【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學(xué)酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第一章金屬的通性

§1-4金屬的銹蝕和防止銹蝕的方法

【01】金屬和合金是制造機器、國防器械、運輸工具、日常用具以及建筑方面等的重要材料。由于它們具有優(yōu)良的機械性能，因此應(yīng)用范圍很廣，用量也日益增加，但是，金屬在空氣中大都容易生銹，從而減小了它們的使用價值。

【02】我們知道，當(dāng)金屬制品用舊后，它的表面往往會失去金屬光澤，或生成粒屑狀物質(zhì)。特別是鐵制器，生成的棕黃色鐵銹，質(zhì)地疏松，會層層剝落，日久之后，竟會全部變成鐵銹，致使不能應(yīng)用。

【03】金屬生銹，科學(xué)上叫做金屬的銹蝕，是指金屬或合金由于跟周圍接觸到的氣體或液體進行化學(xué)反應(yīng)而損耗的過程。

【04】金屬的銹蝕給人類造成很大損失，根據(jù)統(tǒng)計，每年由于銹蝕而直接損耗的金屬材料約占年產(chǎn)金屬量的十分之一，加上由于金屬部分銹蝕后，器械的性能受到影響，而必須加以修理或縮短了它的使用期限的損失，數(shù)字是很驚人的。因此，怎樣防止金屬銹蝕具有重大的意義。

【05】下面我們先研究金屬銹蝕的原因，再介紹防止金屬銹蝕的方法。

金屬銹蝕的原因

【06】金屬的銹蝕是一個氧化反應(yīng)，從本質(zhì)上來說，都是金屬原子放出電子的過程。但是，從引起銹蝕的原因和機理來說，銹蝕可以分成兩種：化學(xué)銹蝕和電化銹蝕。

1、化學(xué)銹蝕

【07】化學(xué)銹蝕是由于金屬跟周圍環(huán)境里接觸到的物質(zhì)（一般是非電解質(zhì)）直接進行化學(xué)反應(yīng)而引起的一種銹蝕。

【08】例如，在高溫下，鐵、錫、鉛等和空氣接觸時的迅速氧化，這是金屬跟氧氣直接反應(yīng)所引起的銹蝕。具有更強氧化性的氣體或液體，例如化學(xué)工廠里或?qū)嶒炇依飻U散在空氣里的氯氣、氯的氧化物等跟金屬接觸時將更迅速地直接反應(yīng)，使后者銹蝕。這種銹蝕的化學(xué)反應(yīng)比較單純，僅是金屬跟特定物質(zhì)間的氧化-還原反應(yīng)。

2、電化銹蝕

【09】電化銹蝕是另一種金屬銹蝕的形式，它的反應(yīng)過程比化學(xué)銹蝕復(fù)雜得多。金屬在潮濕的空氣里所發(fā)生的銹蝕，就是這種銹蝕的最普通的一個例子。

【10】事實證明，鋼鐵（普通碳鋼）在干燥的空氣里，長時間不會生銹，可是放在潮濕空氣里，很快就生銹了。顯然這種銹蝕不是單純的跟氧氣直接反應(yīng)所引起的。那末，這是什么原因呢？要回答這個問題，我們先來講一個實驗現(xiàn)象。

【11】我們記得鋅粒和稀硫酸反應(yīng)制取氫氣的實驗吧（第一冊§2-10）【山注，化1-2-10第06段，傳送門CV20412415】？我們會發(fā)現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，用不純的鋅粒要比用純凈的鋅粒，放出氫氣的速度快得多。如果在純凈的鋅粒上加微量銅屑或鐵屑，放出氫氣的速度也會立刻快起來。這是什么道理呢？

【12】可以這樣來進行實驗：把一塊純鋅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，開始時，有少量氣泡發(fā)生（氫氣產(chǎn)生了），隨即氣泡吸附在鋅片的表面上，反應(yīng)越來越慢而幾乎停止了。再把一塊純銅片插進去（不碰到鋅片），可以看出上面沒有反應(yīng)發(fā)生（銅和稀硫酸是沒有反應(yīng)的）。于是，用一根銅絲把鋅片和銅片的上端連接起來，立刻可看到，大量的氫氣氣泡在銅片上放出來了。怎樣解釋這個現(xiàn)象呢？

【13】原來當(dāng)鋅片單獨插入酸溶液中時，鋅原子開始放出電子，變成鋅離子，進入溶液中：

【14】放出的電子給氫離子得到，使其變成氫原子，結(jié)合成氫分子而放出氣泡：

【15】這就是鋅置換氫的過程。

【16】但是，微小的氫氣氣泡會吸附在鋅片的表面，使鋅和酸溶液隔離開來，阻礙了鋅原子放出的電子直接轉(zhuǎn)移給氫離子。這些電子積儲在鋅片上會阻止其他鋅原子繼續(xù)放出電子，也會吸住鋅離子進入溶液去。這樣，反應(yīng)就減慢下來了。

【17】如果插入一塊銅片，并用導(dǎo)線（銅絲）和鋅片連接起來后，鋅原子放出的電子可以沿著導(dǎo)線傳遞到銅片上，在那里轉(zhuǎn)移給氫離子，使它變成氫氣放出（注意不是銅和酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣！)；在鋅片上因為沒有積儲的電子，鋅原子就能暢快地、不斷地放出電子而變成鋅離子進入溶液中去。這樣反應(yīng)就大大加快了（圖1·6）。

【18】電子從鋅片經(jīng)過導(dǎo)線移轉(zhuǎn)到銅片上去時就形成電流，這可以用電流計測量出來。圖1·6的裝置，就是在物理學(xué)中學(xué)到的原電池。在那里著重講解的是電流產(chǎn)生的原理，而現(xiàn)在我們是用來說明，為什么鋅（較活動的金屬）和另一種金屬（較不活動的金屬）連接時，它跟酸的反應(yīng)會加快的原因。

【19】到此，不難理解，在純凈鋅粒上加微量銅屑或鐵屑時，或者不純的鋅粒（即含有微量的其他雜質(zhì)）實際上組成了很多個微型的原電池，這樣就導(dǎo)致鋅原子的加快放出電子而加速鋅的消耗。

【20】現(xiàn)在可以回過頭來，回答金屬的電化銹蝕的原因了。

【21】用鋼鐵在潮濕空氣里很快銹蝕為例來說。一般固體的表面都有吸附濕氣的性質(zhì)。潮濕空氣使鋼鐵的表面上常存在一層極薄極薄的水膜?？諝饫锏亩趸蓟蚱渌嵝匝趸餁怏w溶解在這層水膜里，就形成了弱酸性溶液。如果表面碰到過礦物鹽類，則這層水膜即變成更濃的電解質(zhì)溶液薄膜。鋼鐵本身是一種合金（如碳鋼主要是鐵和碳的合金，見§5-3），這樣，鋼鐵的表面就形成了無數(shù)個微型原電池。如果鋼鐵中的雜質(zhì)比鐵不活動（碳鋼中主要是碳），鐵就成了原電池中的負極，加快放出電子而氧化了，這就是鋼鐵在潮濕空氣里發(fā)生銹蝕的原理。

【22】這種銹蝕就是電化銹蝕。它是指由于電解質(zhì)的存在，產(chǎn)生了原電池作用，引起較活動的金屬放出電子而發(fā)生氧化反應(yīng)的一種銹蝕。

【23】不難理解，純凈金屬，或者表面非常凈潔、非常干燥的金屬材料是不會發(fā)生電化銹蝕的，金屬器械的表面情況，對發(fā)生電化銹蝕有很大關(guān)系。例如凹凸不平的表面和洞穴、裂紋、鉚釘?shù)忍幦菀撞匚奂{垢的地方，最易發(fā)生銹蝕。

【24】金屬發(fā)生銹蝕大都屬于電化銹蝕類型的，它較化學(xué)銹蝕普遍得多，值得我們特別注意。

防止金屬銹蝕的方法

【25】了解了金屬銹蝕的原因以后，我們就可以來討論防止金屬銹蝕的方法。防止金屬銹蝕一般有下列幾種：

【26】(1)設(shè)法改變金屬的性質(zhì)，使它不易跟周圍物質(zhì)起反應(yīng)；

【27】(2)在金屬的表面上復(fù)蓋一層堅固的保護膜，使它和外界隔絕；

【28】(3)使金屬經(jīng)常保持潔凈、干燥，避免放在潮濕處所；

【29】(4)避免金屬和有腐蝕性的物質(zhì)經(jīng)常接觸。

【30】第一種方法當(dāng)然是最理想的。在合金一節(jié)里曾提到，有些合金，除物理性質(zhì)外，在化學(xué)性質(zhì)方面也有很大的改變。例如不銹鋼就以不生銹的特點命名的。很多合金鋼和由有色金屬制成的合金，有的具有很高的耐酸、耐堿和抗腐蝕的性質(zhì)，甚至可以用作硫酸、硝酸，這樣一些腐蝕性很強的物質(zhì)的生產(chǎn)和儲存的容器。但是，這樣的合金是不多的，而且價格也很貴，不能普遍應(yīng)用。所以防止銹蝕主要采用第二種方法。

【31】在金屬表面上復(fù)蓋一層保護膜的具體方法有很多種。例如涂機器油、凡士林，涂干性油漆，搪瓷，鍍上或包上另一種金屬和膠合一層塑料，等等，這些方法，各有各的優(yōu)點和缺點，各有各的應(yīng)用對象。但不論什么方法，總的要求是那層保護膜的本身必須是在特定的環(huán)境里是相當(dāng)穩(wěn)定的物質(zhì)，并且能夠緊密地附在和遮蓋住金屬的表面，而不易脫落。

【32】鍍上另一種金屬這個方法具有較多的優(yōu)點，譬如，比較耐久、耐熱和耐磨等。鍍上去的金屬按理應(yīng)該是一種比原來的金屬不活動，本身不易氧化的金屬，例如銅上面鍍層金，鐵上面鍍層錫，才能達到保護的目的。但實際上并不完全需要這樣。

【33】有些金屬，例如鋁、鉻等，本身是相當(dāng)活動的，容易氧化。但是它們會很快地生成一層透明的氧化物，能緊密地復(fù)蓋在它自身的表面上，因而保護了內(nèi)層不再繼續(xù)氧化，起了自身防止銹蝕的作用（見§4-1）?！颁摼保ㄤX）制品之所以耐久，道理就在這里。但有些金屬不是這樣，例如鐵，它的氧化物疏松而容易剝落，不能起防護作用。

【34】現(xiàn)在用兩種熟悉的鐵制品——鍍鋅鐵和鍍錫鐵為例，來說明兩種不同性質(zhì)的鍍料的不同保護作用。

【35】鍍鋅鐵俗稱白鐵，一般用作“鉛桶”、水落管等日用品的材料，是鐵皮上鍍一層鋅的鐵制品。鋅比鐵活動，但它有優(yōu)良的保護自己的能力，即前面提到過的生成致密的氧化物保護層。因此鋅鍍在鐵皮上也間接保護了鐵。

【36】鍍錫鐵俗稱馬口鐵，就是用來制造煤油聽、罐頭等的材料，是鐵皮上鍍一層錫的鐵制品，錫比鐵不活動，它不易氧化，有較強的抗蝕性。因此，錫鍍在鐵面上就起著隔離作用。

【37】但是，鍍錫鐵如果表面有任何損壞，底層鐵只要有一部分裸露時，不僅會失去防護作用，而且會加速鐵的銹蝕，這是因為如果有水或其他電解質(zhì)存在，裸露的鐵和表面的錫就組成一個原電池。鐵較錫活動，電子將由鐵放出，它做了原電池的負極，從而鐵迅速氧化而銹蝕了。

【38】可是，白鐵就不會這樣。因為鋅較鐵活動，在損壞處所形成的原電池的負極是鋅而不是鐵。就是說，鋅將放出電子而氧化。這樣就防止了鐵的氧化，除非全部鋅銹蝕完了以后，鐵才有銹蝕可能。

【39】從而可見，鍍一層較活動的金屬（當(dāng)然它自身要有保護能力的）對底層金屬的防銹作用比較有利，如果鍍一層堅硬而不易磨損的金屬，如鉻、鎳等，則防銹作用將會更理想些。

【40】必須指出，不是任何金屬都可能鍍到另一種金屬上去的。

【41】至于鍍上去的方法，也有好多種。常用的有熱鍍法，即把底層金屬浸入熔融的另一金屬中，例如鐵浸入熔鋅里而鍍上一層鋅。有噴鍍法，即把熔融金屬加壓噴灑到底層金屬上去。有電鍍法，即在電解槽中，用鍍上去的金屬鹽類（例如ZnSO?）做成電解溶液，以底層金屬（例如鐵）做陰極，用鍍上去的金屬（例如鋅）做陽極，進行電解，鋅溶解而鋅離子移向陰極，在那里放電成金屬鍍上（可參閱第二冊電離學(xué)說一章）【山注，化2-4-08第17~25段，傳送門CV21637542】，等等。

【42】第三、第四種方法對維護機器、器械，延長它們的使用壽命有很大作用。我們知道，經(jīng)常使用著的器具是不會生銹的，這是因為在它上面的任何銹斑、塵埃，在使用時被去除了，不易發(fā)生電化銹蝕的緣故。要避免金屬器械受潮的道理，前面已經(jīng)闡明了。此外，也要避免不同金屬放在一起，例如用鐵螺釘裝在銅板上，或者相反；否則，鐵會加速銹蝕。

習(xí)題1-4

1、什么叫做金屬的銹蝕？從本質(zhì)上看，金屬的銹蝕是屬于哪一類型的反應(yīng)？舉例說明。

2、根據(jù)金屬銹蝕的不同原因，可以把銹蝕分成哪兩種？哪一類型銹蝕比較普遍？為什么？

3、為什么金屬在潮濕的空氣里比在干燥的空氣里容易生銹？但沉在深水里的金屬倒不易生銹？[提示：深水里沒有空氣]

4、為什么浴室里或衛(wèi)生設(shè)備室里的金屬器皿和金屬鉸鏈等常用銅制而不用鐵制？如果在銅制鉸鏈上用一個鐵螺釘，為什么特別容易銹蝕？

5、鋁的化學(xué)活動性較鐵要強得多，為什么鋁制品比鐵制品反而耐腐蝕得多？

6、防止金屬銹蝕的方法有哪幾種？常用的是哪一種？

7、比較白鐵和馬口鐵在防止內(nèi)層鐵銹蝕的不同原理。

8、為什么制造食物罐頭要用馬口鐵不能用白鐵？而制造水桶等器具要用白鐵不能用馬口鐵？[提示：食物腐敗后會變酸]

9、為什么經(jīng)常使用的金屬工具是比較不易生銹的？暫時停止使用的機器要涂上油？