腐食、酸化、錆は関連しているが、異なるプロセスである。腐食とは、材料、特に金属が、周囲の環境との化学的相互作用によって徐々に劣化することである。酸化、腐食、その他の化学反応は、構成材料の変色、反り、変態を引き起こす。したがって、腐食、酸化、錆の違いと関係は不可欠である。

これは、材料の寿命の維持、経済的な悪影響の最小化、様々な分野での安全性の向上を決定するのに役立ちます。このような理解により、産業界は材料の劣化速度を低減するための対策や戦略を得ることができ、重要な部品の耐久性を高めることができる。これはひいては、修理や交換のコストを削減することにつながる。腐食防止のベストプラクティスを世界的に実施することにより、損害コストの15～35%と推定される大幅な節約をもたらす可能性があり、これは年間$3750億～875億米ドルに相当する。^[1]. .建設や輸送などの必要な分野で、人命を危険にさらすような致命的な故障を防ぐためには、これらの現象を規制することが不可欠である。さらにこの知識は、腐食しにくい新素材の開発など、イノベーションを生み出す。それは、変化を可能にするものであり、より良く、より持続可能な製品の形成を支援するものである。.

腐食の定義

腐食は、材料とその環境との間の化学反応により、金属のような材料に影響を及ぼす劣化の一種であり、その結果、不経済で安全でない、不健康な製品が生じる。この劣化はいくつかの段階を経て起こる。腐食は通常、物質内で酸化物、水酸化物、または同様の化合物の形成につながり、その物質の元の構造をへこませたり破壊したりする。

腐食の種類

コロネーションは、腐食剤と接触する環境や材料によって様々な形で発生する。最も一般的なタイプは以下の通り：

1.ガルバニック腐食

これは、2つの異なる金属が湿った環境で電気的に接続されることで発生する。アノード金属は単独で存在するときよりも速い速度で劣化し、カソード金属は遅い速度で劣化する。ガルバニック腐食では2つの金属間の電位差が重要であり、ネルンスト方程式が関係する：

E_セル=E⁰_カソード-E⁰_陽極-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_セル=細胞電位、E⁰=標準電極電位、 R=ガス定数、 T=温度、n=移動した電子の数 F はファラデー定数である。

2.孔食

孔食は局所的な腐食の一種で、材料に小さく深い穴を開ける。全体的な材料損失が最小限であっても、材料の急速な破壊につながる可能性があるため、特に危険である。孔食の影響を評価するには、孔食係数が適用される。孔食係数が高い場合は、孔食が深刻であることを示す。

孔食係数＝（最も深い孔食の深さ）/腐食による平均板厚減少量

3.隙間腐食

このタイプの腐食は、ピットや隙間、アンダーデポジットに酸素濃度の高いセルが発生する。その結果、局部的な溶液が滞留し、局部的な腐食を引き起こす。隙間腐食は、例えば、金属板とガスケットの継ぎ目や、ボルト・ナットの使用時に発生する。隙間腐食の速度は、塩化物イオン濃度([Cl^-と隙間内の溶液のpH：

腐食速度 ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

この方程式では ΔG はギブス自由エネルギーの変化である、 R は気体定数であり T は温度である。

腐食しやすい材料

耐食性は、材料の組成、構造、金属または非金属材料が置かれている環境によって決まる。鉄や鋼は、特に水分や酸素と接触すると急速に酸化するため、錆びやすい。アルミニウムは不動態酸化皮膜を形成するが、塩化物を含む環境では孔食や隙間腐食も起こる。. 銅とその合金 は電解腐食の影響を受けやすい。これは、アルミニウムや鋼鉄のような金属と接触し、水環境に開放されている場合に特に当てはまります。カソード保護に有用なアノードのグループの一員として、亜鉛はガルバニック保護モデルのアノードとして機能し、実際の金属を保護しながら腐食します。.

腐食の産業への影響

腐食の影響は、金属を使用するすべての産業とは言わないまでも、ほとんどの産業バリューチェーンにわたって共有されている。この脅威が経済に与える影響は、腐食により産業界が毎年数十億ドルを失うことである。腐食の世界的なコストは、2013年の世界国内総生産（GDP）の3.4%に相当する$2.5兆米ドルと推定され、現在では年間$3兆米ドルを超えるとの推定もある。^[1]. .この損失には、腐食が発生した構造物の保守・交換費用、腐食による生産損失、その他関連する影響が含まれる。安全性、信頼性、耐久性の低下は、腐食の影響の一部である。腐食は、橋、パイプライン、航空機のような構造物、輸送、ユーティリティの突然の故障を引き起こす可能性がある。腐食下では、突然の故障のリスクが高いため、構造の完全性が低下する。.

物理的環境については、腐食したパイプラインや貯蔵タンク、土木構造物の補強コンクリート構造物から有害物質が放出されるなどの危険性がある。この影響は、物理的環境と人間環境に対して、その後の危険をもたらす。このような課題に対処するため、技術者はさまざまな方法で腐食を防いでいる。このような方法には、防食材料やコーティングの選択、カソード保護アプリケーション、腐食防止剤などがあり、いずれも腐食に関する知識を必要とする。重要な緩和戦略である腐食保護コーティングの市場規模は、2023年に205億9,000万米ドルで、2030年には年平均成長率7.4%で332億8,000万米ドルに成長すると予測されている。 ^[2].

酸化を理解する

酸化は、自然界や産業界の多くのプロセスにおいて重要な一次化学反応である。基本的に酸化は、物質（多くの場合金属）が電子を失い、他の物質（通常は酸素）から電子を得る全体的な傾向がある場合に、他の種と電子を供与または共有することを伴う。

酸化は、腐食とは無関係に起こりうる一般的な化学プロセスである。金属の腐食につながることもあるが、酸化は常にダメージを与えるわけではなく、アルミニウムのような金属に保護酸化膜を形成するなど、有益な場合もある。

化学反応 酸化のプロセス

酸化とは、原子や分子が1個または数個の電子を失う化学的プロセスである。この過程では通常、酸化された物質が放出したり失ったりした電子を別の物質が受け取る還元反応が起こる。これらのプロセスはどちらも酸化還元（還元-酸化）反応である。酸化反応の一般的な形は以下の式で表すことができる：

M→Mⁿ⁺+プラス・マイナス^–

どこ M は酸化を受ける金属または物質である。 Mⁿ⁺ は物質の酸化体（金属の場合は陽イオン）である。n は失われた電子の数を表す。例えば、鉄の酸化では、反応は次のようになる：

Fe→Fe²⁺+2e^–

酸素は通常、ほとんどの酸化プロセスにおいて酸化剤である。つまり、金属やその他の物質が失った電子を得る役割を果たす。これは、以下のような酸化物の形成につながる。

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

この方程式では、鉄（Fe）は酸素（O₂）と反応して酸化鉄（Fe₂O₃）を形成し、これが錆となる。

日常生活における酸化の一般的な例

酸化は、多くの日常的な状況で起こり、しばしば顕著な影響を及ぼす、どこにでもあるプロセスである：

鉄と鋼鉄の錆び：

鉄や鋼鉄が酸素と水分にさらされると反応し、酸化鉄を主成分とする錆と呼ばれる赤褐色の物質を形成する。これが酸化による典型的なケースで、工具、自動車、構造物などの金属製品が破壊される。

銀の変色：

銀のカトラリーや装飾品も、酸化によって錆びる可能性のある製品である。これは、銀が空気に触れると硫黄化合物と反応し、硫化銀が生成されるためで、硫化銀は黒色で金属表面に付着する。

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

酸化と腐食の違い

酸化と腐食を区別することは極めて重要であるが、両者は一般的に同じ意味で使われている。酸化とは、化合物が電子を失う化学反応の一種で、酸素の存在下で起こることが多い。有機化合物でも無機化合物でも起こりうる。例えば、エネルギーにつながる燃焼プロセスや、アルミニウムのような一部の金属に酸化層を形成する際などに有用な、より広範なプロセスである。

一方、腐食とは、材料、特に金属が周囲の環境との化学的作用によって劣化することである。酸化は腐食の一種であり、例えば鉄の錆のようなものであるが、酸、塩基、水分、塩類の影響など、他の種類の腐食もあることに注意することが重要である。さらに、腐食は、材料の破損、損失、潜在的な危険性など、好ましくない影響に関係する。酸化と腐食に関する知識は、材料の劣化を軽減する方法を考え出すのに役立つため、様々な応用分野で極めて重要である。

酸化と腐食の主な違いと影響

酸化と腐食は関連しているが、材料に異なる影響を与える2つの異なるプロセスである。酸化は、物質が電子を失う化学的プロセスであり、通常は酸素が関与する。燃焼中の発火プロセスや、アルミニウムのような金属に酸化被膜を形成するように、より広範で建設的なプロセスである。

しかし、腐食とは異なる。腐食とは、材料、特に金属が、その周囲環境との化学的相互作用によって劣化することである。酸化は鉄の錆のような腐食の一形態であるため、腐食は酸、塩基、水分、塩類によるものを含む他のタイプの反応を含む。腐食は一般に、材料の劣化、経済的損失、安全や健康へのリスクといった悪影響をもたらす。酸化と腐食の違いを理解することは、材料の劣化を克服する効率的な方法の策定に貢献するため、多くの研究分野において極めて重要である。

ラストとは何か？

さびは、鉄や鉄鋼のような関連合金に影響を及ぼす腐食の一種である。鉄、酸素、水分の化学反応によって鉄の表面に付着する赤褐色の薄片状の物質である。さびは、鉄を主成分とする製品の強度や美観を損なうため、多くの工業用途や日常用途でよく見られる。

錆の形成過程

錆の生成は、様々な段階を経て完成する化学物質である。最初のステップは、水と酸素の助けを借りて酸化鉄を形成し、鉄を酸化させることである。一般的なプロセスは以下の通りである：

酸化反応

鉄（Fe）は電子を失い、水（H₂O）の存在下で酸素（O₂）と反応して鉄（II）イオン（Fe²⁺）を形成する。

Fe→Fe²⁺+2e^–

水酸化鉄の生成： Fe²⁺イオンは、水と酸素と反応して水酸化鉄(II)（Fe(OH)₂）を形成する。

フェ²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

水酸化鉄の酸化： 水酸化鉄(II)はさらに酸化して水酸化鉄(III) (Fe(OH)₃)を形成する。

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

錆の形成： 水酸化鉄(III)は脱水して酸化鉄(III)-水酸化鉄(FeO(OH))を形成し、一般に錆として知られる。錆は鉄の酸化物と水酸化物の複雑な混合物である。

4Fe(OH)₂→鉄₂O₃ .3H₂O

錆の発生条件

錆の発生などは、いくつかの根本的な要因に左右される。その要因とは、水分の利用可能性、酸素や電解質への暴露、環境条件、温度、表面の汚染物質などである。

水は電解質であるため、錆の形成に不可欠である。水は錆の発生に必要な酸化還元反応のための環境を提供し、湿度が高かったり直接雨が降ったりするとより危険である。

錆の発生には酸素も不可欠な条件である。金属構造物、自動車、機械など、通気性の良い場所や酸素の多い場所は錆びやすい。金属の電気化学的活性を高める塩類や酸を使用することによって、錆の発生率は上昇する。この問題は、導電性を向上させるために海水を使用することから生じる。

例えば、酸性条件下（pHが低い）では酸化が促進されるため、強酸性環境は錆の形成を加速する。アルカリ性条件も錆びを促進するが、酸性条件よりは勢いが弱い。

高温になると化学反応の速度が増し、錆びの発生率が高まるため、温度も一役買っている。それでも、水分や酸素が存在すれば低温でも錆びは発生する。

最後に、化学的な意味で、汚れや油などの物質が表面に付着していると、金属から水分が除去されにくくなり、その結果、局部的に錆が発生しやすくなる。

よく影響を受ける素材

鉄、鋳鉄、合金鋼は、錆が影響を及ぼすより典型的な材料である。鉄は酸素や水分と化学反応を起こしやすいため、錆びやすい。炭素鋼は主に鉄で構成され、炭素や他の元素の割合は少ない。鉄も錆びやすいが、炭素やそれらの合金元素が錆びの速度を高めたり、錆の性質を変えたりすることがある。鉄はどの種類でも錆びる可能性があります。しかし、錬鉄は鋼鉄や鋳鉄よりも早く錆びます。後者は炭素の割合が多く、より多孔質で薄片状の錆を形成するからです。

低炭素鋼や中炭素合金鋼は、ある程度の錆に対する保護機能を持つが、特定の状況下では錆の影響を受けやすい。クロム鋼やステンレス鋼のような材料は、その表面に形成される不動態酸化皮膜が錆の形成を妨げるため、より耐性があります。

腐食、酸化、錆の主な違い

結論

インフラや機械を早期の摩耗や損傷から守るには、腐食、酸化、錆の違いを認識することが最も重要です。ステンレス鋼、アルミニウム、チタン合金、保護コーティング、インテリジェントセンサー、自己修復材料などの革新的な材料は、これらの問題に対処する上で重要な役割を果たしている。

腐食科学の進歩に向けたさらなる研究には、ナノテクノロジー、腐食予測における人工知能、グリーン・インヒビターの開発などが含まれる。これらの材料は、材料特性の向上に不可欠である。これらの産業がこれらの技術革新を支持し支援し続ければ、資産保護を改善し、損失を最小限に抑え、いくつかの用途において安全性と信頼性を確保することができる。

参考文献

[1] NACE International - 腐食技術の予防、応用、および経済性に関する国際対策（IMPACT）調査 http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research - 腐食保護コーティングの市場規模レポート、2030年; [3] Grand View Research - 腐食抑制剤の市場規模、シェア｜産業レポート、2030年 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market