每经编辑｜陈凌燕    

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“铜钢(gang)铜铜铜好(hao)多水(shui)”：金属(shu)与水(shui)分的初(chu)遇(yu)与(yu)“化(hua)学反(fan)应”

当“铜钢(gang)铜铜铜(tong)好多(duo)水(shui)”这(zhe)句(ju)颇具(ju)画面(mian)感的话语(yu)映入(ru)眼(yan)帘(lian)，我们仿佛(fu)能听(ting)到金属(shu)在(zai)潮湿环境中发(fa)出的低(di)语，感受(shou)到一股(gu)古(gu)老而(er)又充满活力的(de)化学(xue)力(li)量在(zai)悄(qiao)然(ran)涌(yong)动。金属，人(ren)类文(wen)明的基(ji)石(shi)，从青铜时代到钢铁(tie)时(shi)代，无不彰显(xian)着其(qi)坚韧(ren)与力(li)量。而水，生(sheng)命之源，滋养万(wan)物，却也(ye)可能(neng)是(shi)金属(shu)的(de)“克(ke)星”。

“铜(tong)钢铜(tong)铜(tong)铜(tong)好多(duo)水(shui)”这(zhe)句话(hua)，不仅(jin)仅(jin)是(shi)一个(ge)简(jian)单(dan)的描(miao)述，它(ta)更像(xiang)是(shi)一个引子(zi)，邀(yao)请我们一(yi)同(tong)走(zou)进金属材料与(yu)水分(fen)之间(jian)那(na)段(duan)既矛盾又(you)密不(bu)可分(fen)的“罗曼史(shi)”。

让我(wo)们聚焦于(yu)“铜”。这种古(gu)老(lao)而(er)美(mei)丽(li)的金属，因(yin)其优(you)良的(de)导电(dian)性、导热(re)性以及(ji)良好(hao)的(de)耐腐蚀(shi)性，在电器、建筑(zhu)、货币等领域扮(ban)演着(zhe)举(ju)足轻(qing)重(zhong)的角(jiao)色。即(ji)使是(shi)铜，在与水分长(zhang)期接(jie)触时(shi)，也并(bing)非(fei)“金刚不(bu)坏”。空(kong)气中的湿(shi)气(qi)，或是直接(jie)的水流(liu)，都可能引发铜的(de)表(biao)面(mian)变化。

最(zui)常见(jian)的现(xian)象便(bian)是铜绿，一种蓝(lan)绿色的(de)碱式碳(tan)酸(suan)铜。这并(bing)非简(jian)单的(de)“变色”，而是铜与空气中的二氧(yang)化碳、氧(yang)气以及(ji)水分(fen)发生(sheng)一(yi)系列复(fu)杂的(de)电化(hua)学反应的(de)产(chan)物(wu)。铜绿(lv)的(de)形(xing)成，虽然在(zai)某些(xie)艺术(shu)品(pin)和建筑(zhu)装饰(shi)上具有独(du)特的美(mei)感(gan)，但对(dui)于其(qi)导电(dian)性和(he)结构完整(zheng)性而(er)言，却可(ke)能(neng)是一(yi)种潜在(zai)的损伤(shang)。

想(xiang)象一下，古老(lao)铜器(qi)上(shang)的(de)斑驳铜绿(lv)，诉说着历史的沧桑(sang)，但也揭示(shi)了金(jin)属在(zai)时间(jian)长(zhang)河(he)中与(yu)自然(ran)环(huan)境(jing)的博(bo)弈。

再(zai)来看(kan)“钢”。作(zuo)为现代(dai)工业的(de)灵(ling)魂(hun)，钢的强度(du)和韧(ren)性(xing)是(shi)其他(ta)材料难(nan)以比拟(ni)的。从摩(mo)天大楼的钢筋骨架，到(dao)精密(mi)机(ji)械(xie)的零(ling)部(bu)件，钢无处不(bu)在。钢(gang)的“软肋”同样是水(shui)分。我(wo)们最(zui)熟悉的(de)便是(shi)钢的“锈蚀”，也就是(shi)我们常(chang)说(shuo)的(de)“生锈”。铁是(shi)钢(gang)的(de)主要成分，而铁(tie)锈，主要(yao)是三价(jia)铁的氧化物和(he)氢(qing)氧(yang)化(hua)物(wu)。

这(zhe)个(ge)过程是一(yi)个典(dian)型的(de)电(dian)化学腐蚀过程。在有水(shui)和氧气(qi)的环境(jing)中，钢(gang)材(cai)会形成(cheng)微小的原(yuan)电池，铁作(zuo)为负极不(bu)断失去电(dian)子被氧化(hua)，而氧气(qi)在(zai)正极得到(dao)电子(zi)被还(hai)原。水分的(de)存在，不(bu)仅(jin)为离(li)子迁移(yi)提(ti)供了介质，还(hai)直(zhi)接参与了反应。工业(ye)生产中，一(yi)旦钢(gang)材发生(sheng)大面积(ji)锈蚀(shi)，其强度(du)会(hui)急剧下降(jiang)，结(jie)构(gou)稳定(ding)性受(shou)到威(wei)胁，轻则影响产品质量，重(zhong)则可(ke)能(neng)导致(zhi)灾(zai)难性(xing)的后果(guo)。

因(yin)此，如(ru)何(he)有(you)效“阻(zu)挡”水(shui)分，保(bao)护(hu)钢(gang)材免(mian)受(shou)锈蚀(shi)，一直是(shi)金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)领域(yu)的重(zhong)要课(ke)题。

“铜(tong)钢(gang)铜(tong)铜(tong)铜好多(duo)水”，这(zhe)句话(hua)的(de)精(jing)髓在于“好(hao)多水(shui)”。当水(shui)分(fen)不再是偶尔的(de)触碰，而(er)是持(chi)续的浸(jin)润(run)、流淌，甚至是高(gao)压环(huan)境(jing)，金属与(yu)水分之(zhi)间(jian)的“化学反(fan)应”便会(hui)加(jia)速(su)升级。对于(yu)铜(tong)而言，在某些特(te)定水质（例(li)如含有氯离子、硫化(hua)物等(deng)）的(de)环(huan)境下，会加(jia)速其腐蚀(shi)速率，甚至(zhi)形成(cheng)点(dian)蚀(shi)、缝(feng)隙腐蚀(shi)等更具破(po)坏性(xing)的腐蚀(shi)形(xing)式。

对(dui)于钢而言(yan)，水分(fen)的(de)存(cun)在(zai)是氧气(qi)腐(fu)蚀的必要条件，而(er)不(bu)同(tong)的水(shui)体(ti)成分（如海水(shui)、酸性雨水、工业(ye)废水(shui)）对钢(gang)材的(de)腐蚀速(su)率(lv)和腐(fu)蚀形(xing)态有(you)着显(xian)著影响。例如，海(hai)水中的氯(lv)离子(zi)会破(po)坏钢材表(biao)面的钝化膜(mo)，加(jia)速点蚀的发生(sheng)。

从宏(hong)观层(ceng)面看(kan)，“好多(duo)水(shui)”也意味(wei)着对金属材料(liao)的“应(ying)用场(chang)景”提(ti)出了更高(gao)的要(yao)求。船舶(bo)、海洋工(gong)程(cheng)、水下管(guan)道、水(shui)处理(li)设(she)备，这(zhe)些(xie)暴(bao)露在(zai)水(shui)环境中的重(zhong)要设施(shi)，无一(yi)不在经受(shou)着水(shui)分的考验(yan)。工程(cheng)师们(men)在设计这(zhe)些设(she)施时，不仅要考(kao)虑金属(shu)材料本(ben)身的(de)力(li)学(xue)性能，更要(yao)深入(ru)研(yan)究其(qi)在(zai)特(te)定水(shui)分(fen)环境下的(de)耐(nai)腐蚀性(xing)能。

这(zhe)不仅(jin)是对(dui)材料(liao)科学(xue)的挑(tiao)战，更是(shi)对工(gong)程(cheng)设(she)计(ji)智慧(hui)的考验。

总而(er)言(yan)之，“铜(tong)钢铜(tong)铜(tong)铜好多(duo)水”这(zhe)句(ju)话(hua)，以一(yi)种极(ji)其形(xing)象(xiang)生(sheng)动的方式(shi)，点明(ming)了(le)金(jin)属材料与水分之间复杂而重要的关系(xi)。它不仅仅(jin)是(shi)一(yi)个简(jian)单的现象(xiang)描述(shu)，更(geng)是对金(jin)属腐蚀(shi)、材料选(xuan)型、以及工业应(ying)用中环境(jing)保护(hu)等一系(xi)列(lie)问题(ti)的深度隐喻。理(li)解(jie)了(le)水分(fen)对铜、钢(gang)等金(jin)属(shu)的“影(ying)响”，我(wo)们才能更(geng)好地驾驭这些(xie)材料，让它(ta)们(men)在(zai)各种(zhong)环(huan)境中发(fa)挥出(chu)最大(da)的价(jia)值(zhi)，同(tong)时规(gui)避(bi)潜(qian)在的(de)风险(xian)。

探究金属(shu)材(cai)料(liao)与水分的(de)关系(xi)：从腐(fu)蚀(shi)机理到智慧(hui)“治水(shui)”

承(cheng)接(jie)上一(yi)部分对“铜(tong)钢铜(tong)铜铜好多(duo)水”这(zhe)句话(hua)的(de)初步解(jie)读，我们已(yi)初步(bu)认识(shi)到水分对(dui)金属材料(liao)，特别(bie)是铜(tong)和(he)钢，会引发一系列(lie)化学(xue)反应(ying)，导(dao)致其(qi)性(xing)能发(fa)生(sheng)变(bian)化(hua)。现在，让我们(men)更深(shen)入地(di)探究这种(zhong)“关系”，从(cong)微观的(de)腐蚀机理(li)到宏(hong)观的(de)工(gong)业(ye)应对策略，揭(jie)示(shi)人类(lei)如(ru)何与“好(hao)多水(shui)”博弈，守(shou)护(hu)金属(shu)的“青(qing)春(chun)”。

微观视(shi)角下(xia)的(de)“水(shui)”与“金属”的(de)博弈：腐蚀(shi)的“潜(qian)规则”

金属(shu)腐(fu)蚀，本(ben)质上是一(yi)种金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)在(zai)环境作(zuo)用下(xia)发生的化(hua)学或(huo)电化(hua)学(xue)的破坏(huai)过程。而(er)水分，在(zai)许多(duo)腐蚀过程(cheng)中扮(ban)演(yan)着至关重(zhong)要的角(jiao)色(se)。

电(dian)化学(xue)腐蚀的“润(run)滑剂(ji)”与(yu)“桥梁”：对(dui)于绝大多(duo)数金(jin)属(shu)，尤其是钢材(cai)，其(qi)在(zai)潮(chao)湿(shi)环境(jing)下(xia)的(de)腐蚀是典(dian)型的(de)电化学(xue)腐(fu)蚀。水(shui)分(fen)提供(gong)了(le)离子在金(jin)属表面扩(kuo)散的介(jie)质(zhi)，它就(jiu)像(xiang)一(yi)个(ge)“润滑剂(ji)”，使(shi)得(de)金属(shu)表(biao)面(mian)微观电池(chi)的阳极(ji)反(fan)应（金属溶解）和(he)阴极(ji)反应（氧(yang)气还原(yuan)或析(xi)氢）能够顺利进(jin)行(xing)。

如果没(mei)有水膜的存在，这些(xie)反应(ying)会大(da)大减缓(huan)甚至停止。想(xiang)象一(yi)下，干燥的(de)空(kong)气(qi)中(zhong)，钢材的(de)锈蚀(shi)速度(du)远低(di)于潮湿的环境(jing)，这(zhe)就是水(shui)分的(de)关(guan)键(jian)作用。催(cui)化(hua)与加速：某(mou)些溶解在水(shui)中(zhong)的物质(zhi)，如酸、碱(jian)、盐类，能够显著加(jia)速金属的(de)腐蚀。例如，海水中(zhong)的氯(lv)离子（Cl-）会破(po)坏金属表(biao)面的(de)钝化(hua)膜(mo)（一(yi)种(zhong)致(zhi)密的氧化膜(mo)，能(neng)起到(dao)保护(hu)作用(yong)），使得金属更容(rong)易(yi)受到侵蚀，形(xing)成点(dian)蚀。

而酸性(xing)雨水中的H+离子(zi)，则直接作(zuo)为氧(yang)化剂参与反(fan)应(ying)，加速钢材(cai)的腐蚀。形成(cheng)腐蚀产(chan)物：水(shui)分不仅(jin)是(shi)腐蚀(shi)的“催化剂(ji)”，它本身(shen)也(ye)是(shi)腐(fu)蚀(shi)产(chan)物的重要(yao)组成(cheng)部(bu)分。如前所述(shu)，钢锈的主(zhu)要(yao)成(cheng)分(fen)是(shi)水合(he)氧化(hua)铁(tie)，铜绿是(shi)碱式碳(tan)酸(suan)铜。这些腐(fu)蚀(shi)产物(wu)往(wang)往疏松多(duo)孔，无(wu)法(fa)形成有(you)效的(de)保护层(ceng)，反(fan)而会(hui)加(jia)速内部金属(shu)的腐蚀(shi)。

智慧“治(zhi)水”：守(shou)护金属的(de)“不(bu)老泉(quan)”

面(mian)对水(shui)分(fen)带(dai)来的(de)挑(tiao)战(zhan)，人(ren)类(lei)发展出一系列(lie)智慧的“治(zhi)水”策(ce)略，以保护(hu)金(jin)属(shu)材料的性(xing)能和延长(zhang)其使(shi)用寿命(ming)。

材(cai)料选(xuan)择的(de)“精准定位(wei)”：不同(tong)的(de)应(ying)用(yong)场(chang)景(jing)，需要选择最适合(he)的(de)金(jin)属材料。在海(hai)边(bian)或潮湿(shi)地区，工(gong)程师(shi)们会优先考(kao)虑(lv)耐(nai)腐蚀(shi)性更强(qiang)的合金(jin)，如不锈(xiu)钢、铜(tong)合金(jin)（如黄(huang)铜(tong)、青(qing)铜）、铝合金等。例(li)如，航海(hai)设(she)备和近海建筑(zhu)会大量(liang)使(shi)用耐(nai)海水腐蚀(shi)的合金。防(fang)护(hu)涂层的“坚实(shi)壁垒(lei)”：这是最常(chang)见(jian)也最有(you)效的防护(hu)手段(duan)之一。

通过在金(jin)属表面涂(tu)覆(fu)一(yi)层保(bao)护(hu)层(ceng)，隔绝金属与水(shui)分、氧气等腐蚀(shi)介(jie)质(zhi)的(de)接触。油漆和聚合(he)物涂层：这(zhe)是最普遍(bian)的防护(hu)方(fang)法(fa)，如(ru)建筑(zhu)钢结构、汽(qi)车(che)车(che)身等都(dou)经(jing)过喷(pen)涂处理。金(jin)属涂(tu)层：如(ru)镀(du)锌（冷镀(du)、热镀），在(zai)钢(gang)材表(biao)面形(xing)成一层(ceng)锌(xin)的保(bao)护层(ceng)，锌比铁更(geng)活(huo)泼，会优(you)先被(bei)腐(fu)蚀(shi)，起到(dao)“牺牲阳(yang)极”的作(zuo)用。

陶瓷或(huo)无机(ji)涂(tu)层(ceng)：具有(you)更高(gao)的硬(ying)度和(he)耐高(gao)温、耐(nai)化学腐(fu)蚀(shi)性，适(shi)用于更苛(ke)刻(ke)的(de)环(huan)境(jing)。电(dian)化(hua)学防(fang)护的“另(ling)辟蹊径(jing)”：牺(xi)牲阳极(ji)保护：将比(bi)被保护(hu)金属更(geng)活泼(po)的金属（如锌、铝(lv)、镁合金(jin)）连接到(dao)被保护金(jin)属上(shang)。当发生(sheng)电化(hua)学(xue)腐蚀时(shi)，活(huo)泼金(jin)属会优先(xian)失去(qu)电子(zi)被(bei)腐(fu)蚀，从而保(bao)护了主体(ti)金属(shu)。

这(zhe)在(zai)船(chuan)舶(bo)、管(guan)道、桥梁等结(jie)构中应(ying)用广泛(fan)。外加电流(liu)保护(hu)：通过外(wai)部电源(yuan)，在被(bei)保(bao)护金属(shu)上(shang)施加一个负(fu)电位，阻(zu)止金属(shu)失电子，从(cong)而抑(yi)制腐蚀(shi)。这(zhe)通常(chang)用于(yu)埋地管道(dao)、储罐(guan)等(deng)。结构设(she)计的“巧妙规避”：在设计中，尽量(liang)避(bi)免(mian)可(ke)能积聚(ju)水分(fen)的结构（如(ru)缝隙、死角），采用有(you)利(li)于排水和(he)通(tong)风的设计，也能有效(xiao)降低腐蚀(shi)风(feng)险。

例(li)如，在(zai)建筑设计(ji)中，通(tong)过合理(li)的(de)排(pai)水系统(tong)和结构(gou)连(lian)接方式，减(jian)少雨(yu)水等(deng)对(dui)钢结构(gou)的(de)侵蚀。水质(zhi)处(chu)理(li)的(de)“源(yuan)头控(kong)制(zhi)”：对于(yu)一些对金属材(cai)料(liao)有(you)特殊(shu)要求的工业用(yong)水(shui)（如锅炉用水(shui)、循环(huan)冷(leng)却水），会对其(qi)水(shui)质(zhi)进行处理，去除(chu)腐蚀(shi)性物(wu)质(zhi)，或(huo)者添(tian)加缓蚀剂，从源(yuan)头上(shang)降(jiang)低(di)腐(fu)蚀的发生。

“铜(tong)钢(gang)铜铜铜(tong)好多水”的启示(shi)：科(ke)技与自(zi)然的和谐共处(chu)

“铜钢铜铜(tong)铜好(hao)多水”，这(zhe)句(ju)朴(pu)实的(de)话(hua)语(yu)，实(shi)则蕴含着(zhe)深(shen)刻(ke)的科(ke)学(xue)道理和工程(cheng)智慧。它(ta)提(ti)醒(xing)我们，即便如(ru)铜、钢这样坚(jian)固的金(jin)属，在看似柔弱(ruo)的水分(fen)面前，也(ye)需(xu)要精心的呵(he)护。反(fan)之，也(ye)正是(shi)对这(zhe)种“弱点”的(de)深刻理解(jie)，驱动(dong)着(zhe)材料(liao)科学的(de)不断(duan)进步，催生了(le)种类繁(fan)多(duo)的(de)防腐(fu)技(ji)术和材(cai)料。

从微(wei)观的分(fen)子层面(mian)，到宏(hong)观(guan)的工程(cheng)应(ying)用，人类不(bu)断学(xue)习、适应并“驯服(fu)”自然(ran)的力(li)量(liang)。探(tan)究金(jin)属材(cai)料(liao)与水分(fen)的关(guan)系(xi)，不仅(jin)仅(jin)是为(wei)了解(jie)决(jue)眼前的(de)腐蚀问题(ti)，更是为了更(geng)好(hao)地(di)理解材(cai)料的(de)本质，实现科技(ji)与自(zi)然(ran)的和谐(xie)共处，让这(zhe)些金(jin)属材(cai)料在人类(lei)社(she)会(hui)的发(fa)展进(jin)程中(zhong)，继(ji)续(xu)担当(dang)起它们(men)应(ying)有的(de)重任。

在(zai)未来，随(sui)着新材料的不(bu)断(duan)涌现和防护(hu)技术的进一(yi)步(bu)发(fa)展(zhan)，我们(men)有(you)理(li)由相信，金属材料(liao)与水分的关(guan)系将(jiang)更加(jia)可控(kong)，它们将以(yi)更坚(jian)韧、更持久的姿(zi)态，服务(wu)于人类文明(ming)的(de)方(fang)方面面。

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图片来源：每经记者 陶敏明 摄

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