先阐述观点
”生锈“是个很含糊的词,可以狭义理解为:金属与氧气反应;也可以广义理解为:金属遭受化学/电化学腐蚀,使得表面的颜色或形貌发生改变。
从狭义的生锈角度来看:除了黄金仍有争议外,其它金属均会生锈。
从广义的生锈角度来看:所有金属都难逃生锈魔爪。
(百年历史的铱坩埚镇楼)
先白话一下理论
从理论上说,在一定温度和压力下,金属与氧的反应是否能够自发进行,决定于从反应前的状态到反应后的状态,是否对外做功(体系的自由能是否降低)。说白了,就是”水往低处流“的原理。
在常温常压下,除黄金外,其它所有金属与氧气反应生成氧化物,都是对外做功的,意味着均可自发进行。(下图供参考,只需注意:在25℃时,只有金生成氧化物时,能量是升高的,其它内容自动忽略即可)
某童鞋有意见了:很多金属在常温常压下虽然会与氧反应,但只是在表面生成透明的,具有保护性质的氧化保护膜,这个,按题目意思,应该不算生锈吧。
OK,按这样的意思,把【与氧反应,且造成显而易见的颜色,或表面形貌改变】称为生锈,那结论,是否会不一样呢?
让我们来具体分析一些金属吧。
钽
刚才在答题区,看到有朋友提到这种金属,就先说这个吧。
虽然钽在王水,硝酸,盐酸中的耐腐蚀性,超过了黄金,铂,在室温下,表面的透明氧化膜也几乎“刀枪不入”,但是,在高温下,它的氧化层结构变得疏松,失去保护性,成了暗色,易脱落的“氧化皮”。
笔者的钽戒指,被某童鞋拿到煤气灶上烧,成了下面这个鬼样子。
钨 & 钼
别看这两种金属熔点很高,且灯泡中的钨丝,看起来似乎挺亮,其实他们在常温潮湿空气中,就可以和氧反应变色,生成钨和钼的氧化物。
下图,就是一块“变了色”的钨。
这是变色的钼
铂
铂金,首饰店和实验室的必需品,铂坩埚不是经常都放在火上烧么?总不会生锈吧。
仔细观察长期灼烧后的铂器皿,是可以发现它的表面形貌有所改变的,当然,这并不影响铂在“抗氧化界”的声誉。
如果从广义角度来看,让铂“生锈”的情况,就更多了:王水不用说,下面东西或许会让你稍稍诧异, 它就是 —— 沸腾的浓硫酸!
下图是铂片经过48小时后的腐蚀形貌,额,有点,惨不忍睹啊。
黄金
黄金,还是绕不过去的,正如前文所述,金与氧生成氧化物的反应,在一般条件下无法自发进行,在空气中,黄金直到熔点,也不会和氧化合。
据资料报道,黄金在500℃的纯氧中(氧分压未知),会生成Au2O氧化物,但该说法并未得到广泛认可。
因此,在狭义的【生锈】定义下,黄金勉强可以用来制造”永不生锈的螺丝钉“。
当然,若按广义的【生锈】说法,黄金也要“扑街”,它对含氯离子+氧化剂的偏酸性工况,特别敏感。比如含有空气的盐酸,在密闭容器中加热到150℃,黄金明显腐蚀! 很浓的硝酸,单凭自己的力量,也能搞定它。 黄金惧怕的不明势力,还是很多滴。
铱
最后依然要说说馆长最喜欢的金属”铱“,这种号称”最耐腐蚀的金属“,在常压下几乎能免疫一切酸的腐蚀。但氧气还是可以搞定它的,在600℃左右加热,铱表面会形成黑色的氧化层,因此,它还是会”生锈“的。
(下图的铱块其实早已被我烧过,此时表面温度并不高,乃摆拍,仅为说明效果)
总结
一物克一物,一物降一物,这,的确是大自然的普遍规律呀!
答:世界上没有绝对不生锈的金属,只是生锈速度快慢而已。
在金属元素中,除了少数几个锡、锑、铋等等金属外,其原子的最外层电子数小于等于4,容易失去电子,表现出还原性,在1~118号元素当中,有80多种金属元素。
我们说金属暴露在空气中生锈了,是指金属和氧气发生氧化还原反应,生成了氧化物;铁比铜更容易生锈,原因是铁比铜更活波,而且铁生锈后生成的氧化物松散,会加快铁的腐蚀,铜生锈后的生成的氧化物非常致密,阻止了铜继续腐蚀。
这样的话,化学性质稳定的金属,肯定就不容易生锈;在大多数人的印象中,铂和金的化学性质稳定,常温下连王水都腐蚀不了。
但是铂和金并非完全不生锈,黄金制品在使用久了以后,表面也会失去光泽,然后需要“洗金”来恢复表面的光泽度,一般洗金用的液体正是王水,可以把被氧化的金溶解掉。
如此看来,金也并非不会生锈,只是生锈的速度非常慢而已;金在微电子领域有着重要应用,因为金还有两个超群的本领——优秀的延展性和导电性,加上金的化学性质稳定,使得金是导体中的最理想材料,无奈价格太高,无法普遍使用。
在众多金属中,化学性质还有比金更稳定的,比如金属钽和金属铱,金在常温下不和王水反应,但是随着温度的升高,金也会被王水和浓硫酸很快腐蚀掉。
金属钽
钽是最稳定的金属元素之一,熔点更是高达2996℃,在超低温下还保持着非常好的韧性,在高温下也保持着稳定的化学性质;科学研究发现,钽金属在200℃的浓硫酸中浸泡一年,腐蚀厚度只有0.006毫米,这是金远远不能比的。
金属铱
铱应该是最耐腐蚀的金属元素,熔点2410℃,哪怕在高温下,也能抵抗浓硫酸和王水的腐蚀,在1500℃的环境中,铱还保持着良好的金属特性,用铱做成的热电偶,能直接测量2000℃的高温,但是金属铱非常脆,这也限制了它的应用。
所以,绝对不生锈的金属是不存在的,只是生锈速度的快慢不同而已。
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