철의 부식, 철이 녹스는 것, 철의 산화 ★

철의 부식, 철이 녹스는 것, 철의 산화

 

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▶ 참고: 금속의 부식 [ https://ywpop.tistory.com/2895 ]

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금속의 부식 중, 대표적인 것이 철이 녹스는 것이다.

 

이때, 필요한 물질 2가지: 공기 中 산소(O2)와 물(H2O)

> 전자(e^-)는 Fe에서 물속의 O2로 직접 이동한다.

> 물은 Fe가 내놓은 전자를 O2에게 전달하는 매개체(전선) 역할을 한다.

( 참고 https://ywpop.blogspot.com/2023/09/blog-post_28.html )

 

 

 

 

> 산화 반쪽: 2Fe(s) → 2Fe^2+(aq) + 4e^-

> 환원 반쪽: O2(g) + 4H^+(aq) + 4e^- → 2H2O(l)

> 전체 반응: 2Fe(s) + O2(g) + 4H^+(aq) → 2Fe^2+(aq) + 2H2O(l)

 

 

 

여기서 환원 반응에 사용된 수소 이온(H^+)은 물이 아니라

이산화탄소와 물이 반응하여 만들어진 탄산이 이온화하여 생성된 것이다.

 

 

 

 

앞의 산화 반응 결과 생성된 Fe^2+ 이온은 한 번 더 산화된다. (Fe^2+ → Fe^3+)

 

 

 

 

철의 부식(산화) 결과 생성된 붉은 녹은 화학식이 Fe2O3•xH2O인 산화철(III)이다.

 

 

 

 

 

[ 그림 출처 ] Rust, the result of corrosion of metallic iron.

 

 

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> Fe와 O2 사이에 전자(e^-)가 교환(이동)되므로,

Fe와 반응하는 물질은 O2.

> 화학 반응이 일어나려면,

무엇보다 우선적으로 반응물들끼리 충돌해야 한다(만나야 한다).

> Fe는 고체이고, O2는 기체이므로,

기체인 O2가 고체인 Fe의 표면에 충돌하면,

거의 대부분의 O2는 튕겨 나간다.

---> 극히 일부 O2만이 Fe와 반응한다.

> 이 때문에 (H2O가 없는 조건이라면,)

철은 아주 천천히 녹이 슬 것이다.

 

> 그런데, 만약, Fe의 표면에 물(H2O)이 묻어있다면,

공기 중 O2가 이 물에 용해될 것이고,

이제 수용액 상태의 O2는 튕겨 나갈 일이 없으므로,

Fe와 충돌하는 O2는, 거의 대부분, Fe와 반응할 것이다.

---> 철은 보다 빨리 녹슬게 된다.

 

 

 

 

[참고] 철광석의 종류에는

적철광(Hematite, Fe2O3), 자철광(Magnetite, Fe3O4) 등이 있고,

이들 철광석의 주성분과 녹슨 철의 주성분은 같다.

 

적철석(hematite) 또는 적철광은

여러 산화철 가운데 하나인 산화철(III) (Fe2O3)의 광물의 일종이다.

 

 

 

 

[참고] Fe3O4의 산화수

3(Fe) + 4(–2) = 0

 

따라서

Fe = +8/3 이 아니고,

 

Fe3O4의 산화수는 예외로, 따로 외워야 한다. 왜냐하면,

Fe3O4 ≡ FeO•Fe2O3 이므로, +2가와 +3가, 둘 다 존재.

(+2) + 2(+3) = +8

( 참고: iron(II,III) oxide, Fe3O4 https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(II,III)_oxide )

 

 

 

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/10382 ] redox balance Fe + O2 → Fe2O3

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/19292 ] redox Fe + O2 → FeO

 

[ 관련 글 https://ywpop.tistory.com/3196 ] 제설제인 염화칼슘(CaCl2)이 철을 부식시켜 차량이 손상되는 이유.

 

[ 관련 글 https://ywpop.blogspot.com/2024/09/blog-post_8.html ] 철의 부식에서 산소의 환원 반응

O2 + 2H2O + 4e^- → 4OH^-

O2(g) + 2H2O(l) + 4e^- → 4OH^-(aq)

 

 

 

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