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影响铁生锈的探讨

影響鐵生鏽的探討

周桂秀、王立中、許又菱、李映萱、陳立萍國立花蓮女中師生

一、研究動機

鐵是人們最常用的金屬，因它產量豐、便宜、且質地堅硬，但是鐵非常容易銹蝕。

時常新建大樓的鐵窗裝上不久就銹蝕了，氧化銹蝕之速率驚人，為什麼？

使我們聯想到「基礎理化」課本提及「空氣中的鐵，在水分存在的情況下會生銹」，而臺灣氣候潮溼，因此生銹是相當嚴重的一個問題。

每年所生產的鋼鐵，大概有百分之二十以上是用來取代生銹而不能使用的物品。

同時花蓮靠近海邊，空氣中含有海水之鹽類較多，是否鹽或其他物質，也會使鐵生銹之速率增快？

因此我們著手研究。

二、研究目的

（一）探討空氣中氧和水汽對鐵生銹的影響。

（二）探討海水，以及各種酸、鹼、鹽類的水溶液對鐵生銹的影響。

（三）探討不同濃度的食鹽水、醋酸的水溶液對鐵生鏽的影響。

三、研究器材藥品

（一）器材：

電子天平、燒杯（1000ml）、試管與試管塞（或藥品罐）、棉花、棉線、量筒（50ml）、鐵架。

（二）藥品：

鐵釘（20mm長）、無水氯化鈣、海水、食鹽、醋酸、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氯化銅、氯化鈉、氯化鎂、硫酸銅、鋼絲線（0級）、硝酸鈉、亞硝酸納、鉻酸鈉。

四、研究過程與方法

（一）探討氣與水對鐵金屬生銹的影響：

【實驗一】

1.步驟：

（1）取二根鐵釘，用砂紙打磨（必須將鐵釘表面的鐵銹完全除去），用天平秤其質量後，置於試管A。

（2）重複步驟

（1）的操作分別將鐵釘置入B～F中，如圖

（一），並用試管塞塞住B～E試管。

（說明：

試管B的水必須不含空氣的，處理方法是先將試管裡的水煮沸，放入兩枚打磨乾淨的鐵釘，繼續煮水幾秒鐘，以驅走任何附著於鐵釘的氣泡，然後塞緊瓶塞。

）

（3）準備妥當後，將六支試管置於實驗室一角，每天觀察試管內的鐵釘是否生鏽，一連觀察五天。

將結果記入表

（一）。

（4）記錄生鏽情形後，再將六支試管內的鐵釘分別取出，用天平秤其質量，將反應前後質量記錄於表二。

（若鐵釘上含有水或油，可先用丙酮浸泡一下，再取出乾燥後秤重。

）

2.結果：

表一：

鐵釘在不同條件下的生銹現象：

試管

第一天

第二天

第三天

第四天

第五天

無反應

微小黑點

無反應

微小黑點

黑點變多

局部紅棕

紅棕擴大

整個紅棕

無反應

微小黑點

黑點變多

表二：

鐵釘質量的變化：

試管

實驗前質量（g）

五天後質量（g）

1.22

1.30

1.20

1.23

1.20

1.48

1.20

1.22

1.19

1.21

鐵生鏽的速率：

D>A>F>C=E=B

（二）探討鋼絲絨質量對反應速率的影響：

【實驗二】

說明：

實驗一的實驗裝置，不適宜每十分鐘取出秤重，故將裝置改為如圖二，以觀測水面上升量（即為氧的消耗量）來表示鐵生銹的速率。

1.步驟：

（1）分別秤取0.5g、10.0g、1.5g、2.0g、2.5g的鋼絲絨置入50ml的量筒內，倒入約20ml的冰醋酸浸泡一分鐘，再用清水清洗二次。

（2）清洗過的鋼絲絨仍留在量筒內，加入約25ml的水，先用塑膠膜封住量筒開口，倒置於1000ml的燒杯中（燒杯事先充滿八分滿的水），裝置如圖二。

（3）除去塑膠膜，記錄反應前量筒內的水位，而後每隔10分鐘記錄一次水位，直到90分鐘。

（注意：

每次記錄水位時，需利用鐵架上鐵夾的升降來調整量筒內外水面的等高，在壓力相等的條件下測量體積的變化才是準備的。

）

2.結果：

表三：

鋼絲絨質量與50ml空氣的氧化作用：

時間

上升（分）

水量

質（ml）

量（g）

消耗空氣百分比

0.5

0.2

1.1

2.5

3.8

4.6

5.4

5.8

6.0

6.1

6.2

12.4%

1.0

0.1

2.8

5.4

7.8

8.5

8.9

9.2

9.4

9.5

9.7

19.4%

1.5

0.0

3.2

6.3

8.6

9.1

9.3

9.6

9.8

10.0

20%

2.0

0.0

3.4

6.4

8.8

9.2

9.4

9.7

9.8

10.0

20%

2.5

0.1

3.8

6.6

8.9

9.3

9.5

9.7

9.8

9.9

19.8%

註：

消耗空氣百分比＝

100%，例1.5g的鋼絲絨＝

100%＝20%。

（三）探討海水、食鹽水、以及各種酸、鹼、鹽類對鐵生鏽的影響：

【實驗三】：

1.步驟：

（1）秤取1.5g之鋼絲絨浸入0.5M硫酸一分鐘後立刻取出甩乾後，用夾子把鋼絲絨塞入50ml的量筒內，加入約25ml的蒸餾水，先用塑膠膜封住量筒開口，再倒置1000ml的燒杯中，操作如實驗二之步驟

（1）。

（2）每隔10分鐘記錄一次水位，直到90分鐘，再位次用各種濃度之酸、鹼、鹽、海水上述操作並記錄於表四～表九。

2.結果：

表四：

鋼絲絨浸泡在不同的酸下生鏽的比較：

時間

上升（分）

水量

質（ml）

量（g）

消耗空氣百分比

硫酸（0.5M）

0.0

0.8

1.2

1.6

1.9

2.2

2.5

2.6

2.5

2.4

4.2%

盬酸（0.5M）

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.1

1.3

1.6

1.8

1.7

3.4%

硝酸（0.5M）

0.0

0.2

0.3

0.4

0.6

0.8

1.0

1.1

1.3

1.4

2.8%

醋酸（0.5M）

0.0

2.8

4.5

6.0

0.6

7.6

7.8

8.0

8.1

16.5%

鐵生鏽的速率：

醋酸＞硫酸＞鹽酸＞硝酸（0.5M）

表五、鋼絲絨浸泡在不同濃度的醋酸下生鏽的比較：

時間

上升（分）

水量

醋酸（ml）

濃度（M）

消耗空氣百分比

16.5M

未清洗

0.0

4.0

5.7

4.9

3.4

3.2

3.0

2.9

5.6%

清洗過

0.0

3.2

6.3

8.6

9.1

9.3

9.6

9.8

10.0

20.0%

4.125M

未清洗

0.0

2.6

6.0

6.4

6.0

5.4

5.0

4.9

4.7

4.6

9.2%

清洗過

0.0

3.0

5.4

7.6

8.8

9.2

9.4

9.6

9.8

19.6%

1.03M

未清洗

0.0

3.2

5.3

6.8

7.8

7.2

6.6

6.0

5.9

5.8

11.6%

清洗過

0.0

1.0

1.8

2.4

3.0

3.2

3.4

3.6

3.9

4.2

8.4%

0.26M

未清洗

0.0

2.8

4.8

7.0

8.6

9.0

9.2

9.4

9.6

9.8

19.6%

清洗過

0.0

0.6

0.8

1.2

2.0

2.2

2.6

2.8

3.0

3.2

6.4%

註：

未清洗：

鋼絲絨浸泡在醋酸一分鐘，取出甩乾即置入量管內反應。

清洗：

鋼絲絨浸泡在醋酸一分鐘，加水清洗二次，再置入量筒內反應。

表六、鋼絲絨浸泡在不同鹼類下生鏽的比較：

時間

上升（分）

水量

質（ml）

量

消耗空氣百分比

氫氧化鈉（0.5M）

0.0

0.2

0.6

0.1

0.2%

氫氧化鉀（0.5M）

0.0

0.2

0.6

0.1

0.2

0.0

-0.1

0.0

氫氧化鈣（0.5M）

0.0

-1

0.0

-0.1

-0.2%

表七、鋼絲絨浸泡在不同鹽類下生鏽的比較：

時間

上升（分）

水量

質（ml）

量

消耗空氣百分比

氯化銅（0.5M）

0.0

0.7

1.0

1.6

1.9

2.1

2.4

2.6

2.7

5.4%

氯化鈉（0.5M）

0.0

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.2

1.4

1.6

3.2%

氯化鈣（0.5M）

0.0

0.3

0.5

0.6

1.0

1.1

1.2

1.4

1.5

3.0%

氯化鎂（0.5M）

0.0

0.1

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

2.0%

硫酸銅（0.5M）

0.0

0.5

1.2

1.4

1.7

2.0

2.3

2.4

2.5

2.6

5.2%

硝酸鈉（0.5M）

0.0

0.1

0.0

-0.1

0.1

0.0

0.0%

亞硝酸鈉（0.5M）

0.0

0.1

0.4

0.2

0.1

0.2

0.1

0.2%

鉻酸鈉（0.5M）

0.0

0.1

0.0

0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.6%

表八、鋼絲絨浸泡不同濃度的食鹽水生鏽的比較：

時間

上升（分）

水量

質（ml）

量

消耗空氣百分比

蒸餾水

0.0

0.1

0.3

0.4

0.6

0.8

1.0

2.0%

食鹽水（5%）

0.0

0.1

0.7

1.1

2.0

2.1

2.4

2.7

5.4%

食鹽水（10%）

0.0

0.3

0.8

1.1

1.4

1.8

2.0

2.3

2.5

2.6

5.2%

食鹽水（15%）

0.0

0.2

0.3

0.6

0.8

1.0

1.1

1.3

1.4

1.6

3.2%

食鹽水（20%）

0.0

0.2

0.4

0.6

0.9

1.0

1.4

1.6

1.7

1.8

3.6%

食鹽水（25%）

0.0

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.9

1.0

2.0%

海水

0.0

0.5

0.9

1.2

2.4

2.5

2.6

3.0

3.3

3.5

7.0%

表九、鋼絲絨浸泡在不同混合液下生鏽的比較：

時間

上升（分）

水量

質（ml）

量

消耗空氣百分比

0.5M醋酸（10ml）+0.5M食鹽（10ml）

0.0

3.4

6.7

8.5

9.2

9.4

9.6

9.8

10.0

10.1

20.2%

0.5M硝酸鈉（10ml）+海水（10ml）

0.0

0.3

0.4

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

2.0%

0.5M醋酸（10ml）+0.5M氯化銅（10ml）

0.0

0.4

0.6

1.0

1.2

1.6

1.8

1.9

2.0

2.1

4.2%

0.5M氯化銅（10ml）+0.5M食鹽（10ml）

0.0

1.8

3.2

4.5

5.7

6.4

6.7

6.8

6.9

7.0

14.0%

註：

鋼絲絨分別浸泡在混合液20ml中一分鐘，再用清水清洗二次。

五、討論與結論

（一）本實驗氣溫、壓力都可能影響鐵氧化鏽蝕速率的因素，所以同一組實驗宜在同一時間下進行實驗，才能減低因溫度造成的誤差。

（二）由實驗一的結果得知，鐵生鏽必須有水和氧同時存在的條件，其反應式為：

（1）2Fe（s）+O2（g）+2H2O（）→2Fe（OH）2（s）

（2）氫氧化亞鐵Fe（OH）2為溶於水的白色固體，在空氣中很快變成鐵鏽Fe2O3、XH2O，"XH2O"是為可變數。

4Fe（OH）2（s）+air+water→2Fe2O3、XH2O（s）

是故生鏽的速率為：

D試管（含有空氣與水）>A試管（含有空氣與少量水汽）>F試管（含有水與微量策空氣）>B試管（不含空氣）=C試管（不含水）=E試管（不含水與空氣）。

F試管有微量的生銹，因水中溶有微量的氧氣（20℃，每升的水含氧為0.0092g）。

（三）由實驗二的結果得知：

50ml的空氣與1.9g～1.5g的鋼絲絨反應最佳，原因為鋼絲絨小於1.0克時，造成反應時間長；大於1.5克時，則鋼絲絨的體積不能被忽略。

（1.0克鋼絲絨的體積＝

，佔全部體積的百分比＝

×100％＝0.26％，因體積小，實驗時沒有加以修正。

）

（四）由表四與表六結果得知，對鐵氧化生鏽速率為酸類大於鹼類，而各種酸中，醋酸影響最大。

鐵在酸中的反應為：

Fe（s）+2H+（aq）→Fe2+（aq）+H2（g）

鐵在鹼中的反應為：

Fe（s）+20H-（aq）→Fe（OH）2（s）+2e-【Fe（OH）2為淺綠色】

或Fe（s）+3OH-（aq）→Fe（OH）3（s）+3e-【Fe（OH）3為紅棕色】

鐵生鏽速率的影響，酸大於鹼，其原因為：

酸中之氫離子會使腐蝕速率增加；而在鹼溶液中鐵的腐蝕是受氧擴散通過沈澱的腐蝕生成物Fe（OH）2的速率所控制，故腐蝕率較低。

（五）由表五結果知，鋼絲絨浸泡在大於1M的醋酸溶液時，鋼絲絨加水清洗反應效果較好。

若未清洗，則水面上升至某一高度後，會因產生氫氣，使水面有下降的情形。

鋼絲絨反應效果最好的方法依次為：

16.5M的冰醋酸（清洗過），反應時間：

40分鐘

4.125M的醋酸溶液（清洗過），反應時間：

50分鐘

0.26M的醋酸溶液（未清洗過），反應時間：

60分鐘

（註：

消耗空氣百分比最大量≒20％，在達18.2％時，反應速率則趨緩，所以我們以消耗9.1ml的空氣為反應時間。

）

（六）由表七結果知，各種鹽類中以銅鹽對鐵氧化生鏽的影響最大，可能為當鋼絲絨浸入銅鹽的水溶液中時，由於發生氧化還原反應，部分鋼絨的表面有銅生成，結果造成了鐵─銅電池，就像馬口鐵有部分的錫脫落時，更易腐蝕生鏽一樣，所以浸有銅鹽的鋼絲絨更易腐蝕。

（七）由表七結果知，鉻酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽類水溶液對於鐵的生鏽有抑制作用，可能原因為CO42-、NO3-、NO2-有較高的氣化電位，與其他陰離子形成競爭性的吸附在鐵金屬上，而抑制鐵鏽蝕作用。

（八）由表八結果知，各種濃度之食鹽水中，以濃度5％之食鹽水影響鐵生鏽之速率最大。

而海水對鐵之生鏽速率比5％之食鹽水要大，可能海水中除含有氯化鈉成分外，尚有多種物質的影響。

（九）由表九結果知，在醋酸與食鹽水溶液同時存在下，鐵的生鏽速率最大，而海水中含有硝酸鈉（或亞硝酸鈉、鉻酸鈉）可抑制鐵的生鏽。

（十）由本實驗得知，花蓮地區（花蓮女中）鐵容易生鏽，是由於多雨，靠近海邊，濕空氣中含鹽之故；欲使鐵不易生鏽，必須使鐵器保持乾燥，隔離空氣，少與酸、鹽類接觸，或在鐵表面可用NaNO3（或NaNO2）處理。

八、參考資料

1.高中基礎理化（下）：

國立編譯館p.41～p.42。

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