium oxide.

影响腐蚀的因素

• 金属暴露在空气中的气体中，例如 CO ₂ 、SO ₂和 SO ₃ 。
• 暴露于湿气的金属，特别是盐水（这会增加腐蚀速度）。
• 存在盐等杂质（例如NaCl）。
• 温度：随着温度的升高，腐蚀速率也会升高。
• 形成的第一层氧化物层的性质：一些氧化物，例如 Al ₂ O ₃ ，会产生不溶性保护涂层，可以防止进一步腐蚀。例如，铁锈很容易碎裂并露出金属的其余部分。
• 大气中存在酸：酸具有加速腐蚀过程的能力。

腐蚀类型

以下是腐蚀类型的类型：

1. 缝隙腐蚀：只要金属的任何两个局部位置之间的离子浓度不同，就会发生一种称为缝隙腐蚀的有限腐蚀。垫圈、垫圈的底面和螺栓头都是可能发生缝隙腐蚀的地方。例如，缝隙腐蚀发生在所有等级的铝合金和不锈钢中。
2. 应力腐蚀开裂：应力腐蚀 SCC 是指金属由于腐蚀环境和施加在其上的拉应力而发生的断裂。天气热的时候经常发生。在氯化物溶液中，奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂就是一个例子。
3. 晶间腐蚀：在金属合金凝固过程中产生的晶粒分离的晶界中存在的污染物会导致晶间腐蚀。在这些晶界处合金的耗尽或富集也可能导致它。例如，IGC 对铝基合金有影响。
4. 电偶腐蚀：当两种金属在电化学上不同且处于电解环境中时，会发生电接触。它描述了其中一种金属在接头或接合处的分解。当铜在盐水环境中与钢接触时发生的降解是这种腐蚀形式的一个很好的例证。当铝和碳钢连接并浸入海水中时，铝腐蚀得更快，而钢受到保护。
5. 点蚀：点蚀是不可预测的，因此难以检测。它被认为是最危险的腐蚀形式之一。它从一个单一的位置开始，然后发展为一个被常规金属表面包围的腐蚀单元。一旦建立，“坑”将继续发展，并可以呈现出各种形状。凹坑在垂直方向上逐渐从表面侵蚀金属，如果不加以解决，最终会导致结构失效。考虑钢铁表面上的一滴水；点蚀将在水滴中心（阳极位置）附近开始。
6. 均匀腐蚀：这是最普遍的腐蚀类型，环境会侵蚀金属表面。生锈程度一目了然。这种腐蚀对材料性能的影响很小。一块浸在稀硫酸中的锌或钢通常会以恒定的速度在其整个表面溶解。

腐蚀实例和反应

以下是一些常见的腐蚀示例，通常在金属中遇到。

• 铜腐蚀：当铜金属暴露在环境中时，它与空气中的氧气结合生成氧化铜（I），这是一种红棕色物质。

2Cu + 1/2 O ₂ → Cu2O

Cu ₂ O被进一步氧化生成黑色的CuO。

Cu ₂ O+ 1/2O ₂ → 2CuO

CuO与环境中的CO ₂ 、SO ₃和H ₂ O相互作用，生成蓝色矿物Cu ₂ (OH) ₂ (孔雀石)和绿色矿物Cu ₄ SO ₄ (OH) ₆ (Brochantite)。自由女神像上的镀铜颜色已经变成蓝绿色，就是一个很好的例子。

• 银变色：银与空气中的硫结合形成硫化银（Ag ₂ S），这是一种深色物质。暴露的银与环境中的 H ₂ S 发生反应（由于某些工业过程而存在），从而生成 Ag ₂ S。

2Ag + H ₂ S → Ag ₂ S+ H ⁺ ₂

• 铁的腐蚀（生锈）：当铁与空气或水接触时，就会生锈，这是最典型的现象。该反应类似于普通电化学电池的反应。

金属铁在这个过程中失去电子并转化为Fe ²⁺ （这可以被认为是阳极位置）。丢失的电子将移动到另一侧并与 H+ 离子相互作用。 H+ 离子由 H ₂ O 或 H ₂ CO ₃释放到大气中（这可以被认为是阴极位置）。

H ₂ O ⇌ H ⁺ + OH ^–

H ₂ CO ₃ ⇌ 2H ⁺ + CO ₃ ²

Prevention from Corrosion: Corrosion prevention is critical in order to avoid significant losses. Metals make up the majority of the structures we employ. Bridges, autos, machines, and home items such as window grills, doors, and railway lines are all examples. Electroplating, galvanization, painting and lubrication, and the use of corrosion inhibitors are just a few of the popular methods for preventing corrosion.

酸败

The term “rancidity” refers to the process of food containing fat and oil coming into contact with ambient oxygen and undergoing auto-oxidation, which results in a foul odour and a change in taste. 

几乎任何一顿饭都有可能变质。这个词特别适用于油。由于它们的化学性质，油特别容易酸败，这使得它们容易受到氧气的侵袭。

• 脂肪和氧气之间的代谢相互作用导致脂肪氧化。在此过程中，长链脂肪酸被破坏并产生短链分子。
• 丁酸是反应产物之一，正是这种酸产生了腐烂的味道。
• 通过水解、氧化或两者兼而有之的脂肪、油和其他脂质的降解被称为酸败。
• 在甘油酯中，水解将脂肪酸链与甘油主链分离。这些游离脂肪酸随后可以进一步自动氧化。
• 不饱和脂肪主要通过自由基介导的机制被氧化。在腐臭的食物和油中，这些化学过程会产生高反应性分子，这些分子会产生令人不快和有毒的香气和味道。这些化学反应可能会破坏食物中的营养成分。在某些情况下，食物中的维生素会因酸败而被破坏。

酸败的类型

酸败有两种：

• 氧化性酸败： “氧化性酸败”是指由于氧气对食物的损害而发生的酸败。在此过程中，氧分子与油的天然结构相互作用，改变其气味、味道和食用安全性，即脂肪被氧化并分解成碳链较短的化合物，如脂肪酸、醛和酮，所有这些易挥发并导致腐臭脂肪的难闻气味。令人不快和危险的化学物质的发展都是由氧化酸败引起的。在氧化脂肪中发现的三种物质已被证明是有毒的：
  • 已过氧化的脂肪酸（过氧化脂肪酸会破坏食物中的维生素 A 和 E）。
  • 由聚合物制成的材料（在正常的食品加工条件下，这些材料的数量足够小，可以忽略不计）。
  • 已被氧化的甾醇（被认为与动脉粥样硬化疾病的病因有关）。
• 水解酸败：脂肪的酶水解导致游离脂肪酸从甘油酯中释放出来，从而产生腐烂的气味。这被称为水解酸败。在甘油酯中，水解将脂肪酸链与甘油主链分离。这些游离脂肪酸的进一步自动氧化导致氧化酸败。

影响酸败的因素

• 氧化：由于脂质在氧气中的溶解度是水的 8 倍，因此这种接触导致的氧化是酸败的主要来源。不饱和脂肪主要通过自由基介导的机制被氧化。在腐臭的食物和油中，这些化学过程会产生高反应性分子，这些分子会产生令人不快和有毒的香气和味道。自动氧化，通常称为氧化酸败，是这个过程的名称。
• 水解：在合适的条件下，甘油三酯与水反应生成甘油二酯和游离脂肪酸残基。当甘油二酯与水混合时会形成甘油单酯和脂肪酸。最后，甘油单酯完全水解，产生甘油和脂肪酸。这被称为水解酸败。
• 微生物的存在——微生物脂肪酶：脂肪酶是由某些细菌产生的水解酶，它直接干扰甘油三酯的分解以产生甘油和脂肪酸。这些脂肪酸由于自身氧化而变酸。对于脂肪和油类的活性，微生物脂肪酶需要合适的 pH 值和其他条件。
• 脂肪酸链中存在不饱和：当脂肪物质的不饱和成分暴露在空气中时，它们会转化为氢过氧化物，然后分解成挥发性醛、酯、醇、酮和碳氢化合物，其中一些具有令人不快的气味。上述过程以及水解会释放挥发性和恶臭酸，主要是丁酸，导致黄油变质。饱和脂肪，如牛油，可抵抗氧化并在室温下变酸。
• 多不饱和度：脂肪的多不饱和度越高，腐烂的速度就越快。动物脂肪的腐臭程度必须是植物油的几倍。含有多不饱和脂肪酸的油脂比单饱和脂肪酸和其他形式的饱和脂肪酸更容易酸败。
• 油脂的化学结构：化学上更复杂且包含更多双键、羧基或羟基的油脂更容易腐烂。脂肪和油中的双键有助于自动氧化。自氧化在具有高度不饱和度的油中特别常见。确定过氧化值是自动氧化（氧化酸败）的最佳测试。在自氧化反应中，过氧化物是中间体。油或脂肪的过氧化值用于确定在储存过程中酸败反应的进展程度。
• 温度和 pH 值：这些是导致富含脂肪和油的食物变质的主要因素。微生物脂肪酶的水解作用需要特定的温度和碱性 pH 值。自动氧化和水解受温度和 pH 值间接影响。
• 热和光：热和光加快了脂质与氧气反应的速度，即热加速了自动氧化。在油脂的酸败和还原中自由基的形成是由热和光推动的。

防止酸败

可以通过多种方法避免酸败：

• 添加抗氧化剂：抗氧化剂是防止食物变质的最有效方法。抗氧化剂添加到含脂肪的食物中，以防止由于氧化而形成酸败。有五种类型的抗氧化剂：
  • 天然抗氧化剂——类黄酮、多酚、抗坏血酸（维生素 C）和生育酚是全天然抗氧化剂（维生素 E）。
  • 合成抗氧化剂 - 丁基羟基苯甲醚 (BHA)、丁基羟基甲苯 (BHT)、3, 4, 5-三羟基苯甲酸丙酯（也称为没食子酸丙酯）和乙氧喹是合成抗氧化剂的例子。
  • 半合成抗氧化剂——没食子酸、没食子酸丙酯。
  • 金属螯合剂——柠檬酸、磷酸。
  • 氧气清除剂——抗坏血酸。

天然抗氧化剂的保质期短，而合成抗氧化剂的保质期更长，性能更好。水溶性抗氧化剂在阻止脂肪内的直接氧化方面无效，但它们可用于拦截通过食物含水部分的自由基。水溶性和脂溶性抗氧化剂的混合物，通常以脂肪与水的比例混合。

• 添加多价螯合剂：金属与多价螯合剂结合，防止它们引发自动氧化。 EDTA（乙二胺四乙酸）和柠檬酸是多价螯合剂的例子。
• 脂肪和油类食物的正确储存：防止食物变质的另一种策略是妥善储存，远离氧气的影响。因为热和光会加速脂质与氧气的反应速度，所以可以通过将脂肪和油类储存在几乎不接触氧气或自由基的寒冷、黑暗环境中来减少酸败。不要向已经有旧油的容器添加新油。旧油会引起反应，导致新油比储存在干净的空容器中更快变质。使用前让水箱彻底排干和干燥，因为这将加速与氧化有关的问题。

示例问题

问题1：什么是酸败？

回答：

The term “rancidity” refers to the process of food containing fat and oil coming into contact with ambient oxygen and undergoing auto-oxidation, which results in a foul odour and a change in taste. Almost any meal has the potential to go rotten. The word is especially applicable to oils. Oils are especially vulnerable to rancidity due to their chemistry, which makes them vulnerable to oxygen attack. A metabolic interaction between fats and oxygen causes oxidation of fats. 

Long-chain fatty acids are destroyed and short-chain molecules are generated during this process. Butyric acid is one of the reaction products, and it is this acid that gives the rotten taste. The degradation of fats, oils, and other lipids by hydrolysis, oxidation, or both is known as rancidification. 

In glycerides, hydrolysis separates fatty acid chains from the glycerol backbone. These free fatty acids can subsequently be auto-oxidized further. Unsaturated fats are oxidised largely through a free radical-mediated mechanism. In rancid foods and oils, these chemical processes can produce highly reactive molecules, which are responsible for the unpleasant and toxic aromas and flavours. Food nutrients may be destroyed as a result of these chemical reactions. Vitamins in food can be destroyed by rancidity in some circumstances.

问题 2：您对腐蚀的理解是什么？

回答：

Corrosion is the process by which refined metals are transformed into more stable compounds such metal oxides, metal sulphides, and metal hydroxides. 

The development of iron oxides occurs as a result of the action of air moisture and oxygen on iron. Corrosion is commonly regarded as a bad phenomenon since it compromises the metal’s good characteristics. Iron, for example, is recognised for its tensile strength and stiffness (especially alloyed with a few other elements). 

Rusting, on the other hand, causes iron items to become brittle, flaky, and structurally unsound. Corrosion is an electrochemical process because it usually involves redox interactions between the metal and certain atmospheric agents including water, oxygen, and Sulphur dioxide, among others.

问题3：所有金属都会腐蚀吗？

回答：

Metals with a greater reactivity series, such as iron and zinc, corrode quickly, whereas metals with a lower reactivity series, such as gold, platinum, and palladium, do not corrode. The reason for this is because corrosion requires the oxidation of metals. The tendency to oxidise decreases as we progress down the reactivity series (oxidation potentials is very low). Interestingly, although being reactive, aluminium does not corrode like other metals. This is due to the fact that aluminium is already covered with an oxide layer. It is protected from further corrosion by this layer of aluminium oxide.

问题四：影响腐蚀的因素有哪些？

回答

The factors that affect corrosion are as follow:

• Metals are exposed to gases such as CO₂, SO₂, and SO₃ in the air.
• Metals exposed to moisture, particularly salt water (which increases the rate of corrosion).
• Impurities such as salt are present (eg. NaCl).
• Temperature: As the temperature rises, so does the rate of corrosion.
• The nature of the first oxide layer that forms: some oxides, such as Al2O3, generate an insoluble protective coating that can prevent further corrosion. Rust, for example, crumbles readily and exposes the rest of the metal.
• Presence of acid in the atmosphere: acids have the ability to speed up the corrosion process.

问题5：如何防止金属被腐蚀？

回答：

Corrosion prevention is critical in order to avoid significant losses. Metals make up the majority of the structures we employ. Bridges, autos, machines, and home items such as window grills, doors, and railway lines are all examples. Electroplating, galvanization, painting and lubrication, and the use of corrosion inhibitors are just a few of the popular methods for preventing corrosion.

问题6：铜金属暴露在环境中会发生什么？

回答：

When copper metal is exposed to the environment, it combines with oxygen in the air to produce copper (I) oxide, which is a reddish-brown substance.

2Cu + 1/2 O₂ → Cu2O

Cu₂O is oxidised further to generate CuO, which is black in colour.

Cu₂O+ 1/2O₂ → 2CuO