生锈及其防止

本页只讲氧化还原平衡里的一条中五内容标准：生锈及其防止。生锈是考试最爱的日常氧化还原反应，因为它让你把氧化、还原、半反应式和活性顺序用到一个真实、熟悉的问题上。

把它当成一个氧化还原的故事来学，别当成一串事实。

生锈是氧化还原反应

铁锈是水合氧化铁(III)，大致为 Fe₂O₃.xH2O，铁和钢上形成的棕色、易剥落的固体。生锈只有在水和氧同时存在时才发生；去掉任何一个，铁就不生锈。

这就是经典实验用三支试管的原因，铁加水和空气（生锈）、铁加煮沸过的水并覆一层油以隔绝空气（不生锈）、铁加无水氯化钙和干燥空气（不生锈）。

这个过程是氧化还原。在表面某一点上铁被氧化，失去电子：

Fe → Fe²⁺ + 2e-（铁的氧化数从 0 升到 +2）

电子通过金属传到另一点，在那里有水存在，氧被还原：

O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH⁻

Fe²⁺ 离子随后被进一步氧化成 Fe³⁺，再与氢氧根和水结合，生成我们叫作铁锈的水合氧化铁(III)。所以铁是还原剂，氧是氧化剂。

加快生锈的因素

• 电解质如盐（氯化钠）使水导电更好，于是电子和离子移动更容易，生锈更快。这就是海边的汽车和建筑物锈得厉害的原因。
• 酸性环境（例如酸雨）出于同样的道理加快生锈。
• 与较不活泼金属接触（例如铁碰到铜或锡）使铁生锈更快，因为相比之下铁更容易失去电子，铁成了被氧化的那一方。

防止生锈

有三个思路，你应该能解释每一个为什么有效。

1. 隔绝法，用镀层挡住水和氧：涂漆、涂油／涂脂、包塑料，或镀上不活泼金属（例如镀铬）。简单，但如果镀层被刮花，露出的铁就生锈。
2. 牺牲保护，接上较活泼的金属如锌或镁。因为它较活泼，它代替铁失去电子，于是它被腐蚀、被消耗掉，而铁受到保护。关键是，这即使表面被刮花也照样有效，因为保护靠的是供给电子，而不是物理屏障。船体和地下管道会带上牺牲用的锌块或镁块，就是这个道理。
3. 镀锌，用锌镀铁，是一种巧妙的双重防护：锌既是屏障，又在被刮花时提供牺牲保护。
4. 合金化，把铁与别的元素混合使它抗锈，最著名的是不锈钢（铁加铬和镍），它形成一层不会剥落的保护层。

为什么生锈很重要

生锈不只是考试题目；它是一个巨大的经济问题。桥梁、船、汽车和管道等钢铁结构必须加以保护，否则会变弱、必须更换。

理解生锈背后的氧化还原原因，能帮助工程师为每种情况选对防护方法，沉在水下的船体用牺牲保护，锌屋顶用镀锌，厨房用具用不锈钢合金化。像这样把化学和实际用途联系起来，正是试卷二 C 部分所要求的那种推理。

例题

题目。 一扇钢制大门通过接上镁块来保护。

用半反应式和活性顺序解释，为什么即使门上的漆被刮花，镁仍能保护铁。

第一步，比较活泼性。 镁比铁活泼，所以镁比铁更容易失去电子。

第二步，说出镁做了什么。 镁代替铁被氧化：Mg → Mg²⁺ + 2e-。

它释放的电子流入铁。

第三步，说出这对铁有什么作用。 由于有电子被推送到铁上，铁被阻止失去自己的电子，于是 Fe → Fe²⁺ + 2e- 被压制，铁不生锈。

多出来的电子反而在铁表面驱动氧的还原半反应，而不消耗铁。

第四步，解释「即使被刮花」这一点。 因为保护来自通过金属供给的电子，而不是物理覆盖，漆上的刮痕并不要紧，镁会继续把电子供给露出的铁。

答案。 镁较活泼，被氧化（Mg → Mg²⁺ + 2e-）并以牺牲方式把电子供给铁，于是铁不被氧化、不生锈；因为它靠的是电子流动而不是屏障，所以即使被刮花也有效。

练习题

两枚相同的铁钉半浸在含指示剂的琼脂凝胶里。钉 A 缠一条锌片；钉 B 缠一条铜片。

预测哪一枚钉生锈，并用活性顺序解释。

答案。 钉 B（带铜）生锈；钉 A（带锌）不生锈。锌比铁活泼，所以它代替铁被氧化并保护铁（牺牲保护）。铜比铁不活泼，所以铁比铜更容易失去电子、被氧化得更快，铜实际上加快了钉 B 的生锈。

考试提示

两个条件，每次都要写：生锈需要水和氧同时存在，两个都说出来。对防止类题目，一定要既说出方法又给氧化还原理由：「锌较活泼，所以它代替铁被氧化并把电子供给铁」。

牺牲保护答题里最值钱的一点是它即使镀层被刮花也照样有效，阅卷老师就找这一句。别把镀锌（锌，提供牺牲保护）和镀锡（锡较不活泼，所以刮花后铁生锈更快）搞混。

这些区别是常见的 SPM化学 试卷二得分点。

本章定位

生锈把活性顺序和一个真实的氧化还原过程联系起来，并铺垫了一个在电池里会再用到的观念：较活泼的金属更容易放出电子。

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• 横向参考：本章的**复习笔记与常见错误**清单，后者标出了锡与锌的陷阱。

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