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錆(さび、銹、?とも。英語:rust)とは、鉄や鉄合金の腐食生成物のうち、水に不溶であるもののことである。

一般的には、金属の腐食生成物を「錆」と呼ぶ。しかし、専門的には(特に腐食防食工学では)、鉄や鉄合金の腐食生成物のみを「錆」「鉄錆」と呼び、鉄以外の金属では錆とは呼ばずに単に腐食生成物と呼ぶ。

高炉で鉄鉱石にエネルギーを与えると、炭素は鉄鉱石を鉄に還元する。こうして「鉄」が産み出される。放置しておくと、やがて鉄は酸化してエネルギーを失って、酸化鉄に復って行く。つまり、錆は、還元された鉄が酸化して安定な状態へとかえろうとする過程に生じる結果である。

◆化学反応

◇一般的な反応

錆は、酸化還元反応により鉄表面が電子を失ってイオン化し、鉄表面から脱落して行くことで進行する。電気化学的な反応なので、錆が発生するかどうかは電位と pH に依存する。生じたイオンは酸素により鉄酸化物(酸化鉄)、または水により含水酸化物(水酸化鉄やオキシ水酸化鉄)に変化して鉄表面に堆積する。ゆえに、酸素や水があるところに鉄を放置すると、錆を生じる。錆は自身が水分や汚れを留め、また、鉄鋼表面に凹凸が出来て反応面積が増大するため、一旦生じた錆は加速度的に進行する。

河川や海洋構造物のうち、最も錆びやすい部位は、水面の部分である。大気と水が同時に存在する所だからである。

一般的には、下記のような過程で鉄の酸化物 (主に鉄(III)) が生成する。e⁻ は電子を表す。

:アノード部: Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻

:カソード部: H₂O + 1/2 O₂ + 2e⁻ → 2 OH⁻

これら2つの反応から、以下の反応が起こる。

: Fe²⁺ + 2 OH⁻ → Fe(OH)₂

そして、酸素により以下の反応が起こり、鉄(III) の含水酸化物が生成する。

: 4 Fe(OH)₂ + O₂ + x H₂O → 2 (Fe₂O₃・x H₂O) + 4 H₂O

Fe²⁺ はまたそれ自体が空気酸化される。生成した Fe³⁺ は沈殿pHが低いため、容易に加水分解をおこし、やはり含水酸化物を生ずる。

: 2 Fe³⁺ + (x+3) H₂O → (Fe₂O₃・x H₂O) + 6 H⁺

これらの反応の生成物の多くは、オキシ水酸化鉄(III)類である。また、Fe²⁺ と Fe³⁺ の共沈により、四酸化三鉄 Fe₃O₄ が生じることもある。

「赤錆」と呼ばれる鉄錆は、水の存在下での鉄の自然酸化によって生じる、オキシ水酸化鉄(III) 等の(含水)酸化物粒子の疎な凝集膜であるとみなせる。したがって、通常の赤錆には下地の保護作用はなく、腐食はいつまでも進行する。一方、緻密な酸化物被膜ができれば、腐食に対する保護層として機能する。たとえば鉄を濃硝酸に浸すとその強力な酸化力によって表面には緻密な 酸化鉄(III) 層が生じ、腐食速度が低い 不動態と呼ばれる状態になる。不動態皮膜による防護作用を積極的に利用した鉄鋼として耐候性鋼がある。耐候性鋼は一般的な鉄鋼とは違い、無塗装で使える。ステンレス (ステンレススチール) も基本的に同様である。

一方、「黒錆」は主に 四酸化三鉄 からなる。水の存在下で上記のような反応で形成される黒錆層には保護効果は期待できないが、高温、酸素不十分の条件で鉄表面に人工的に形成した黒錆層は不動態層同様に緻密な皮膜となるため、防食法の一つとして有用である。

◇塩化物イオンによる反応

塩化物イオン (Cl⁻) により、鉄の不動態皮膜は孔食と呼ばれる局部腐食作用を受ける。これによって錆が激しく進行し、やがては貫通してしまう。

これは二つの要因があり、Cl⁻ イオン存在下ではCl⁻ イオンが配位することで鉄イオンが安定化され、鉄の酸化還元電位が卑な方向へ移動して酸化されやすくなることが一つ目である。また、Cl⁻ イオンの存在により酸化鉄の水への溶解度が上がるために不動態皮膜が破壊されて不動態皮膜による防食作用が無効になる、つまり、錆が取り除かれることにより余計に錆びる、ということが二つ目として挙げられる。

◆錆を誘引するもの

◇海水

海水は Cl⁻ を含んでいる。海塩粒子は風で運ばれることがあるため、海に近い所では内陸部と比べて、鉄鋼の腐食速度が大きい。海岸部では耐候性鋼も無塗装では使えない。

◇体液

汗や血液、尿などの体液もCl⁻を含むため、鉄鋼に錆を誘発する。このため、剥き出しの鉄鋼には極力素手で触らないこと、また、これらの体液が触れる用途では使用後によく手入れして取り除いてやることが重要である。

◇融雪剤

寒冷地では路面凍結を防ぐために、融雪剤を道路に散布する。融雪剤としては主に塩化カルシウム CaCl₂ が使われる。塩化カルシウムに含まれる Cl^- により自動車が錆びることがある。

近年の自動車は1980年代以前と比べて技術進歩により防錆処理がしっかりしたため、錆があまり目立たなくなった(例外あり)。

◆慣用表現

・身から出た錆:諺。自分の行為が原因で、結果として自分が苦しむこと。語源は、刀の手入れを怠って、刀が錆びてしまったことから。「身」とは、刀の刀身を意味している。

・刀の錆:刀で切られる死に様のこと。刀は血液が付着することで錆びてしまう事から。(ただし、刀はそれ以外のさまざまな要因でも錆びる)

◆関連項目

・デリーの鉄柱

・電位-pH図

・鉄錆

・黒錆

・緑青(銅錆)

・錆取り列車

・ステンレス鋼(不錆鋼)

・錆菌(植物病原菌の一つ。植物に、外見が錆のような病変を起こす)

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