鐵為什麼會生鏽？
― 不是鋁不會生鏽，而是它一瞬間就鏽完了
淋雨的自行車會變成紅褐色。但同樣放在室外的鋁製窗框、不鏽鋼水槽卻不會這樣。大家常以為「鋁是不會生鏽的金屬」，其實正好相反。鋁比鐵鏽得更劇烈。只是它一瞬間就鏽完了，而那層鏽保護了內部。光是這個差異，就幾乎能說明身邊金屬的用途分配。
不再使用的自行車、放在院子裡的工具、被雨淋濕的釘子。鐵製的東西放著不管，就會變成紅褐色，表面一點一點剝落。
但同樣受風吹雨打，有些東西卻不會這樣。鋁製窗框、不鏽鋼扶手、10圓硬幣。這些東西顏色或許會改變，但不會一直剝落崩解。
一般的說法是「鐵是容易生鏽的金屬，鋁和不鏽鋼是不容易生鏽的金屬」。但這個說法其實與事實相反。
鋁與氧結合的程度，遠比鐵更劇烈。它不崩解的原因，完全是另一回事。
鐵、水、氧氣。少了任何一個都無法進行。所以對策就是「切斷其中一項」。
鐵鏽充滿孔隙容易剝落，讓底下的鐵再次露出來。鋁的鏽緊密附著沒有孔隙，就在那裡停住。
換句話說問題不在於「會不會生鏽」，而在於「鏽會不會停止」。接下來依序說明。
生鏽，是金屬回到「原本的樣子」
或許出乎意料，金屬塊在自然界中其實是一種罕見的狀態。地球上大部分的鐵，都以與氧結合的礦石（鐵礦）形式存在。
我們使用的鐵，是從那種礦石用大量的熱和能量，硬是把氧剝離出來的產物。也就是說，鐵處於一種被強行壓回去的彈簧般的狀態。
生鏽，就只是那根彈簧一點一點彈回原位而已。鐵與氧結合，回到還是礦石時的樣貌。無法阻止是理所當然的，放著不管必定會進行。
所以對策不是「尋找不會生鏽的金屬」。而是「在回去的途中把它擋下來」。
而是讓生鏽停下來。
為什麼只有鐵會一直崩解
鋁也會與氧結合。甚至結合得比鐵更劇烈。它不崩解的原因，是因為生成物的形態不同。
比原本的鐵體積膨脹許多，充滿孔隙。所以會浮起剝落，讓底下的鐵再次露出來。
生成的膜會無孔隙地緊密貼合。厚度極薄，但氧氣和水都無法穿透。就此停住。
這層膜即使被刮掉，也會馬上重新形成。刮削鋁的表面，切開的瞬間就會長出新的膜。真正保護金屬的，不是金屬本身，而是它表面形成的「鏽的薄膜」。
不鏽鋼的原理也一樣。它是在鐵裡混入了名為鉻的金屬，由鉻形成的膜負責保護。所以不鏽鋼不是「不會生鏽的鐵」，而是「鏽會停下來的鐵」。
如果把鐵罐一直放在不鏽鋼水槽上，該處有時會變紅。這多半是沾上了鐵罐掉落的鏽（沾染鏽），但放著不管有時會蔓延到本體上。
此外，長時間浸泡在含氯漂白劑中，保護膜會被破壞，之後可能會從那裡冒出點狀的鏽。用完要好好沖洗乾淨之所以重要，就是這個原因。
不鏽鋼的優點不是「絕對不生鏽」，而是即使膜被破壞，只要有氧氣就能重新形成。所以不留下污垂或鏽垂，讓表面接觸空氣，就是最好的保養方式。
也有先當犧牲品來保護的方法
還有另一種完全不同的保護方式，就是在表面覆蓋一層比鐵更容易溶解的金屬。
鍍鋅鐵皮屋頂和護欄的表面，覆蓋著鋅。鋅比鐵更容易溶解，所以被雨淋濕時，鋅會先當犧牲品，鐵則保留下來。
有趣的是，即使有刮傷，這種方法依然有效。一般的塗裝，一旦剝落，鏽就會從那裡開始。但鋅的情況是，即使鐵露出來，周圍的鋅仍會先溶解，繼續保護鐵。
船底或地下管線，有時會特意裝上會溶解的金屬塊。那是一種前提為定期更換的消耗性金屬。我認為這也說明了「保護」未必等於「堅硬耐用」。
- 淋濕後，擦乾3個條件中最容易切斷的就是水。光是雨後把自行車擦乾，壽命就會明顯不同。尤其是鏈條和可動部位，擦乾後請上油。
- 沾到鹽分，用清水沖洗去海邊玩過後，或走過雪地後的車子。鹽會大幅加速生鏽。連底盤也要用清水沖洗。在會撒融雪劑的地區，整個冬天都要反覆進行。
- 發現鏽，先去除再覆蓋把浮起的鏽去除、乾燥後，再用塗料或油覆蓋。只是在上面重複塗一層，底下的鏽仍會持續進行。螺栓或刀具，鏽有時會影響到強度。
鐵鏽的體積比原本的鐵更膨脹。因此混凝土中的鋼筋生鏽後，會膨脹並從內部撐裂混凝土。裂縫又讓更多水和氧氣進入，加速惡化。
建築物的裂縫滲出鏽色、陽台扶手根部膨起、施工架或梯子的腳變薄――這些地方的強度，可能比外觀看起來下降得更多。
請不要自行判斷，交給管理者或專業廠商查看。特別是有人會踩踏或有墜落風險的地方，建議先停止使用並洽詢專業人員。
在廚房就能做的觀察
- 準備4根鐵釘，並排4個透明杯子
- ①什麼都不放（只有空氣） ②裝半杯水 ③裝滿煮沸後放涼的水，再從上面薄薄倒一層油（隔絕空氣） ④裝半杯鹽水
- 放置約3天後比較
- ②和④會生鏽。尤其④應該會更快。①如果保持乾燥，幾乎不會進行
- ③即使有水，也不容易生鏽。因為煮沸減少了氧氣，又用油封住了
③是這個觀察的關鍵。可以親自確認「有水也不一定會生鏽」——也就是說犯人不只是水。②和④的差異，就是鹽的效果。鹽本身不會與鐵反應，而是扮演讓反應更容易進行的角色。處理鐵釘時請小心不要割傷手，用完後不要丟進水槽，瀝乾水分後再丟棄。
總結
鐵會生鏽，是因為正試著回到原本身為礦石時的樣貌。無法阻止，但只要切斷鐵、水、氧氣中的任何一項，就能擋下來。而鋁和不鏽鋼之所以不會崩解，並不是因為不生鏽，而是因為生成的鏽緊密附著沒有孔隙，把後續的進行擋住了。
真正保護金屬的不是金屬本身，
而是表面那層極薄的鏽膜。
同樣是「金屬與空氣中的成分反應」的現象，銅生成的化合物則呈綠色。關於這個原理，以及過去曾被說是「毒」的說法，請參考綠鏽的文章。
想了解更多 ― 用語・數值・與教科書的連結從國中理化到研究中的議題，明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理化課會學到的範圍
- 高中高中「化學基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「化學」，或教科書中發展、補充專欄的內容
- 大學高中不會學到，屬於大學專門科目（腐蝕工程）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」教授，而是研究者目前正在調查中的話題
國中用語：關於生鏽的詞彙
- 氧化：物質與氧結合的變化。生鏽和燃燒都屬於這一類。
- 紅鏽：鐵在水和氧氣作用下生成的鏽。孔隙多，容易剝落。
- 黑鏽：在高溫下生成，孔隙少的鏽。這種反而能保護鐵。保養中式炒鍋或鐵壺，就是製作這種膜的作業。
- 不動態：表面形成緻密膜，內部因此受到保護的狀態。鋁和不鏽鋼就是這樣。
- 犧牲防蝕：放置比較容易溶解的金屬，讓要保護的金屬保留下來的方法。鍍鋅鐵皮就是這樣。
高中用公式確認：生鏽後會變重還是變輕？
生鏽的鐵會不斷剝落，所以給人「越來越少」的印象。但寫出化學反應式，會發現正好相反。
4Fe ＋ 3O₂ → 2Fe₂O₃
| Fe 鐵 | 每1 mol 為 56 g |
| O₂ 氧氣 | 每1 mol 為 32 g |
| Fe₂O₃ 氧化鐵（紅鏽） | 每1 mol 為 160 g |
這個式子的意思是：4份鐵，結合3份氧，生成2份氧化鐵。實際的紅鏽還含有水分，但用這個公式來估算量已經足夠。
這裡重要的是，氧氣不是消失到別處，而是附著在鐵上留下來。所以重量會增加。
| 鐵這一側的重量 | 4 × 56 ＝ 224 g |
| 氧氣這一側的重量 | 3 × 32 ＝ 96 g |
| 生成紅鏽的重量 | 2 × 160 ＝ 320 g |
| 驗算（質量守恆） | 224 ＋ 96 ＝ 320 |
| 增加的量 | 320 − 224 ＝ 96 g |
| 增加的比例 | (96 ÷ 224) × 100 ≒ 42.9 % |
生鏽後，重量會增加約43%。並不是減少。
那為什麼看起來像是變少了呢？因為增加的部分沒有留在原地，而是剝落掉了。不是「變輕了」，而是「變重的東西剝落掉了」。這是外觀和實際內容不一致的例子。
不只重量增加43%，體積增加得更多。據說紅鏽的體積，會是原本鐵的2倍到6倍左右。這是因為含有大量孔隙。
| 假設厚度0.1 mm的鐵生鏽 | 體積若為2倍則為 0.1 × 2 ＝ 0.2 mm |
| 向周圍撐開的量 | 0.2 − 0.1 ＝ 0.1 mm |
| 若0.5 mm厚的部分生鏽 | 0.5 × 2 ＝ 1.0 mm，撐開的量為 1.0 − 0.5 ＝ 0.5 mm |
可能有人覺得只有0.5 mm而已。但混凝土是一種對撐開的力非常脆弱的材料。這樣的程度就會裂開。
而一旦裂開，水和氧氣就會從那裡進一步進入。生鏽進行 → 膨脹 → 裂開 → 更多鏽。沒有任何理由會停下來。據說這個循環就是決定鋼筋混凝土壽命的關鍵。
保護鋁和不鏽鋼的膜，厚度約為1〜3 nm（奈米）。1 nm 是100萬分之1 mm。
| 頭髮的粗細 | 約 0.08 mm ＝ 80000 nm |
| 保護膜的厚度 | 約 3 nm |
| 是頭髮的幾分之一 | 80000 ÷ 3 ≒ 26667 分之1 |
比頭髮的2萬分之1還薄的膜，保護著金屬。肉眼看不見，用手指也摸不出來。
如此薄卻能發揮作用，是因為沒有孔隙。反過來說，再微小的傷痕或污垂，都會成為弱點。不鏽鋼有時會出現點狀鏽，原因就在這裡。
不是「厚且堅固所以能保護」，而是「沒有孔隙所以能保護」。在③看到的紅鏽，體積膨脹了2到6倍卻無法保護。厚度和保護力，是兩件不同的事。
高中＋生鏽中的鐵，其實變成了一個小電池
生鏽不只是氧單純附著的反應，而是伴隨電流的反應。
在潮濕的鐵表面，某處鐵放出電子並溶解，另一處氧氣接收這些電子。電子在鐵內部移動。也就是說，一片鐵板上形成了一個電池。
由此可以說明幾件事。
- 鹽水會加速生鏽的原因。鹽讓電流更容易流通，作為電池的電流量會增加。鹽本身不參與反應。
- 孔隙或傷痕會集中受損的原因。氧氣不易到達的深處會成為溶解的一側，集中在一點。
- 兩種金屬接觸時，其中一方會加速損壞的原因。由於電池的特性，較容易溶解的一方會單方面被犧牲。鍍鋅鐵皮的犧牲防蝕，就是刻意利用這一點。
反過來說，馬口鐵（鍍錫的鐵）一旦有傷痕，鐵會先溶解。因為錫比鐵更不容易溶解。同樣是「鍍層」，鋅和錫在有傷痕時的行為卻恰好相反。
大學哪裡會溶解，可以用電位和pH來整理
金屬會溶解、形成膜，還是保持穩定，大致可以用電位和酸度（pH）的組合來整理。有一種圖表利用這個關係，可以判斷「這種條件下會形成膜受到保護」「這種條件下會溶解」。
不過這種圖表顯示的是「往哪個方向走」，不是「速度有多快」。實際設計時，需要另外測量速度。方向和速度是兩個不同的問題，這不只在腐蝕，在化學中也是常見的區分方式。
實務上特別麻煩的是孔蝕。整體看起來完好，卻只有一點深深地腐蝕下去。用平均的減損速度來估算壽命，會比實際情況估得長得多。管線出現破孔，多半是這種形式。
研究什麼時候會出現破孔，現在還無法預測
- 孔蝕「在哪裡」「何時」開始，目前只能以機率來處理。膜的哪一點會破裂，取決於材料極微小的不均勻性。平均的腐蝕速度雖然能測量，但個別零件何時會出現破孔，至今仍很難預測。
- 大氣中腐蝕速度的預測，變數太多。潮濕的時間、鹽分、大氣中的污染物、溫度變化、日照。這些因素交織在一起，因此把試片放置好幾年來實測的方法，如今依然在使用。
- 有微生物參與的腐蝕。已知在某些特定細菌參與的地方，腐蝕速度會遠遠超過預測。金屬腐蝕與生物有關這件事本身，是相對較晚才受到關注的。機制的解明仍在進行中。
- 刻意讓鋼材生鏽以保護自身的鏽層形成方式。橋樑等結構會使用能在表面生成穩定鏽層的鋼材。順利的話就不需要塗裝，但在鹽分較多的地方，這層鏽不穩定，判斷條件並不容易。
生鏽是我們日常最熟悉的化學變化之一。即便如此，「這座橋還能用幾年」這種精確的答案，至今依然無法給出。我認為這正說明了「廣為人知」和「能精確預測」是兩件不同的事。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・化學變化與氧化 | 生鏽是與氧結合的變化 |
| 高中 | 化學基礎・化學反應式與量的關係 | 4Fe ＋ 3O₂ → 2Fe₂O₃ 的質量計算 |
| 高中 | 化學基礎・氧化還原 | 作為電子交換的生鏽 |
| 高中＋ | 化學・電池與離子化傾向 | 局部電池、犧牲防蝕、不動態 |
| 大學 | 腐蝕工程・材料工程 | 電位與pH的整理、孔蝕 |
| 研究 | 腐蝕科學（未解決） | 孔蝕的預測、微生物腐蝕、穩定鏽層 |
| ― | 生活・保養 | 擦乾、沖掉鹽分、結構物的生鏽 |
- 日本材料學會・腐蝕防蝕部門委員會（日本材料学会・腐食防食部門委員会）發布的腐蝕與防蝕相關解說資料。
- Pourbaix, M., Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions（電位與pH整理方式的原始出處）。
- 日本土木學會・日本混凝土工學會（土木学会・日本コンクリート工学会）關於鋼筋腐蝕與混凝土裂縫的相關指引。
- Little, B. J. & Lee, J. S., Microbiologically Influenced Corrosion（微生物腐蝕）。
- 日本鋼鐵聯盟（日本鉄鋼連盟）關於耐候性鋼材及鍍層鋼板的解說。
※ 膜的厚度、體積增加率、腐蝕速度，會因材料與環境而有很大差異。本文列出的是一般常被引用的參考數值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。關於建築物、橋樑、施工架、梯子等涉及人身安全的結構物生鏽問題，請不要自行判斷，務必洽詢管理者或專業廠商。文中所列數值，僅供理解原理之參考。