【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第一章金属的通性

§1-4金属的锈蚀和防止锈蚀的方法

【01】金属和合金是制造机器、国防器械、运输工具、日常用具以及建筑方面等的重要材料。由于它们具有优良的机械性能，因此应用范围很广，用量也日益增加，但是，金属在空气中大都容易生锈，从而减小了它们的使用价值。

【02】我们知道，当金属制品用旧后，它的表面往往会失去金属光泽，或生成粒屑状物质。特别是铁制器，生成的棕黄色铁锈，质地疏松，会层层剥落，日久之后，竟会全部变成铁锈，致使不能应用。

【03】金属生锈，科学上叫做金属的锈蚀，是指金属或合金由于跟周围接触到的气体或液体进行化学反应而损耗的过程。

【04】金属的锈蚀给人类造成很大损失，根据统计，每年由于锈蚀而直接损耗的金属材料约占年产金属量的十分之一，加上由于金属部分锈蚀后，器械的性能受到影响，而必须加以修理或缩短了它的使用期限的损失，数字是很惊人的。因此，怎样防止金属锈蚀具有重大的意义。

【05】下面我们先研究金属锈蚀的原因，再介绍防止金属锈蚀的方法。

金属锈蚀的原因

【06】金属的锈蚀是一个氧化反应，从本质上来说，都是金属原子放出电子的过程。但是，从引起锈蚀的原因和机理来说，锈蚀可以分成两种：化学锈蚀和电化锈蚀。

1、化学锈蚀

【07】化学锈蚀是由于金属跟周围环境里接触到的物质（一般是非电解质）直接进行化学反应而引起的一种锈蚀。

【08】例如，在高温下，铁、锡、铅等和空气接触时的迅速氧化，这是金属跟氧气直接反应所引起的锈蚀。具有更强氧化性的气体或液体，例如化学工厂里或实验室里扩散在空气里的氯气、氯的氧化物等跟金属接触时将更迅速地直接反应，使后者锈蚀。这种锈蚀的化学反应比较单纯，仅是金属跟特定物质间的氧化-还原反应。

2、电化锈蚀

【09】电化锈蚀是另一种金属锈蚀的形式，它的反应过程比化学锈蚀复杂得多。金属在潮湿的空气里所发生的锈蚀，就是这种锈蚀的最普通的一个例子。

【10】事实证明，钢铁（普通碳钢）在干燥的空气里，长时间不会生锈，可是放在潮湿空气里，很快就生锈了。显然这种锈蚀不是单纯的跟氧气直接反应所引起的。那末，这是什么原因呢？要回答这个问题，我们先来讲一个实验现象。

【11】我们记得锌粒和稀硫酸反应制取氢气的实验吧（第一册§2-10）【山注，化1-2-10第06段，传送门CV20412415】？我们会发现，在其他条件相同的情况下，用不纯的锌粒要比用纯净的锌粒，放出氢气的速度快得多。如果在纯净的锌粒上加微量铜屑或铁屑，放出氢气的速度也会立刻快起来。这是什么道理呢？

【12】可以这样来进行实验：把一块纯锌片插入盛有稀硫酸的烧杯中，开始时，有少量气泡发生（氢气产生了），随即气泡吸附在锌片的表面上，反应越来越慢而几乎停止了。再把一块纯铜片插进去（不碰到锌片），可以看出上面没有反应发生（铜和稀硫酸是没有反应的）。于是，用一根铜丝把锌片和铜片的上端连接起来，立刻可看到，大量的氢气气泡在铜片上放出来了。怎样解释这个现象呢？

【13】原来当锌片单独插入酸溶液中时，锌原子开始放出电子，变成锌离子，进入溶液中：

【14】放出的电子给氢离子得到，使其变成氢原子，结合成氢分子而放出气泡：

【15】这就是锌置换氢的过程。

【16】但是，微小的氢气气泡会吸附在锌片的表面，使锌和酸溶液隔离开来，阻碍了锌原子放出的电子直接转移给氢离子。这些电子积储在锌片上会阻止其他锌原子继续放出电子，也会吸住锌离子进入溶液去。这样，反应就减慢下来了。

【17】如果插入一块铜片，并用导线（铜丝）和锌片连接起来后，锌原子放出的电子可以沿着导线传递到铜片上，在那里转移给氢离子，使它变成氢气放出（注意不是铜和酸反应产生氢气！)；在锌片上因为没有积储的电子，锌原子就能畅快地、不断地放出电子而变成锌离子进入溶液中去。这样反应就大大加快了（图1·6）。

【18】电子从锌片经过导线移转到铜片上去时就形成电流，这可以用电流计测量出来。图1·6的装置，就是在物理学中学到的原电池。在那里着重讲解的是电流产生的原理，而现在我们是用来说明，为什么锌（较活动的金属）和另一种金属（较不活动的金属）连接时，它跟酸的反应会加快的原因。

【19】到此，不难理解，在纯净锌粒上加微量铜屑或铁屑时，或者不纯的锌粒（即含有微量的其他杂质）实际上组成了很多个微型的原电池，这样就导致锌原子的加快放出电子而加速锌的消耗。

【20】现在可以回过头来，回答金属的电化锈蚀的原因了。

【21】用钢铁在潮湿空气里很快锈蚀为例来说。一般固体的表面都有吸附湿气的性质。潮湿空气使钢铁的表面上常存在一层极薄极薄的水膜。空气里的二氧化碳或其他酸性氧化物气体溶解在这层水膜里，就形成了弱酸性溶液。如果表面碰到过矿物盐类，则这层水膜即变成更浓的电解质溶液薄膜。钢铁本身是一种合金（如碳钢主要是铁和碳的合金，见§5-3），这样，钢铁的表面就形成了无数个微型原电池。如果钢铁中的杂质比铁不活动（碳钢中主要是碳），铁就成了原电池中的负极，加快放出电子而氧化了，这就是钢铁在潮湿空气里发生锈蚀的原理。

【22】这种锈蚀就是电化锈蚀。它是指由于电解质的存在，产生了原电池作用，引起较活动的金属放出电子而发生氧化反应的一种锈蚀。

【23】不难理解，纯净金属，或者表面非常净洁、非常干燥的金属材料是不会发生电化锈蚀的，金属器械的表面情况，对发生电化锈蚀有很大关系。例如凹凸不平的表面和洞穴、裂纹、铆钉等处容易藏污纳垢的地方，最易发生锈蚀。

【24】金属发生锈蚀大都属于电化锈蚀类型的，它较化学锈蚀普遍得多，值得我们特别注意。

防止金属锈蚀的方法

【25】了解了金属锈蚀的原因以后，我们就可以来讨论防止金属锈蚀的方法。防止金属锈蚀一般有下列几种：

【26】(1)设法改变金属的性质，使它不易跟周围物质起反应；

【27】(2)在金属的表面上复盖一层坚固的保护膜，使它和外界隔绝；

【28】(3)使金属经常保持洁净、干燥，避免放在潮湿处所；

【29】(4)避免金属和有腐蚀性的物质经常接触。

【30】第一种方法当然是最理想的。在合金一节里曾提到，有些合金，除物理性质外，在化学性质方面也有很大的改变。例如不锈钢就以不生锈的特点命名的。很多合金钢和由有色金属制成的合金，有的具有很高的耐酸、耐碱和抗腐蚀的性质，甚至可以用作硫酸、硝酸，这样一些腐蚀性很强的物质的生产和储存的容器。但是，这样的合金是不多的，而且价格也很贵，不能普遍应用。所以防止锈蚀主要采用第二种方法。

【31】在金属表面上复盖一层保护膜的具体方法有很多种。例如涂机器油、凡士林，涂干性油漆，搪瓷，镀上或包上另一种金属和胶合一层塑料，等等，这些方法，各有各的优点和缺点，各有各的应用对象。但不论什么方法，总的要求是那层保护膜的本身必须是在特定的环境里是相当稳定的物质，并且能够紧密地附在和遮盖住金属的表面，而不易脱落。

【32】镀上另一种金属这个方法具有较多的优点，譬如，比较耐久、耐热和耐磨等。镀上去的金属按理应该是一种比原来的金属不活动，本身不易氧化的金属，例如铜上面镀层金，铁上面镀层锡，才能达到保护的目的。但实际上并不完全需要这样。

【33】有些金属，例如铝、铬等，本身是相当活动的，容易氧化。但是它们会很快地生成一层透明的氧化物，能紧密地复盖在它自身的表面上，因而保护了内层不再继续氧化，起了自身防止锈蚀的作用（见§4-1）。“钢精”（铝）制品之所以耐久，道理就在这里。但有些金属不是这样，例如铁，它的氧化物疏松而容易剥落，不能起防护作用。

【34】现在用两种熟悉的铁制品——镀锌铁和镀锡铁为例，来说明两种不同性质的镀料的不同保护作用。

【35】镀锌铁俗称白铁，一般用作“铅桶”、水落管等日用品的材料，是铁皮上镀一层锌的铁制品。锌比铁活动，但它有优良的保护自己的能力，即前面提到过的生成致密的氧化物保护层。因此锌镀在铁皮上也间接保护了铁。

【36】镀锡铁俗称马口铁，就是用来制造煤油听、罐头等的材料，是铁皮上镀一层锡的铁制品，锡比铁不活动，它不易氧化，有较强的抗蚀性。因此，锡镀在铁面上就起着隔离作用。

【37】但是，镀锡铁如果表面有任何损坏，底层铁只要有一部分裸露时，不仅会失去防护作用，而且会加速铁的锈蚀，这是因为如果有水或其他电解质存在，裸露的铁和表面的锡就组成一个原电池。铁较锡活动，电子将由铁放出，它做了原电池的负极，从而铁迅速氧化而锈蚀了。

【38】可是，白铁就不会这样。因为锌较铁活动，在损坏处所形成的原电池的负极是锌而不是铁。就是说，锌将放出电子而氧化。这样就防止了铁的氧化，除非全部锌锈蚀完了以后，铁才有锈蚀可能。

【39】从而可见，镀一层较活动的金属（当然它自身要有保护能力的）对底层金属的防锈作用比较有利，如果镀一层坚硬而不易磨损的金属，如铬、镍等，则防锈作用将会更理想些。

【40】必须指出，不是任何金属都可能镀到另一种金属上去的。

【41】至于镀上去的方法，也有好多种。常用的有热镀法，即把底层金属浸入熔融的另一金属中，例如铁浸入熔锌里而镀上一层锌。有喷镀法，即把熔融金属加压喷洒到底层金属上去。有电镀法，即在电解槽中，用镀上去的金属盐类（例如ZnSO₄）做成电解溶液，以底层金属（例如铁）做阴极，用镀上去的金属（例如锌）做阳极，进行电解，锌溶解而锌离子移向阴极，在那里放电成金属镀上（可参阅第二册电离学说一章）【山注，化2-4-08第17~25段，传送门CV21637542】，等等。

【42】第三、第四种方法对维护机器、器械，延长它们的使用寿命有很大作用。我们知道，经常使用着的器具是不会生锈的，这是因为在它上面的任何锈斑、尘埃，在使用时被去除了，不易发生电化锈蚀的缘故。要避免金属器械受潮的道理，前面已经阐明了。此外，也要避免不同金属放在一起，例如用铁螺钉装在铜板上，或者相反；否则，铁会加速锈蚀。

习题1-4

1、什么叫做金属的锈蚀？从本质上看，金属的锈蚀是属于哪一类型的反应？举例说明。

2、根据金属锈蚀的不同原因，可以把锈蚀分成哪两种？哪一类型锈蚀比较普遍？为什么？

3、为什么金属在潮湿的空气里比在干燥的空气里容易生锈？但沉在深水里的金属倒不易生锈？[提示：深水里没有空气]

4、为什么浴室里或卫生设备室里的金属器皿和金属铰链等常用铜制而不用铁制？如果在铜制铰链上用一个铁螺钉，为什么特别容易锈蚀？

5、铝的化学活动性较铁要强得多，为什么铝制品比铁制品反而耐腐蚀得多？

6、防止金属锈蚀的方法有哪几种？常用的是哪一种？

7、比较白铁和马口铁在防止内层铁锈蚀的不同原理。

8、为什么制造食物罐头要用马口铁不能用白铁？而制造水桶等器具要用白铁不能用马口铁？[提示：食物腐败后会变酸]

9、为什么经常使用的金属工具是比较不易生锈的？暂时停止使用的机器要涂上油？