探秘不生鏽的鐵:雲南大理南詔和印度新德裡鐵柱,月球的純鐵顆粒

2020-12-15 防腐百科

歷經千年傳與世人的有陶器、玉器、青銅器、陶瓷等,但我們很少聽說過有千年鐵器流傳人間。

今天與大家分享的器物,就恰恰可以填補這項空缺。

第一件:雲南大理南詔鐵柱

南詔鐵柱俗稱天尊柱,柱體為圓柱形,通高3.3米,直徑32.7釐米,鐵質,重2069千克。柱身分5節澆鑄,柱身題記:「維建極十三年歲次壬辰四月庚子朔十四日癸丑建立」22字,外刻單凸線邊框。

南詔鐵柱廟古稱「鐵柱廟」或「鐵柱觀」。元初朝庭命官郭松年在《大理行記》中記:「白崖甸……西南有古廟,中有鐵柱。」

公元872年這根鐵柱便屹立於此,至今已有1147年。鐵柱暴露在空氣中,長達千年之久,又無任何保護措施。而奇怪的是,鐵柱至今仍未生鏽。

第二件:印度新德裡鐵柱

德裡鐵柱位於印度首都新德裡南郊的庫都布高塔牆內聳立的一根約高7.25 米、直徑約半米,重6.5噸的鐵柱。

德裡鐵柱從鐵柱上刻著的梵文看,這根鐵柱並非就地鑄造,而是公元5世紀時,被統治德裡的伊斯蘭王朝從印度東部的比哈爾邦搬移過來的,傳說是為了紀念旃陀羅王而造。不過人們都習慣把它和2300多年前叱吒印度的一代梟雄---阿育王聯繫在一起,叫它「阿育王鐵柱」

據現代科學分析鑑定,這根鐵柱的鑄造時間應在1500多年前,但令科學家疑惑不解的是,鐵柱在露天經歷了上千年的風吹雨打,卻居然一點不生鏽,堪稱世界奇蹟。

第三件:月球的純鐵顆粒

由前蘇聯和美國從月亮採集而來的塵埃中都含有純鐵的顆粒,前蘇聯人宣稱由月球探測器「佐德20」號取回的純鐵顆粒在地球上幾年後也不生鏽。

在探秘這些謎團之前,我們先一同科普一下金屬腐蝕知識:

金屬腐蝕是指在周圍介質的化學或電化學作用下,金屬產生的破壞。根據腐蝕過程進行的歷程,一般可將金屬腐蝕分為兩類,即化學腐蝕電化學腐蝕

化學腐蝕:金屬在乾燥的氣體和非電解質溶液中發生化學作用所引起的腐蝕叫作化學腐蝕,腐蝕過程中沒有電流產生。如果化學腐蝕所產生的化合物很穩定,對金屬母體可以起到保護的作用,有鈍化腐蝕的作用,稱為「鈍化作用」。如果化學腐蝕所生成的化合物不穩定,這種腐蝕產物不能保護金屬不再繼續受到腐蝕,這種作用稱為「活化作用

電化學腐蝕:化學腐蝕是指金屬與電解質溶液問產生電化學作用而引起的破壞,其特點是在腐蝕過程中有電流產生。

我們日常生活中遇到的金屬腐蝕,多是電化學腐蝕,腐蝕過程類似微電池。

微電池和電化學腐蝕原理

如前所述,金屬表面組織常常存在著不同的相(如鋼中的鐵素體和碳化物),在同一介質中相鄰兩個區域可能具有不同的電位,這些區域往往是直接接觸的,故形成了許多局部的微電池,如圖所示。

探秘:根據腐蝕原理以及各項資料查找,將相應合理的答案整理如下,供廣大網友參考,如果有新的見解,可以留言評論區,供大家學習借鑑。

雲南大理南詔鐵柱

為了揭開這個謎底,張昭還分別於上世紀70年代和2007年,兩次邀請省內外的專家現場取樣分析。「我找了北京冶金考古研究所的李曉岑,他兩次都拿鑷子夾了一小塊帶回北京化驗,但只告訴我們估計是合金,不是鐵的。」說到這裡,張昭神情有些失落,他說,沒弄清楚鐵柱的真實面貌,是自己在文管所工作四十餘年最大的遺憾。

筆者憑空猜測:鐵柱表面經過千年,表面形成了一層鈍化膜,具體成分,還需科學家進一步分析。希望藉此發現我國千年前就擁有高技能的鍛造技術,加入微量元素,使得鐵表面同大氣環境形成保護膜。

印度新德裡鐵柱

一位學者、坎普爾(Kanpur)大學的材料工程師拉馬穆爾西·巴拉蘇布拉馬尼安(Ramamurthy Balasubramanian)發現了這根柱子的奧秘。 他首先分析了鐵柱的表面,提取了上面的一塊鏽斑,發現它含磷量很高。這種元素與鐵和空氣接觸發生了化學反應,形成磷酸氫鹽的水合物(FePO4·H3PO4·4H2O),在鐵柱開始生鏽時,由磷、鐵和空氣形成的保護膜防止了鏽跡的進一步發展。

通常,鐵的生鏽是由兩種原因造成的,一是化學腐蝕,與一些非金屬元素直接發生化學反應,如與空氣中的氧發生氧化反應,生成三氧化二鐵。另一種是電化學腐蝕,即當兩種不同的金屬接觸時,由於它們的電位不同,在電解質存在的情況下就會形成微電池,從而造成其中一種金屬的腐蝕。同一種金屬在經過熱處理和機械加工之後會造成內部的不均勻,也會形成微電池,使金屬受到腐蝕,在這種情況下,潮溼的空氣往往充當了電解質。

因此,德裡鐵柱在建立起來之後就面臨著生鏽的可能,由於澆鑄和鍛造時必定會形成一些不均勻和細小的瑕疵,直接面臨著化學腐蝕和電化學腐蝕。 但是,德裡鐵柱中的磷是使其免遭鏽蝕厄運的直接保護神。正是這種元素促成了保護膜的形成,保護了這根柱子,一開始就阻止了腐蝕反應的發生。

月球的純鐵顆粒

鐵生鏽實際上是鐵的表面吸附了一層水膜,水膜裡溶解有二氧化碳,具有酸性:CO2+H2O=H2CO3,H2CO3==H+ +HCO3-

一般的鐵中都含有碳,鐵和少量的碳構成了原電池,在碳酸中H+的作用下,發生如下反應:

負極:Fe-2e=Fe2+

正極:2H+ +2e=H2

鋼鐵防鏽時可以在鐵表面鍍鋅,由於鋅比鐵更活潑,在反應中首先失去電子被氧化,保護了鐵。

由於碳酸酸性很弱,純淨的鐵是不可能置換出碳酸中的氫的。只有在發生原電池反應的情況下才可能生鏽。沒有碳或其他不如鐵活潑的物質作正極,也就不能反應了。(網友:風中雪微笑)

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