강철에 녹이 슬었습니다: 녹이 발생하는 이유와 효과적인 제거 방법

강철은 일상 생활과 생산에 없어서는 안 될 필수 요소이지만, 매년 녹으로 인해 전 세계적으로 손실되는 강철의 양은 어마어마합니다. 따라서 강철을 부식으로부터 보호하는 것은 매우 중요합니다.

강철이 녹슬게 되는 원리는 무엇인가요?

아래 그림과 같은 작은 실험을 통해 이를 살펴볼 수 있습니다: 첫 번째 시험관에 소량의 염화칼슘(공기 중의 수증기를 흡수하여 건조 역할을 함)을 추가하고 못을 삽입하여 시험관을 단단히 밀봉합니다.

두 번째 시험관에는 못을 삽입하고 끓여서 빠르게 식힌 증류수에 담근 다음 식물성 기름을 부어 수면에 기름 층을 형성합니다.

세 번째 시험관에는 못을 넣고 소량의 증류수를 추가하여 못의 일부가 잠기도록합니다. 세 개의 시험관에서 일주일 동안 정기적으로 현상을 관찰하고 기록합니다.

실험 결과에서 첫 번째와 두 번째 시험관의 못은 녹슬지 않았지만 세 번째 시험관의 못은 녹슬었고 못 표면에 적갈색 녹이 나타난 것을 볼 수 있습니다. 이것은 철이 녹슬려면 물과 산소가 필요하다는 것을 보여줍니다.

철과 철강 제품의 부식 과정은 복잡한 화학 반응입니다. 일반적으로 적갈색을 띠는 녹은 다양한 조건에서 다양한 형태로 나타납니다. 주로 수화철(III) 산화물(Fe2O3-nH2O)과 수산화철(III) [Fe(OH)3]로 구성됩니다. 강철 표면의 느슨한 녹 구조는 내부 철이 산소와 수증기에 노출되는 것을 방지하지 못하여 궁극적으로 철이 완전히 녹슬게 됩니다.

철제 표면의 녹을 제거하는 방법을 알고 계신가요?

일반적인 녹 제거 방법은 물리적 방법과 화학적 방법의 두 가지로 나뉩니다. 물리적 방법은 일반적으로 사포, 연마 휠, 강철 와이어 브러시 및 스틸 울을 사용하여 녹을 제거하는 연마 기술을 포함합니다. 화학적 방법은 산과 녹이 반응하여 녹을 제거하는 방법으로, 녹 제거를 목적으로 합니다.

실제로 철강 제품을 물과 산소로부터 격리하면 녹을 예방할 수 있습니다. 따라서 녹을 방지하는 가장 간단한 방법은 철강 제품의 표면을 깨끗하고 건조하게 유지하는 것입니다. 오일, 페인트, 에나멜 또는 플라스틱 코팅을 사용하여 표면에 보호막을 형성하여 녹을 방지할 수도 있습니다.

일상 생활에서는 차체나 양동이 같은 물체에 페인트를 칠하는 경우가 많고, 기계에는 미네랄 오일을 코팅해야 합니다.

또한 전기 도금 또는 용융 코팅과 같은 방법을 사용하여 아연, 주석, 크롬 또는 니켈과 같은 녹에 강한 금속 층을 강철 표면에 적용할 수 있습니다. 이러한 금속 고밀도 산화막을 생성하여 철을 물과 공기로부터 분리하여 녹이 슬지 않도록 방지합니다.

또한 일반 강철에 크롬이나 니켈을 첨가하여 스테인리스강을 생산하는 등 강철을 합금하여 내부 구조를 변경함으로써 강철 제품의 녹에 대한 내성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 녹 제거제는 주로 염산과 묽은 황산을 함유하고 있으며, 이는 산화철과 반응할 수 있습니다. 반응 방정식은 다음과 같습니다:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

녹 제거제는 녹과 불순물 층의 균열을 통해 강철 표면에 침투하여 이러한 층을 녹이고 벗겨내어 강철 표면에서 녹, 불순물 및 산화피막을 제거합니다. 하지만 산은 부식성이 있으므로 녹을 제거하는 동안 보호 복을 착용해야 합니다.

또한 산과 철의 반응은 화염에 노출되면 폭발할 수 있는 수소를 생성하므로 녹 제거 작업 중에는 흡연을 엄격히 금지합니다.

염산과 묽은 황산은 모두 산화철과 반응할 수 있지만 산업용 녹 제거에는 어떤 것이 더 좋을까요?

주요 고려 사항은 녹 제거 효율성, 산의 생산 비용, 산의 운송 및 보관, 안전 및 환경 보호입니다.

염산과 황산 중 어느 것이 녹 제거에 더 효과적일까요? 녹슨 못을 같은 부피와 수소 이온 농도의 염산과 황산에 넣어 실험한 결과, 염산이 녹 제거에 더 효과적이라는 사실을 발견했습니다. 실험 결과 다른 모든 조건이 동일할 때 묽은 황산과 금속 산화물의 반응 속도는 염산보다 느린 것으로 나타났습니다.

그렇다면 생산, 운송, 안전한 사용 측면에서 염산과 황산 중 어느 것이 더 유리할까요? 염산의 산업적 제조에는 포화 염수를 전기 분해하여 수소와 염소 가스를 생성하는 것이 포함됩니다. 이 가스는 반응하여 염화수소를 형성하고, 이 염화수소는 물에 흡수되어 염산을 형성합니다.

염화수소는 물에 무한정 녹을 수 없기 때문에 농축 염산의 용질 질량 분율은 최대 약 37%입니다. 반면 황산은 황철광을 고온에서 구워 이산화황을 생성하고, 이 이산화황이 산소와 반응하여 삼산화황을 형성하여 만들어집니다. 삼산화황은 농축 황산에 흡수되어 올레움을 형성한 다음 물을 첨가하여 황산으로 전환됩니다.

따라서 원료, 제조 공정 및 환경 영향 측면에서 염산이 황산보다 우수합니다. 농축 염산은 밀폐된 유리병이나 플라스틱 통에 보관하고 고무가 깔린 특수 제작된 강철 탱커 트럭으로 운송해야 합니다.

농축 황산은 최대 98%의 질량 분율을 가질 수 있으며 강철 또는 알루미늄 용기를 사용하여 보관 및 운송을 용이하게 할 수 있습니다. 이 점에서 황산은 염산보다 강합니다.

용질 질량 분율이 큰 염산은 휘발성이 있으며 증발된 염화수소 가스는 인체에 강한 자극 및 부식성 영향을 미치는 반면, 용질 질량 분율이 낮은 염산은 상대적으로 안정적입니다.

농축 황산은 사용하기 전에 희석해야 합니다. 이렇게 희석하면 상당한 양의 열이 발생하여 쉽게 화상을 입을 수 있습니다. 또한 농축 황산의 부식성은 농축 염산의 부식성보다 훨씬 강합니다. 이를 통해 염산을 사용하는 것이 더 안전하다는 것을 유추할 수 있습니다.

위의 정보를 바탕으로 염산이 더 나은 녹 제거 효과, 더 낮은 비용, 더 안전한 사용법을 제공한다는 것을 알 수 있습니다.

또한 화학 실험실에서 비교적 환경 친화적인 녹 제거제를 만들 수도 있습니다. 첫 번째 단계는 구연산 18g, 덱스트린 0.8g, 몰리브덴산나트륨 3g, 인산 1.1g, 물 60g을 혼합 탱크에 넣고 실온에서 30분 동안 골고루 저어주는 것입니다.

두 번째 단계에서는 글리세린 8g을 혼합 용액에 첨가하고 실온에서 25r/min의 교반 속도로 10분 동안 균일하게 교반합니다. 세 번째 단계에서는 혼합 용액에 요오드화 나트륨 0.06g을 첨가하고 실온에서 25r/min의 교반 속도로 30분 동안 균일하게 교반합니다.

염산과 묽은 황산을 구연산으로 대체하면 현재 환경을 오염시키는 녹 제거제의 문제를 해결할 수 있습니다. 글리세린은 금속 표면에 대한 녹 제거제의 접착력을 향상시킬 수 있습니다. 또한이 녹 제거제는 녹을 제거 할뿐만 아니라 녹 방지 특성도 있습니다.

강철이 녹슬면 금속 자원이 손실되지만, 이 과정에는 장점도 있습니다. 예를 들어, 제과 포장에 자주 사용되는 산소 흡수제의 핵심 성분인 철분은 녹의 원리를 활용하여 산소를 소비함으로써 식품의 부패를 방지합니다.

게다가 철이 녹슬면 발열 반응이 일어납니다. 이 현상을 활용하여 "가열 패치"를 만들 수 있습니다. 가열 패치의 주요 구성 요소에는 철분, 질석, 활성탄, 무기염(식탁용 소금 등) 및 물이 포함됩니다. 자연 상태에서는 철의 산화 반응 속도가 느립니다.

이 반응을 가속화하기 위해 표면적이 넓은 미세 철 분말이 사용됩니다. 활성탄의 역할은 반응을 촉진하는 1차 셀을 형성하는 동시에 강력한 흡착력으로 느슨한 구조에 물을 저장하는 것입니다. 무기염은 활성탄과 함께 작용하여 1차 셀을 형성하고 반응을 촉진합니다. 철-마그네슘 알루미노규산염 광물인 질석은 열 저장 매체 역할을 합니다.

화학 실험실에서 이러한 발열 패치를 직접 만들 수 있습니다. 철분, 활성탄, 식탁용 소금, 질석을 5:2:2:2의 질량 비율로 섞으면 됩니다. 이 혼합물(질석은 선택 사항)을 비커에 붓고 물 몇 방울을 추가한 다음 유리 막대로 완전히 섞습니다.

그런 다음 부직포 백에 포장하고 자체 밀봉 백(또는 플라스틱 실러 사용)에 밀봉합니다. 필요할 때 꺼내서 사용할 수 있습니다. 철분과 활성탄의 입자가 미세할수록(철분은 100메시, 활성탄은 150메시가 이상적) 반응이 빨라지고 온도 상승이 더 두드러진다는 점에 유의해야 합니다.