鉄のさび：さびが発生する理由と効果的な除去方法

鉄鋼は私たちの日常生活や生産に欠かせないものであるが、毎年、錆によって世界中で失われる鉄鋼の量は膨大である。それゆえ、鋼鉄を腐食から守ることは重要な意味を持つ。

鉄が錆びる原理とは？

下図に示すような小さな実験を通して、これを探ることができる：最初の試験管に少量の塩化カルシウム（空気中の水蒸気を吸収し、乾燥の役割を果たす）を加え、釘を差し込んで試験管をしっかりと密閉する。

つ目の試験管に釘を差し込み、沸騰させて急速に冷ました蒸留水に沈め、植物油を注いで水面に油層を形成させる。

3本目の試験管には釘を入れ、釘の一部が浸るように少量の蒸留水を加える。つの試験管の現象を1週間定期的に観察し、記録する。

実験の結果から、1本目と2本目の試験管の釘は錆びなかったが、3本目の試験管の釘は錆び、釘の表面に赤茶色の錆が現れた。これは、鉄の錆びには水と酸素の関与が必要であることを示している。

鉄鋼製品の腐食プロセスは複雑な化学反応である。一般的に赤褐色の錆は、様々な条件下で様々な形態をとる。主に水和酸化鉄（III）（Fe2O3・nH2O）と水酸化鉄（III）［Fe（OH）3］から成る。鋼鉄表面の錆の緩い構造は、内部の鉄が酸素や水蒸気にさらされるのを防ぐことができず、最終的に鉄の完全な錆につながる。

鉄の表面の錆を落とす方法をご存知ですか？

一般的な錆び落とし方法は、物理的方法と化学的方法の2つに分類される。物理的方法は一般的に研磨技術を伴い、サンドペーパー、砥石、スチール・ワイヤー・ブラシ、スチール・ウールなどを使って錆を除去する。化学的方法は、酸と錆の反応を利用し、錆を除去することを目的とする。

実際、鉄鋼製品を水や酸素から隔離しておけば、錆びを防ぐことができる。したがって、錆を防ぐ最も簡単な方法は、鉄鋼製品の表面を清潔で乾燥した状態に保つことである。防錆は、油、塗料、エナメル、プラスチック・コーティングなどで表面に保護層を形成することによっても達成できる。

日常生活では、車のボディやバケツのような対象物には塗装などの措置が頻繁に施され、機械には鉱物油のコーティングが必要である。

さらに、亜鉛、スズ、クロム、ニッケルなどの防錆金属の層を鋼鉄表面に塗布するために、電気めっきや溶融めっきなどの方法を使用することができる。これらは 金属 酸化皮膜の緻密な層を作り、鉄を水や空気から遮断して錆びを防ぐ。

さらに、鋼材を合金化して内部構造を変化させることもできる。例えば、普通鋼にクロムやニッケルを添加してステンレス鋼を製造することで、鋼材の耐錆性を効果的に高めることができる。

日常生活でよく使われるサビ取り剤には、主に塩酸と希硫酸が含まれており、これらは酸化鉄と反応することがある。反応式は以下の通りである：

フェ₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
フェ₂O₃+3H₂SO₄=フェ₂(SO₄)₃+3H₂O

サビ取り剤は、サビや不純物層の割れ目から鋼鉄表面に浸透し、これらの層を溶解・剥離させることで、鋼鉄表面のサビや不純物、酸化皮膜を除去する。ただし、酸には腐食性があるため、錆び落としの際には保護服が必要である。

さらに、酸と鉄の反応によって水素が発生するが、水素は裸火にさらされると爆発する可能性があるため、錆び落とし作業中の喫煙は厳禁である。

塩酸と希硫酸はどちらも酸化鉄と反応しますが、工業用の錆落としにはどちらが適しているのでしょうか？

主な考慮点は、錆の除去効率、酸の製造コスト、酸の輸送と保管、安全性と環境保護である。

塩酸と硫酸、どちらが錆び落としに効果的か？塩酸と硫酸の体積と水素イオン濃度を等しくした中に錆びた釘を入れると、塩酸の方が錆び落としに効果的であることがわかった。また、他の条件がすべて同じであれば、希硫酸と金属酸化物との反応速度は、塩酸の反応速度よりも遅いことも実験からわかっています。

では、製造、輸送、安全な使用という点で、塩酸と硫酸はどちらが有利なのだろうか？工業的に塩酸を製造するには、飽和食塩水を電気分解して水素と塩素ガスを発生させる。このガスが反応して塩化水素となり、水に吸収されて塩酸となる。

塩化水素は水に無限に溶けることはできないので、濃塩酸の溶質分率は最大でも37%程度である。一方、硫酸は黄鉄鉱を高温で焙焼して二酸化硫黄を生成し、この二酸化硫黄が酸素と反応して三酸化硫黄を生成する。三酸化硫黄は濃硫酸に吸収されてオレウムとなり、水を加えて硫酸となる。

したがって、原料、調製工程、環境への影響という点で、塩酸は硫酸よりも優れている。濃塩酸は、密閉されたガラス瓶やプラスチック製の樽に貯蔵され、ゴムで内張りされた特製のスチール製タンクローリーで輸送されなければならない。

濃硫酸の質量分率は最大98%であり、スチールやアルミニウムの容器を使用することで貯蔵や輸送が容易になる。この点で、硫酸は塩酸よりも強い。

溶質の質量分率が大きい塩酸は揮発性があり、蒸発した塩化水素ガスは人体に対して強い刺激性と腐食性を持つが、溶質の質量分率が小さい塩酸は比較的安定である。

濃硫酸は使用前に希釈する必要がある。この希釈はかなりの量の熱を発生させるため、火傷を引き起こしやすい。また、濃硫酸の腐食性は濃塩酸よりもはるかに強い。このことから、塩酸の方が安全であることが推測できる。

以上の情報から、塩酸の方が錆び落とし効果が高く、コストが安く、安全であることがわかる。

さらに、化学実験室で比較的環境に優しい錆び取り剤を作ることもできる。まず、クエン酸18g、デキストリン0.8g、モリブデン酸ナトリウム3g、リン酸1.1g、水60gを混合タンクに入れ、室温で30分間均一に撹拌する。

第二段階では、8gのグリセリンを混合溶液に添加し、室温で10分間、25r/minの攪拌速度で均一に攪拌する。第三段階では、0.06gのヨウ化ナトリウムを混合溶液に添加し、室温で30分間、25r/minの攪拌速度で均一に攪拌する。

塩酸と希硫酸をクエン酸に置き換えることで、錆び取り剤が環境を汚染するという現在の問題を解決することができる。グリセリンは、金属表面への錆び取り剤の接着性を高めることができる。さらに、この除錆剤は錆を除去するだけでなく、防錆効果もある。

鉄の錆は金属資源の損失をもたらすが、その一方でメリットもある。例えば、お菓子の包装によく使われる脱酸素剤の主成分である鉄粉は、錆びる原理を利用して酸素を消費し、食品の腐敗を防ぐ。

さらに、鉄の錆びは発熱反応である。この現象を利用して、"加熱パッチ "が製造されている。ヒーティングパッチの主成分は、鉄粉、バーミキュライト、活性炭、無機塩（食卓塩など）、水などである。自然条件下では、鉄の酸化反応の速度は遅い。

この反応を促進するために、表面積の大きい微細な鉄粉が使用される。活性炭の役割は、一次電池を形成して反応を促進させるとともに、その強力な吸着力により、緩い構造の中に水を蓄えることである。無機塩類は活性炭と協力して一次セルを形成し、反応を促進する。鉄マグネシウムアルミノケイ酸塩鉱物であるバーミキュライトは、蓄熱媒体として機能する。

化学実験室では、この加熱パッチを自分たちで作ることができる。鉄粉、活性炭、食卓塩、バーミキュライトを5：2：2：2の質量比で混ぜ合わせる。この混合物（バーミキュライトはオプション）をビーカーに注ぎ、数滴の水を加え、ガラス棒で十分に混ぜる。

その後、不織布の袋に詰め、セルフシーリングバッグで密封する（またはプラスチックシーラーを使用する）。必要なときに取り出して使用する。なお、鉄粉と活性炭の粒子が細かいほど（鉄粉は100メッシュ、活性炭は150メッシュが理想）、反応が速く、温度上昇が顕著になる。