電解法除鏽

生活科學趣談

(影片有點長,看到左輪離開電解槽即可)

加入的白色粉末是 洗滌鹼 碳酸鈉,本身不參與反應,目的只是提供電解液導電的機制。不要加鹽,否則會產生有毒的氯氣,可參考先前這篇→〈利希滕貝格圖樣

影片中是將生鏽的槍接在負極(剛開始時接錯^^),正極則是接金屬鐵管(使用未生鏽的鐵管效果較佳),通以直流電就能看到從接在負極的槍那裡冒出氣泡來。中學理化課提及的電解精煉是「用高溫還原得到的粗金屬鑄成陽極,用含有欲製金屬的鹽溶液做電解液,控制特定的電壓使電解時溶出的雜質沉積在陽極泥中,從而在陰極上可得到精煉的高純度金屬」。由於在通以直流電的電解槽中,發生氧化的陽極是接到鉛蓄電池的正極,而發生還原的陰極是接到鉛蓄電池的負極,因此左輪手槍所處的負極是發生還原反應。既然如此,那麼不就是將鐵鍍在生鏽的槍管上了嗎?這樣怎麼會是除鏽呢?若仔細看,可以觀察到畫面下方的鐵管處也在冒泡,因此正負極都在冒泡,最後拿出來的左輪變成黑色,2’18″則顯示鐵管生鏽的更嚴重,這又是怎麼一回事呢?

先來瞭解一下鐵鏽,其主要的成分是三氧化二鐵的水合物 Fe2O3·nH2O,位於生鏽鐵器的最外層,顏色為紅棕色 ,下層則是三氧化二鐵 Fe2O3 → 再往下則是黑色的四氧化三鐵 Fe3O(早期的磁片材質)→ 繼續往下則是灰色的氧化亞鐵 FeO → 最後才是金屬鐵 Fe。

接著來看 標準電極電勢表

2H+ + 2e ⇌ H2(g) 的標準電極電勢 E0 = 0.00V
2H2O + 2e ⇌ H2(g) + 2OH,E0 = −0.8277V
O2(g) + 2H2O + 4e ⇌  4OH(aq),E0 = +0.40V
可得完整的氧化還原電動勢
2H2O ⇌ 2H2(g) + O2(g),ΔE° = −1.2277V,負號代表非自發反應,須由外界提供電壓超過1.2277伏特以上,在陰極就會產生氫氣,陽極則產生氧氣。

至於鐵的生鏽:

O2(g) + 4H+ + 4e ⇌ 2H2O ,E0 = +1.229V
Fe2+ + 2e ⇌ Fe(s),E0 = -0.44V
可得完整的氧化還原電動勢
2Fe(s) + O2(g) + 4H+ ⇌  2Fe2+ + 2H2O ,ΔE° = 1.67V,正號代表此反應在酸性介質中可自發進行
形成的 Fe2+再進一步被氧氣氧化並與水結合:
4Fe 2+ + O2(g) + (4+n)H2O ⇌ 2Fe2O3·nH2O(s) + 8H+(aq),此水合的氧化鐵 (III) 即為鐵鏽。
若將此生鏽的鐵器接在陰極,這個反應就會反向進行,將鐵鏽還原。
完整的氧化還原電動勢則無從得知,因為標準電極電勢表只列出:
Fe2O3(s) + 3H2O + 2e ⇌ 2Fe(OH)2(s) + 2OH ,E0 = −0.86V
Fe(OH)2(s) + 2e ⇌ Fe(s) + 2OH E0 = −0.89V
兩式雖然可得出三氧化二鐵還原成鐵的反應式:
Fe2O3(s) + 3H2O + 6e ⇌ 2Fe(s) + 6OH ,不過由於式子中還有電子,所以標準電極電位並不具有加和性,必須藉助自由能公式,才能計算出標準電極電勢。

雖然如此,但只要電解時的電壓夠高,電解水仍可以與鐵鏽還原同時進行。亦即在陰極不僅能產生氫氣同時也會將鐵鏽還原;陽極則是產生氧氣並將金屬鐵氧化。

由於潮濕狀態下的Fe3O4在空氣中容易氧化成Fe2O3,Fe2O3則可用氫還原來製得Fe3O4,加上Fe3O4能導電(註:化學式應為FeFe[FeO4],由於電子可在鐵的兩種氧化態間迅速發生轉移,因而四氧化三鐵固體具有優良的導電性),因此若將鐵器的生鏽處磨除而夾在負極來通電時,則可視為負極所產生的氫能將Fe2O3還原成Fe3O4

至於影片中的左輪手槍經過電解後會呈現藍黑色,這是因為鐵鏽質地疏鬆,傳遞過來的電子除了能讓Fe2O3還原成Fe3O4,冒出的氫氣也會將最外層疏鬆的鐵鏽從表面剝落下來,使其漂浮在液面上。而經由Fe2O3轉變而成的Fe3O4仍保有原先鐵鏽的多孔特性,這是2’38″處以鋼刷能輕鬆將藍黑色刷除的原因,所以這種鬆散的鏽層縱使還原回來也無法堅固的附著在金屬表面而不得不刷除。呈現藍色則是因為氧化物薄膜所產生的干涉效應,這種現象稱為 發藍 (Bluing),顏色則依薄膜厚度而易,可參考先前這篇 →〈陽極處理

讓生鏽的左輪恢復光澤是使用電能來執行相反的生鏽化學反應,電解過後將槍枝洗滌並擦拭即可露出鐵鏽下層原本就存在的黑色四氧化三鐵 Fe3O4,此層質地堅硬且能導電,實驗進行到這裡通常只要上油保護即可,因為它能保持牢固的粘合在下面的金屬層上

不過這一區的黑色Fe3O4仍具有原本就存在的不平整表面,這種高表面積會讓後續的氧化能力大增。加上左輪手槍若要露出銀白色的鐵金屬色澤,就必須再將四氧化三鐵層與氧化亞鐵層磨除才行。

電解除鏽能從鋼刷等機械裝置無法到達的細微裂縫內來轉換鐵鏽。使用酸蝕也能去除鐵鏽,但是酸蝕是將金屬鐵溶解來讓鐵鏽剝離,這種腐蝕性的除鏽會去除過多的材料而造成金屬的耗損,而且酸蝕出來的無數孔洞也會增加後續生鏽的速率。另外,不均勻的打磨也會把金屬本身磨掉,因此如果生銹的鐵製品非常珍貴,使用這種電解法除鏽,保存原先既有的黑色四氧化三鐵層堪稱是最不傷鐵器的解決方案,此點可從下則影片經處理後只減少非常小的質量來得證

付出的代價則是犧牲放在陽極的鐵器而將其轉變成三氧化二鐵

安全事項:
1.左輪手槍除鏽影片的2’13″犯了一個錯誤,當時產生的電火花有可能會引燃負極的氫氣,所以應該先關閉電源變壓器→斷開正極接點→斷開負極接點。
2.若是使用汽車電瓶,建議串接一顆12V燈泡來避免短路,並可調整電流使其小於1安培(註:串接高功率的燈泡可獲得更高電流)。
3.使用純鐵或碳鋼而不要使用鍍鉻鐵或是不鏽鋼來接在正極,因為這可能產生有毒的鉻離子,這樣電解後的廢液就無法倒入衛生下水道中。
4.碳酸鈉水溶液呈現鹼性,請戴橡膠手套來操作。

結論:
這是屬於電化學還原法,這種除鏽機制類似於「犧牲陽極的陰極保護法」,藉由犧牲陽極的金屬鐵管將其氧化成三氧化二鐵,從而使位於陰極的生鏽鐵器還原成藍黑色的四氧化三鐵。實驗使用5~10% 碳酸鈉水溶液、6 ~12伏特直流電源、約1安培電流來操作。這種方法只能專門用於去除鐵鏽,無法應用在其它種類的金屬。

OS:以後小編撿到槍可以嘗試看看^^

延伸閱讀

雷射除鏽