钢铁生锈的成因和反应

普通钢铁制品在潮湿的空气中，渐渐变色，并在表面生成一种红褐色的物质，这种现象称为钢铁的生锈。其实质是铁和空气中的氧气、水蒸气等起作用，生成铁的多种氧化物的水合物。足够的时间后，在氧气和水充足的情况下，铁会完全氧化成锈。铁锈的成分比较复杂，不同环境下会生成不同形式的铁锈，一般来说，铁锈是混合物，主要由三氧化二铁水合物Fe₂O₃·nH₂ O（或Fe₃ O₄）和氢氧化铁[FeO（OH）、Fe（OH）3]组成，钢铁基体和存在环境不同，产生的锈垢成分也不同，表3-5给出了锈垢的分类、产生原因、特点及成分分析。

表3-5 锈垢的分类、产生原因、特点及成分

铁的生锈是一种电化学反应，普通钢铁制品中一般含有碳等杂质，在水蒸气等的作用下在表面形成电解质溶液组成原电池，其中铁是负极，加速了铁的腐蚀。生锈的速度会受水影响，也会因为电解质存在而加速，例如汽车在有盐的环境中较容易生锈。生锈主要的反应是吸氧腐蚀（pH值﹥4.5），即

O₂＋4e^-＋2H₂O→4OH^-

由于其反应产生氢氧根离子，因此酸的存在会加速此反应的进行。上述反应消耗电子，因此可以进行以下氧化反应，将铁氧化为亚铁离子：

Fe→Fe^2＋＋2e^-

若有氧存在，则亚铁离子还会再度氧化，即(www.xing528.com)

4Fe^2＋＋O₂→4Fe^3＋＋2O^2-

亚铁离子和铁离子与水会产生酸碱反应，形成氢氧化铁及氢氧化亚铁，即

最后氢氧化铁和氢氧化亚铁会和其脱水物形成以下的平衡：

从以上反应式，可以看出铁生锈会受到氧和水的影响。若溶氧量有限，则较容易产生含亚铁离子的产物，例如氧化亚铁及黑色的四氧化三铁。若溶氧量高，则会产生含铁离子的产物，其化学式为Fe（OH）_3-xO_x/2。由于铁锈中的固体仍在缓慢地进行化学反应，因此铁锈的成分会随时间变化。

上述反应也会受到其他离子的影响，例如当钙离子存在时，因为钙离子是电解质，所以会加速铁锈的产生，钙离子也会和铁的氧化物及氢氧化物结合，形成Ca-Fe-O-OH形式的沉淀。