金屬的電化學腐蝕

　　許多的材料會與週遭環境產生交互作用而造成材質的破壞甚至解體，這樣的現象稱為「腐蝕」（corrosion）。例如家中的鐵鍋，用久了會生鏽，就是一種腐蝕。腐蝕產生的原因可以是化學或電化學反應。一般來說，金屬的腐蝕大都與電化學有關，本文將對金屬的「電化學腐蝕」加以介紹。

　　電化學腐蝕產生的機制與電化學電池息息相關，因此本文先從電池的工作原理開始講述。圖一為一個簡單的電池架構示意圖。這個電池包含兩種不同金屬材料（M₁與M₂）的電極，並用一條導線連接。當這兩個電極被插入一杯帶有M₁與M₂的離子（M₁⁺與M₂⁺）的電解液時，由於這兩個電極材料的電化學特性（氧化還原電位）不同，因此其中一個電極（M₁）會失去電子，並被溶解（解離）於電解液中成為帶正電的M₁⁺離子。這種反應被稱為「氧化」反應（失去電子的化學反應被稱為氧化反應，其對應的電極被稱為陽極）。前述的電子會藉由導線傳送到另一個電極，使其帶負電，並吸引溶液中的M₂⁺離子「還原」（得到電子的化學反應被稱為還原反應，其對應的電極被稱為陰極）成M₂原子並吸附在此電極上。在這個電池中，陽極會因為不斷的解離而被破壞，因而越來越小，這種破壞的行為就是一種電化學腐蝕。而陰極則不會變小因而不會被腐蝕。

　　一般材料的電化學腐蝕機制與上述的電池反應接近，需要陰極與導電環境。不過，一般存放金屬的環境中不會刻意放入這種金屬的離子，對陽極而言，由於是金屬解離，所以環境沒有金屬離子仍然可以解離；但是陰極附近若沒有金屬離子，則無法讓此種離子還原。因此常見的電化學腐蝕環境中的陰極反應與前述的電池不同。一般來說，材料最容易接觸到的外在環境是水與空氣。由於空氣中會有水汽，所以無論材料是否存放於水溶液中，其表面都會有水（作為電解液）附著。一般電化學腐蝕中的陰極反應是讓水產生氫氣與OH⁻離子；其中前者會散失在空氣中，而後者則會殘留在水中。再來是空氣，空氣中的主要成分是氮氣與氧氣，其中氮氣化學活性（與其他物質產生化學反應的能力指標）低而氧氣化學活性高，因此只需考慮氧氣。氧氣可以溶於水，而陰極在含氧的水中會反應產生OH⁻離子。換言之，自然環境中的電化學腐蝕與環境中水及氧氣的含量有關，因此在乾燥且低氧的的環境中，金屬較不容易被腐蝕。此外，環境中存在的各種離子如OH⁻、Cl⁻等，都可能影響電化學反應因而改變腐蝕的程度。在後文中，我將介紹幾種常見的腐蝕現象及腐蝕的防範。此外，為了簡化描述，本文後續只討論金屬在含有氧及水的環境中（實際的狀況可能會有所不同）所產生的腐蝕。

　　理論上，同一種材質的金屬，所有區域的電化學特性相同，無法產生陰陽兩極所以不會有電化學腐蝕。但實際上，一塊金屬的表面可能會有雜質、表面粗造度不均勻等因素使得其局部的電化學特性有所改變；再加上金屬所處的環境也可能不是完全均勻，例如有的地方溫度特別高，因此當單一金屬處於腐蝕環境中，可能出現局部的電化學特性不同，造成局部區域出現陰陽兩極，如圖二之示意圖所示。由於金屬是導體，本身就可以讓電子在這兩極間傳輸，因此局部陽極區域就會產生腐蝕。許多的金屬管線都是由同一種材質構成，它們的腐蝕現象，如生鏽，就是屬於這種類型。

　　這種腐蝕也稱為「賈凡尼腐蝕」（galvanic corrosion），它是指當兩塊不同種類的金屬相接觸，並置於腐蝕環境中所造成的腐蝕。由於金屬相接觸所以可以導電，且兩種金屬的電化學特性必然不同，所以會有陰陽兩極。與前述的電池反應類似，陽極金屬會產生腐蝕，而陰極則不會。例如，圖三（a）為一白鐵（鍍鋅鐵）的腐蝕現象的示意圖。在此例中，由於鋅會成為陽極而會被腐蝕；而鐵則是陰極不會被腐蝕。換言之，鍍鋅（鋅作為消耗材料）可以防止鐵被腐蝕，而且就算鐵有的地方沒被鋅鍍到或有破損，鐵依舊是陰極，因此仍然具有防護的作用。這就是白鐵不容易生鏽的原因。反過來說，若鍍的材料讓鐵成為陽極則會加速鐵的腐蝕，例如圖二（b）所示的馬口鐵（鍍錫鐵）的腐蝕現象。在此例中，由於鐵會成為陽極，因此若錫沒辦法完全覆蓋住鐵讓其暴露在腐蝕環境中，鐵很快就會生鏽了。

　　如前述，氧氣會參與電化學腐蝕中的陰極反應。若將金屬置放於吸收了氧氣的溶液中會有較強烈的腐蝕，這種現象稱為氧吸收腐蝕。例如，圖四顯示一鐵—銅相接的金屬塊置放於一含氧的鹽水中的腐蝕之概念示意圖。在此例中，銅是陰極所以不會被腐蝕，但是由於氧的存在增強了陰極的反應，使得陽極的鐵被腐蝕的更加嚴重。此外，若氧氣在溶液中的分布不均勻導致空間上的濃度差異，則會使得不同區域的腐蝕程度不同，這種現象稱為「氧濃度差腐蝕」。在含氧的腐蝕環境中，由於氧參與的是陰極反應，所以氧濃度高的區域會傾向於成為陰極而較不容易腐蝕；相對的，氧濃度低的地方，則會傾向於成為陽極，而有較強烈的腐蝕。比方說，船在海上航行時，船埋在海水中的區域都會產生腐蝕，但是由於越接近海面的海水越有機會溶解空氣中的氧氣，使得海水中氧的濃度會隨著深度增加而減少；因此，船底接觸到的海水之含氧量會比船壁接觸到的海水之含氧量來得低。因此，船底會比較容易形成陽極，造成較強烈的腐蝕（也就是生鏽），這就是典型的氧濃度差腐蝕現象。

　　除了前述的腐蝕現象外，腐蝕還會受其他的因素，如溫度、壓力等的影響而而改變，同時各種腐蝕行為也有可能同時發生，並互相影響。因此，防範腐蝕要考慮的因素眾多，圖五列出了一些防範金屬腐蝕的方法。大體而言，這些方法可以分成三大類，首先是「環境處理之防蝕」，也就是讓環境不容易發生腐蝕，例如降低環境濕度。再來是「金屬材料之選擇」，也就是在價格許可的範圍內盡量選擇不容易腐蝕的金屬作為原料。最後是「隔絕環境之防蝕」，也就是讓金屬與腐蝕環境隔離，例如在金屬上塗上防鏽油。實務上，也可以同時使用多種的防蝕方法，以達到最佳的防蝕效果。

　　腐蝕是造成許多器械與設備損壞的主要原因之一。因此，探索各種腐蝕發生的原因，並進一步開發出適當的防蝕技術可以延長器械與設備的壽命。如此，不但可以減少維修或購買新的設備所耗損的金錢，同時也可降低生產新設備所需的資源耗損，並減少丟棄損壞設備所產生的垃圾。因此，無論從經濟或是環保的角度，都值得投入資源進行各種新式防蝕技術的開發與探索。

1. 吳溪煌校閱；田福助編著（2020）。電化學──理論與應用（8版13刷）。新北市：高立圖書有限公司。
2. https://www.researchmfg.com/2020/07/corrosion-03/.
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%85%90%E8%9A%80.

註：本文獲得〝財團法人國立自然科學博物館文教基金會科普寫作網路平台〞審稿通過。