Гвоздь во дворе и кольцо в шкатулке
Оставь железный гвоздь на улице под дождём. Через неделю он покроется рыжими пятнами, через месяц — коростой, через год начнёт крошиться.
А теперь возьми золотое кольцо. Его можно ронять в лужу, забывать в кармане, закапывать в землю — оно останется жёлтым и блестящим. Золотые украшения, которые пролежали в египетских гробницах три тысячи лет, достают из земли практически такими же, какими их туда положили.
Почему одному металлу всё равно, а другой разваливается? Дело не в прочности: железо намного твёрже золота. Дело в жадности до кислорода.
Ржавчина — это не грязь
Первое, что стоит понять: ржавчина не садится на железо сверху, как пыль. Ржавчина и есть железо — просто уже соединившееся с кислородом и водой.
Атомы железа отдают свои электроны атомам кислорода, сцепляются с ними, и получается новое вещество — оксид железа, рыжий и рыхлый. Металла становится меньше, ржавчины больше. Гвоздь, который «проржавел насквозь», не покрылся ржавчиной — он в неё превратился.
Проверить это можно взвешиванием: ржавый гвоздь тяжелее, чем был до ржавления, потому что к железу присоединился кислород из воздуха. Люди долго не могли в это поверить: как может испорченная вещь стать тяжелее?
Почему ржавчина не останавливается
Вот главная беда железа. Когда ржавчина образуется, она получается рыхлой и пористой. Она набухает, трескается и отваливается хлопьями, открывая кислороду свежий металл.
И всё повторяется. Слой за слоем, пока от предмета ничего не останется. Железу нужна вода: в сухом воздухе гвоздь может пролежать очень долго. Поэтому в пустынях старое железо сохраняется гораздо лучше, чем на морском берегу, где влажно, а соль в воздухе ускоряет процесс в несколько раз.
Хитрость алюминия
Теперь странность. Алюминий по отношению к кислороду даже жаднее железа — химик сказал бы, что он активнее. По этой логике алюминиевая ложка должна была бы рассыпаться за неделю. Но алюминиевые банки, оконные рамы и самолёты годами стоят на улице и ничего.
Разгадка в том, какой получается «ржавчина».
Алюминий действительно мгновенно окисляется — за доли секунды после того, как металл соприкоснулся с воздухом. Но оксид алюминия получается плотным, прозрачным и очень прочным. Он ложится на поверхность сплошной плёнкой толщиной в несколько миллионных долей миллиметра и намертво перекрывает кислороду дорогу к металлу.
Дальше процесс останавливается сам собой. Ты никогда не видел «чистого» алюминия — только эту плёнку.
То же самое делает медь, только медленнее и заметнее: она покрывается зеленоватой коркой, которая тоже защищает металл. Позеленевшие медные крыши старых зданий стоят по сто лет и не собираются разрушаться.
Почему золоту всё равно
Золото — редкий случай металла, которому кислород просто неинтересен. Его атомы держат свои электроны крепко и отдавать не хотят: соединяться с кислородом при обычных условиях золото отказывается.
Такие металлы называют благородными — золото, платина, чуть в меньшей степени серебро. Слово старое и немного смешное, но смысл в нём есть: они не вступают в реакции с чем попало.
Именно поэтому золото стало деньгами. Не потому что красивое, а потому что не портится: монету можно закопать, и через сто лет она будет ровно такой же. Пшеница сгниёт, железо съест ржавчина, а золото полежит.
Правда, серебро всё-таки тускнеет — но не от кислорода, а от соединений серы, которые есть в воздухе и в некоторых продуктах, например в яйцах. Поэтому серебряную ложку иногда приходится чистить, а золотую — никогда.
Как люди защищают железо
Раз ржавчине нужны кислород и вода, надо их не пустить. Способов несколько.
- Краска и лак — простая перегородка. Работает, пока нет царапины; в царапине ржавчина начнёт работать и полезет под краску.
- Оцинковка — железо покрывают цинком. Цинк даёт плотную плёнку, как алюминий, но главное не это: даже если поцарапать оцинкованное ведро, ржаветь начнёт цинк, а не железо. Он как бы вызывается на себя.
- Нержавеющая сталь — в железо добавляют хром, и хром образует на поверхности ту же невидимую плотную плёнку. Кухонная раковина и вилки сделаны именно так.
- Масло или смазка — временный способ: инструменты в мастерской протирают маслом, чтобы вода не села на металл.
Главное в трёх строчках
- Ржавчина — не налёт, а новое вещество: железо, соединившееся с кислородом и водой, поэтому ржавый гвоздь тяжелее чистого.
- Железо разрушается не потому, что жадное до кислорода, а потому, что его оксид рыхлый и осыпается; у алюминия и хрома оксид плотный и работает щитом.
- Золото не ржавеет вовсе — оно не хочет отдавать электроны кислороду, и поэтому золотые вещи доживают до нас из древности.