腐蝕（Corrosion）

腐蝕（Corrosion）
國立台灣大學化學系黃俊誠博士/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

腐蝕是材料本身與環境發生的化學反應，其原子結構所產生的崩解現象。一般是指金屬本身因空氣中的水與氧反應而失去電子的現象。

鋼鐵材料的生銹就是我們最熟悉的腐蝕例子之一，又稱鏽蝕。鏽蝕也是一種氧化還原反應：其氧化反應（陽極反應），零價鐵金屬釋出墊子形成鐵離子溶解在水中；溶解在水（或水膜）中的氧氣在獲得鐵金屬氧化所釋出的電子後，發生還原反應（陰極反應），生成氫氧根離子。反應式如下:
陽極: Fe  → Fe²⁺ + 2e^－     
陰極: O₂ + 2 H₂O + 4e^－ → 4OH^－

在陽極形成的Fe²⁺在空氣下不穩定，馬上會再與氧氣反應形成Fe³⁺，這也是形成鐵銹主要關鍵。
4Fe²⁺ + O₂ → 4Fe³⁺ + 2O^2-

此外，下列多重步驟的酸鹼反應影響著鐵銹生成的過程。
Fe²⁺ + 2 H₂O ⇌ Fe(OH)₂ + 2 H⁺
Fe³⁺ + 3 H₂O ⇌ Fe(OH)₃+ 3 H⁺

接著氫氧化鐵（二價與三價）進行脫水的平衡反應，形成鐵銹－氧化鐵的水合分子Fe₂O₃•nH₂O與氫氧氧化鐵(FeO(OH)，Fe(OH)₃)
Fe(OH)₂ ⇌ FeO + H₂O
Fe(OH)₃ ⇌ FeO(OH) + H₂O
2 FeO(OH) ⇌ Fe₂O₃ + H₂O

上述反應是自發性的氧化還原反應，所以全反應的淨電位為正值(約0.59 V)。但有些金屬較不易腐蝕，因為其氧化電位很低，被稱為惰性金屬，例如，銅、銀、金、鉑……等。有些金屬雖可與氧反應，但其氧化物結構緻密在金屬表面形成具有保護性的薄膜，具有抗腐蝕的特性，例如：鋁、鉻、鋅、錫…….等金屬。

在日常生活中，我們使用、接觸或依賴許多由不同金屬材料所製成的用品、工具或設施，在使用的環境中，這些材料可能會發生腐蝕而導致性質退化，造成生活上的不便，引起環境污染，甚至威脅生命安全。因此防銹在工業極重要。防止腐蝕方法有多，例如：
1. 金屬中加入其他金屬形成合金. 例如鋼材中加入鎳（Ni）或鉻（Cr）形成不銹鋼。
2. 由金屬表面電鍍一層不易腐蝕（氧化電位低）的金屬如金、銀，或電鍍一層具抗鏽蝕性的金屬如鋅、錫、鉻，以防止金屬與氧接觸而氧化（腐蝕）的問題。
3. 由金屬表面經氧化後形成緻密的金屬氧化物阻隔氧氣。例如鋁金屬表面因有一層氧化鋁，而使內層鋁金屬不易進一步的被氧化。
4. 金屬表面採用塗料保護，塗上油漆或油脂，隔絕空氣中的氧氣與水氣。
5. 陰極防蝕法：又稱化學防銹，可將鐵與氧化電位較高的金屬，如鎂、鉻、鋅等接觸，使鐵成為陰極，而維持原狀不生銹。
    Fe²⁺ + 2e^– → Fe       電位 = -0.44伏特
    Mg → Mg²⁺ + 2e^–     電位 = 2.39伏特
6. 金屬表面塗佈無機物，例如鍍釉(含矽土,過渡金屬，顏料)後，經高溫（攝氏800多度）煅燒形成砝瑯。
7. 金屬表面塗漆、油脂等。

參考資料:
1. 陳竹亭，選修化學下社，第28頁，泰宇出版，2008。
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Corrosion
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Rusting