什么是腐蚀？

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。

什么是腐蚀？

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 。
• 金属暴露在湿气中，尤其是盐水（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污染物的存在导致晶间腐蚀。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，它会与空气中的氧气结合生成氧化铜（I），它是一种红棕色物质。

2Cu + 1/2 O ₂ → Cu ₂ O

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。

• 银色光泽

银与空气中的硫结合形成硫化银（Ag ₂ S），它是一种深色物质。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，这是最典型的情况。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

防止腐蚀

可以通过多种方式防止腐蚀。我们将在下面介绍一些更受欢迎的。

1. 电镀：这是一种基于电解的方法，在金属 (I) 上涂上一层薄薄的另一种金属 (II)。新的金属覆盖层以这种方式保护金属 (I) 免受腐蚀。在此过程中，金属（I）（待镀金属）用作阳极，金属（I）（待镀金属）用作阴极。金属“I”连接到负极端子，而金属“II”连接到正极端子。当对这两个电极通电时，阳极会发生氧化，导致金属 II 离子在电解液中溶解。在阴极，这些溶解的金属 II 离子被还原，从而在金属 I 上形成涂层。铜、镍、金、银、锌和其他金属通常用作阳极。
2. 阴极保护：贱金属连接到腐蚀的牺牲金属，而不是在此过程中的贱金属。这种牺牲金属（比贱金属更具反应性）将释放电子并因此被氧化。该过程产生的离子参与腐蚀反应，从而保护贱金属。
3. 镀锌：此过程包括在铁上涂上一层薄薄的锌。在大多数情况下，这是通过将铁浸入熔融锌中来实现的。结果，锌层保护铁免受腐蚀。
4. 油漆和油脂：在金属上涂上一层油漆或油脂可以防止它与外界接触，防止腐蚀。
5. 使用缓蚀剂：缓蚀剂是一种物质，当被引入腐蚀环境时，会降低腐蚀速率。
6. 使用合适的材料：选择合适的材料也可以避免腐蚀。例如，铝和不锈钢具有极强的耐腐蚀性。

示例问题

问题 1：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2：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).
• 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3：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

问题4：铁与空气或水接触会发生什么？

回答：

When iron comes into touch with air or water, rusting occurs, which is the most typical occurrence. The reaction resembles that of a normal electrochemical cell.

Metal iron loses electrons and is converted to Fe²⁺ in this process (this could be considered as the anode position). The electrons that are lost will travel to the opposite side and interact with H+ ions. H+ ions are emitted in the atmosphere by either H₂O or H₂CO₃ (this could be considered as the cathode position).

H₂O ⇌ H⁺ + OH^–

H₂CO³ ⇌ 2H⁺ + CO₃²

问题5：当银与空气中的硫结合时会发生什么？

回答

Silver combines with Sulphur in the air to form silver sulphide (Ag₂S), which is a dark substance. Exposed silver reacts with H₂S in the environment, which is present due to some industrial processes, to generate Ag₂S.

2Ag + H₂S → Ag₂S+ H⁺₂

问题6：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.