●实验室中的铁制品
基本是用钢铁制成的仪器:方座支架、物理支架、钢制黑板、真空泵、手摇抽气机、多功能实验支架、仪器车、升降台、钩码、砝码、镊子、液压机模型、离心水泵模型、手摇离心转台、马德堡半球……。
另外,还有许多仪器的部件采用了钢铁材料;例如显微镜、恒温箱、干燥箱、生物模型等等。
如何防止钢铁部件生锈,延长仪器使用寿命,是实验室管理的重要内容。
●铁的物理与化学性质
铁为银白色的金属,元素符号Fe
原子序数26;
相对原子质量55.847;
熔点1535℃;
沸点2750℃;
相对密度7.86.
磁化和去磁快;有延展性,是可锻金属中除钴、镍以外最坚韧的,在液态空气的温度下变脆。铁在红热时变软,可锻造和拉长;在白热时可锻接。
铁是比较活泼的金属,在金属活动顺序表里排在氢的前面。
常温时,铁在干燥的空气里不易与氧、硫、氯等非金属单质起反应,在高温时,则剧烈反应。铁在氧气中燃烧,生成Fe3O4,赤热的铁和水蒸气起反应也生成Fe3O4.铁易溶于稀的无机酸和浓盐酸中,生成二价铁盐,并放出氢气。
铁在干燥空气中很难与氧发生作用,但在潮湿空气中很易腐蚀,若含有酸性气或卤素蒸气时,腐蚀更快。
铁溶于热的或较浓的硝酸中,生成硝酸铁并释放出氮的氧化物。在常温下遇浓硫酸或浓硝酸时,表面生成一层氧化物保护膜,使铁“钝化”,故可用铁制品盛装浓硫酸或浓硝酸。铁是一变价元素,常见价态为+2和+3.铁与硫、硫酸铜溶液、盐酸、稀硫酸等反应时失去两个电子,成为+2价。与Cl2、Br2、硝酸及热浓硫酸反应,则被氧化成Fe3+.
铁与氯在加热时反应剧烈。铁也能与硫、磷、硅、碳直接化合。铁与氮不能直接化合,但与氨作用。
●生锈原因
普通钢铁制品在潮湿的空气中,渐渐变色,并在表面生成一种红褐色的物质,这种现象叫做钢铁的生锈。
让我们先从一个事故来探讨钢铁生锈的原因。
外国某化学公司的一家工厂,有一贮存氯化镁的钢质容器,有一次,因容器需要维修而停止工作,厂方排空了容器中的氯化镁,并将容器冲洗了几遍。而后两个工人进入钢质容器维修,一下去就晕倒了,当人们发现后,立即将人救出并送到医院,一人经抢救脱险,另一人不幸死亡。是什么原因导致人员死亡呢?难道容器中含有有毒气体?人们对钢质容器内的空气进行了测定,并没有发现任何有毒气体,但却惊奇地发现容器中空气里的氧气含量远远低于正常标准。为什么容器中会缺氧呢?经分析,发现问题原来出在容器本身,是因为容器生锈的缘故。
实验证明——只有水或者只有氧气,铁都不生锈;既有水也有氧气,但没有盐,而铁生锈,说明铁生锈的必要条件只是水和氧气;有水也有氧气,还有盐,生锈的速度比只有氧和水快,说明盐在铁生锈的过程中起到加速生锈的作用。
其实质是铁和空气中的氧气、水蒸气等起作用,生成铁的多种氧化物的水合物。
铁锈的成分比较复杂,通常简略用Fe2O3.xH2O表示。铁锈是一种松脆多孔的物质,它不能保护里层的铁不被锈蚀,铁锈是一种棕红色的物质,它不像铁那么坚硬,很容易脱落,一块铁完全生锈后,体积可胀大8倍。如果铁锈不除去,这海绵状的铁锈特别容易吸收水分,铁也就烂得更快了。
因此时间久了,钢铁制品就可能锈蚀成一堆无用的废品。尤其严重的是,钢铁在含有酸气、氯气的水蒸气中,或接触电解质溶液时,锈蚀得特别快。据统计,每所世界上都有几千万吨钢铁变成了铁锈,而钢铁制品遭破坏而引起的停工减产、产品质量下降、环境污染、危害人体健康,甚至造成严重事故的损失是无法估量的。因此,钢铁的防锈具有重要的经济意义和社会意义。 ●防锈方法
常用的防止铁生锈的方法有:
A.组成合金,以改变铁内部的组织结构。例如,把铬、镍等金属加入普通钢里制成不锈钢,就大大地增加了钢铁制品的抗生锈能力。
B.在铁制品表面覆盖保护层是防止铁制品生锈普遍而重要的方法。根据保护层的成分不同,可分为如下几种:
(1)在铁制品表面涂矿物性油、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。例如,车厢、水桶等常涂油漆;机器常涂矿物性油等。
(2)在钢铁制品表面用电镀、热镀等方法镀上一层不易生锈的金属。如锌、锡、铬、镍等。这些金属表面都能形成一层致密的氧化物薄膜,从而防止铁制品和水、空气等物质接触而生锈。
(3)用化学方法使铁制品表面生成一层致密而稳定的氧化膜以防止铁制品生锈。
C.保持铁制品表面的洁净和干燥也是防止铁制品生锈的一种很好方法。
要除去铁锈,可以利用各种工具把它铲掉,也可以泡在酸性的溶液中把它溶解掉。在去掉铁锈以后,一定要对铁器表面进行处理,涂上一层铅丹,再涂上油漆;或者镀上别的不容易生锈的金属。
依据铁制品生锈的条件,防止铁生锈的基本思路是破坏铁制品锈蚀的条件,使铁制品隔绝空气和水。具体措施有:在铁的表面涂油、刷漆、镀耐腐蚀的铬及制造耐腐蚀的合金等。
铁在干燥空气中很难与氧发生作用,但在潮湿空气中很易腐蚀,若含有酸性气或卤素蒸气时,腐蚀更快。
在潮湿的地方的铁器比干燥的地方的铁器更容易生锈是因为在潮湿的地方的铁器比干燥的地方的铁器更容易与水接触。
涂了油漆的铁制品不容易生锈则是因为油漆起到了隔绝空气中和水的作用。
如果要减少铁的生锈,任意切断生锈条件中的一个便可。如把铁上面涂上油漆,便切断了铁和空气的接触。
把一些铁制品如铁架台等用完后擦干并放在干燥的地方,则可以切断铁和水的接触,从而防止铁制品生锈。
●实验室防锈措施
环境保持通风干燥,实验室和仪器室要定期打开窗子通风。
避免铁制部分与水、化学试剂的接触,特别是钩码、砝码、显微镜等仪器。仪器使用完毕,即使没有接触水,也要立即擦拭干净。擦拭较精密仪器硬是用纱布。
对铁架台的容易生锈的仪器要及时除锈,除锈应使用铁刷子或沙质,然后涂一层防锈漆,再刷一层漆。
附录:防腐蚀技术
对在腐蚀性介质中的金属材料及其制品,采用各种不同的防腐蚀技术,以延长金属制品的使用寿命,保证工艺设备的安全和顺利运行。防腐蚀技术主要有下列几类:
合理选材 这是防止和控制设备腐蚀的最普通和最有效的方法之一。选材务必做到:①了解环境因素和腐蚀因素,包括介质的种类、浓度、温度、压力、流动状态、杂质种类和数量、含氧量,以及有无固体悬浮物和微生物等;②研究有关资料数据;③按实际条件进行模拟试验,以获得选材的可靠数据。由此了解材料的耐蚀性能及其工艺特性;④综合考虑材料的耐蚀性和经济性;⑤考虑合适的防腐蚀措施。
表面防护 金属材料及其制品表面经处理后形成防护层,可以使金属表面与外界介质隔开,阻止两者发生作用,同时还能取得装饰性外观。表面防护是防止或减轻基体金属腐蚀应用最普遍的方法。表面防护层常见的有两类:金属镀层和非金属涂层。
金属镀层——在金属表面镀层有下列方法:扩散渗镀、喷镀、电镀。
非金属涂层——常用于提高制品的耐蚀性和装饰性。有机涂层有涂料(包括油漆)、塑料、橡胶等。无机涂层有搪瓷、玻璃等。