第17章電気化学

17.6 Corrosion17.6　腐食

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:

この節を学び終えると、次のことができるようになる。

Define corrosion
腐食を定義する。
List some of the methods used to prevent or slow corrosion
腐食を防ぐ、または遅らせるために使う方法をいくつか挙げる。

Corrosion is usually defined as the degradation of metals by a naturally occurring electrochemical process. The formation of rust on iron, tarnish on silver, and the blue-green patina that develops on copper are all examples of corrosion. The total cost of corrosion remediation in the United States is significant, with estimates in excess of half a trillion dollars a year.

英語のヒント

腐食は通常、自然に起こる電気化学的過程による金属の劣化と定義される。鉄にさびができること、銀が変色すること、銅に青緑色の緑青が生じることは、いずれも腐食の例である。米国での腐食対策にかかる総費用は莫大で、年間5000億ドルを超えると推定されている。

Statue of Liberty: Changing Colors自由の女神像：色の変化

The Statue of Liberty is a landmark every American recognizes. The Statue of Liberty is easily identified by its height, stance, and unique blue-green color (Figure 17.15). When this statue was first delivered from France, its appearance was not green. It was brown, the color of its copper “skin.” So how did the Statue of Liberty change colors? The change in appearance was a direct result of corrosion. The copper that is the primary component of the statue slowly underwent oxidation from the air. The oxidation-reduction reactions of copper metal in the environment occur in several steps. Copper metal is oxidized to copper(I) oxide (Cu₂O), which is red, and then to copper(II) oxide, which is black

英語のヒント

自由の女神像は、すべての米国人が知っている象徴的な建造物である。その高さ、姿勢、独特の青緑色によって容易に見分けられる（図17.15）。この像が最初にフランスから届けられたとき、その外観は緑色ではなかった。銅の「皮膚」の色である茶色だった。では、自由の女神像はどのように色を変えたのだろうか。この外観の変化は、腐食の直接の結果であった。像の主成分である銅は、空気によってゆっくりと酸化された。環境中での金属銅の酸化還元反応はいくつかの段階で起こる。金属銅は酸化されて赤色の酸化銅(I)（Cu₂O）となり、次いで黒色の酸化銅(II)となる。

2Cu (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Cu}_{2} O (s) (red)

2Cu (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Cu}_{2} O (s) (赤色)

{Cu}_{2} O (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ 2CuO (s) (black)

{Cu}_{2} O (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ 2CuO (s) (黒色)

Coal, which was often high in sulfur, was burned extensively in the early part of the last century. As a result, atmospheric sulfur trioxide, carbon dioxide, and water all reacted with the CuO

英語のヒント

前世紀の初めには、硫黄を多く含むことの多い石炭が大量に燃やされていた。その結果、大気中の三酸化硫黄、二酸化炭素、水がすべてCuOと反応した。

2CuO (s) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {CO}_{3} {(OH)}_{2} (s) (green)

2CuO (s) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {CO}_{3} {(OH)}_{2} (s) （緑色）

3CuO (s) + {2CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{3} {{(CO}_{3})}_{2} {(OH)}_{2} (s) (blue)

3CuO (s) + {2CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{3} {{(CO}_{3})}_{2} {(OH)}_{2} (s) （青色）

4CuO (s) + {SO}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{4} {SO}_{4} {(OH)}_{6} (s) (green)

4CuO (s) + {SO}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{4} {SO}_{4} {(OH)}_{6} (s) （緑色）

These three compounds are responsible for the characteristic blue-green patina seen on the Statue of Liberty (and other outdoor copper structures). Fortunately, formation of patina creates a protective layer on the copper surface, preventing further corrosion of the underlying copper. The formation of the protective layer is called passivation, a phenomenon discussed further in another chapter of this text.

英語のヒント

この三つの化合物が、自由の女神像（および他の屋外の銅製構造物）に見られる特徴的な青緑色の緑青を生じさせる。幸いにも、緑青ができると銅表面に保護層が形成され、その下の銅の腐食がさらに進むのを防ぐ。この保護層の形成は不動態化と呼ばれ、本書の別の章でさらに説明する現象である。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 17.15図 17.15

(a) The Statue of Liberty is covered with a copper skin, and was originally brown, as shown in this painting. (b) Exposure to the elements has resulted in the formation of the blue-green patina seen today.

英語のヒント

(a) 自由の女神像は銅の皮膚で覆われており、この絵画に示すように、元は茶色だった。(b) 風雨などにさらされた結果、現在見られる青緑色の緑青が形成された。

Perhaps the most familiar example of corrosion is the formation of rust on iron. Iron will rust when it is exposed to oxygen and water. Rust formation involves the creation of a galvanic cell at an iron surface, as illustrated in Figure 17.15. The relevant redox reactions are described by the following equations:

腐食の最も身近な例は、おそらく鉄のさびの形成である。鉄は酸素と水にさらされるとさびる。図17.15に示すように、さびの形成には鉄表面でのガルバニ電池の形成が関与する。関係する酸化還元反応は、次の式で表される。

\begin{matrix} anode: & Fe (s) ⟶ {Fe}^{2+} (a q) + 2 e^{−} & E_{{Fe}^{2+} /Fe}^{°} & = & −0.44 V \\ cathode: & O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + 4 e^{−} ⟶ 2 H_{2} O (l) & E_{O_{2} {/O}^{2}}^{°} & = & +1.23 V \\ overall: & 2Fe (s) + O_{2} (g) + {4H}^{+} (a q) ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) + 2 H_{2} O (l) & E_{cell}^{°} & = & +1.67 V \end{matrix}

\begin{matrix} アノード： & Fe (s) ⟶ {Fe}^{2+} (a q) + 2 e^{−} & E_{{Fe}^{2+} /Fe}^{°} & = & −0.44 V \\ カソード： & O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + 4 e^{−} ⟶ 2 H_{2} O (l) & E_{O_{2} {/O}^{2}}^{°} & = & +1.23 V \\ 全体： & 2Fe (s) + O_{2} (g) + {4H}^{+} (a q) ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) + 2 H_{2} O (l) & E_{cell}^{°} & = & +1.67 V \end{matrix}

Further reaction of the iron(II) product in humid air results in the production of an iron(III) oxide hydrate known as rust:

生成した鉄(II)が湿った空気中でさらに反応すると、さびとして知られる酸化鉄(III)の水和物を生じる。

4 {Fe}^{2+} (a q) + O_{2} (g) + (4 + 2 x) H_{2} O (l) ⟶ 2 {Fe}_{2} O_{3} · x H_{2} O (s) + 8 H^{+} (a q)

The stoichiometry of the hydrate varies, as indicated by the use of x in the compound formula. Unlike the patina on copper, the formation of rust does not create a protective layer and so corrosion of the iron continues as the rust flakes off and exposes fresh iron to the atmosphere.

英語のヒント

化合物の式にxが使われていることが示すように、この水和物の化学量論は変化する。銅の緑青とは異なり、さびができても保護層は形成されないため、さびが薄片となって剥がれ落ち、新しい鉄が大気にさらされるにつれて、鉄の腐食は進み続ける。

「鉄」と表示された灰色の長方形の上面と下面に、「塗膜」と表示された薄い紫色の層がある。図の左上では、上側の紫色の層の隙間に「カソード部位」と表示されている。その隙間の上に「水」と表示された青い滴がある。滴の上方の空間から、灰色の領域の表面を通って水滴の中へ曲がった矢印が伸び、根元に「O₂」、先端に「H₂O」とある。灰色の領域の右側の下面にも隙間があり、紫の層の下の灰色の領域が一部失われている。水滴がこの隙間を覆い、灰色の長方形内の空所まで入り込んでいる。滴の中央に「Fe²⁺」とあり、下方の灰色領域の端からその表示へ曲がった矢印が向く。Fe²⁺の矢印から、滴の端にある紫の層の下面のさび色の塊へ、二本目の曲がった矢印が伸びる。滴の外のO₂から、滴の中を通ってさび色の塊へ、曲がった矢印が伸びる。図の右下の灰色の領域には「アノード部位」とある。アノード部位からカソード部位へ矢印が伸び、「e⁻」と表示されている。 — Figure 17.16図 17.16
Corrosion can occur when a painted iron or steel surface is exposed to the environment by a scratch through the paint. A galvanic cell results that may be approximated by the simplified cell schematic Fe(s) | Fe²⁺(aq) ||O₂(aq), H₂O(l) | Fe(s).
塗装された鉄や鋼の表面が、塗膜を貫く傷によって環境にさらされると、腐食が起こることがある。ガルバニ電池が形成され、簡略な電池の模式表記Fe(s) | Fe²⁺(aq) ||O₂(aq), H₂O(l) | Fe(s)で近似的に表せる。

One way to keep iron from corroding is to keep it painted. The layer of paint prevents the water and oxygen necessary for rust formation from coming into contact with the iron. As long as the paint remains intact, the iron is protected from corrosion.

英語のヒント

鉄の腐食を防ぐ方法の一つは、塗装を保つことである。塗膜は、さびの形成に必要な水と酸素が鉄に接触するのを防ぐ。塗膜が損なわれずに保たれる限り、鉄は腐食から守られる。

Other strategies include alloying the iron with other metals. For example, stainless steel is an alloy of iron containing a small amount of chromium. The chromium tends to collect near the surface, where it corrodes and forms a passivating an oxide layer that protects the iron.

英語のヒント

別の方法には、鉄を他の金属と合金にすることがある。たとえば、ステンレス鋼は少量のクロムを含む鉄の合金である。クロムは表面近くに集まる傾向があり、そこで腐食して、鉄を保護する不動態化の酸化物層を形成する。

Iron and other metals may also be protected from corrosion by galvanization, a process in which the metal to be protected is coated with a layer of a more readily oxidized metal, usually zinc. When the zinc layer is intact, it prevents air from contacting the underlying iron and thus prevents corrosion. If the zinc layer is breached by either corrosion or mechanical abrasion, the iron may still be protected from corrosion by a cathodic protection process, which is described in the next paragraph.

英語のヒント

鉄などの金属は、亜鉛めっきによっても腐食から守ることができる。これは、守る金属を、より酸化されやすい金属、通常は亜鉛の層で覆う過程である。亜鉛層が損なわれていないときは、その下の鉄に空気が接触するのを防ぎ、それによって腐食を防ぐ。亜鉛層が腐食や機械的な摩耗によって破られても、次の段落で説明するカソード防食の過程によって、鉄は引き続き腐食から守られることがある。

Another important way to protect metal is to make it the cathode in a galvanic cell. This is cathodic protection and can be used for metals other than just iron. For example, the rusting of underground iron storage tanks and pipes can be prevented or greatly reduced by connecting them to a more active metal such as zinc or magnesium (Figure 17.17). This is also used to protect the metal parts in water heaters. The more active metals (lower reduction potential) are called sacrificial anodes because as they get used up as they corrode (oxidize) at the anode. The metal being protected serves as the cathode for the reduction of oxygen in air, and so it simply serves to conduct (not react with) the electrons being transferred. When the anodes are properly monitored and periodically replaced, the useful lifetime of the iron storage tank can be greatly extended.

英語のヒント

金属を保護するもう一つの重要な方法は、その金属をガルバニ電池のカソードにすることである。これがカソード防食で、鉄以外の金属にも使える。たとえば、地下の鉄製貯蔵タンクや配管のさびは、亜鉛やマグネシウムなど、より活性な金属につなぐことで防止したり、大幅に減らしたりできる（図17.17）。この方法は、給湯器の金属部分の保護にも使われる。より活性な金属（還元電位が低いもの）は、アノードで腐食（酸化）して消費されるため、犠牲アノードと呼ばれる。保護される金属は、空気中の酸素が還元されるカソードとして働き、そのため移動する電子を伝導するだけで、電子と反応することはない。アノードを適切に監視し、定期的に交換すれば、鉄製貯蔵タンクの使用可能な寿命を大幅に延ばせる。

地下貯蔵タンク系の模式図である。地中には縦向きの金属製タンクのような構造があり、「犠牲アノード」と表示されている。このタンク上にはMg、右向き矢印、Mg²⁺が順に記されている。タンク中央から黒い線が上へ伸びるが、地中にとどまる。続いて水平の黒い線分が地中を右へ伸び、その下には2e⁻と、それに続く右向き矢印がある。縦の黒い線分が下方へ伸び、「保護される物体（カソード）」と表示された横向きの灰色のタンクにつながる。タンク上には2e⁻があり、そこからタンク下の地面へ矢印が向く。その下には「2H⁺ + O₂ → 2H₂O」とある。 — Figure 17.17図 17.17
Cathodic protection is a useful approach to electrochemically preventing corrosion of underground storage tanks.
カソード防食は、地下貯蔵タンクの腐食を電気化学的に防ぐための有用な方法である。

第17章電気化学

17.6 Corrosion17.6 腐食

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