[科普中国]-钢铁为什么会生锈？

我们日常的生产和生活离不开钢铁材料，但是世界上每年因锈蚀而损失的钢铁数量十分巨大。因此，如何保护钢铁防止其锈蚀意义重大。

钢铁锈蚀原理是什么？我们可以根据下图所示的小实验进行探究：在第1支试管中加入少量氯化钙（氯化钙可吸收空气中的水蒸气，起干燥作用），放入一根铁钉，塞紧试管口。在第2支试管中放入一根铁钉，加入经煮沸并迅速冷却的蒸馏水浸没铁钉，再注入植物油，使水面上形成油层。在第3支试管中放入一根铁钉，加入少量蒸馏水使铁钉的一部分浸在水中。 连续一周定时对三支试管进行观察并记录现象。我们从实验结果可以发现第1支、第2支试管中的铁钉没有生锈，但第3支试管中的铁钉却生锈了，铁钉表面出现了红棕色的铁锈。由此可见铁生锈需要水、氧气的参与。

图 探究铁生锈的条件

钢铁制品的腐蚀过程，是一个复杂的化学反应过程。铁锈通常为红棕色，不同情况下会生成不同形式的铁锈，铁锈主要由氧化铁的水合物（Fe2O3·nH2O）和氢氧化铁[Fe(OH)3]组成。钢铁表面的铁锈结构疏松，不能阻碍内部的铁与氧气、水蒸气等接触，最终导致铁全部生锈。

我们了解了钢铁生锈的条件，只需要将钢铁制品与水和氧气隔绝，就可以阻止钢铁锈蚀。因此，防止铁生锈最简单的方法是保持钢铁制品表面光洁干燥。防止钢铁生锈还可在其表面形成保护层，如涂油、喷漆、烧制搪瓷、喷塑等。在日常生活中，人们经常会对车厢、水桶等采取涂油漆的措施，而机器需要涂矿物性油。除此之外，还可以在钢铁表面采用电镀、热镀等方法镀上一层不易生锈的金属，如锌、锡、铬、镍等。这些金属表面能够形成一层致密的氧化物薄膜，从而防止铁制品和水、空气等物质接触而生锈。另外，还可以将钢铁组成合金，以改变其内部的组织结构，例如在铬、镍等金属中加入普通钢里制成不锈钢，有效地增加了钢铁制品的抗生锈能力。

钢铁锈蚀会损失金属资源，但是钢铁锈蚀的原理也有有利的一面。例如糕点包装中常使用脱氧剂，其主要成分包含铁粉。脱氧剂利用铁粉生锈的原理消耗氧气，从而防止食品变质。

同时，铁生锈是放热反应，人们利用该作用生产了“自热帖”。“自热帖”的主要成分是铁粉、蛭石、活性炭、无机盐（例如食盐）、水等。在自然条件下，铁进行氧化反应的速度缓慢，为了加快该反应的速度，需采用表面积大的铁粉末。活性炭的作用是形成原电池促进反应；同时利用活性炭的强吸附性，在其疏松的结构中储存水。无机盐的作用是和活性炭形成原电池促进反应。蛭石是一种铁镁质铝硅酸盐矿物，可以起到储热的作用。

在化学实验室中我们也可以自制“自热帖”，按照5:2:2:2的质量比称量铁粉、活性炭、食盐、蛭石。将称量好的铁粉、活性炭、食盐、蛭石（蛭石也可以不加）倒入烧杯中，加几滴水，用玻璃棒充分搅匀后，装入无纺布袋中，放入自封袋密封（或者使用塑封机密封），使用时取出即可。另外，铁粉和活性炭颗粒越细（铁粉以100目为宜，活性炭为150目为宜）反应越快，升温越明显。

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