왜 어떤 금속은 녹슬고, 어떤 금속은 녹슬지 않을까요?

Question

안녕하세요. 철은 쉽게 산화되지만 금이나 백금은 잘 부식되지 않는데 이는 표준환원전위와 어떤 관련이 있을까요? 또한 스테인리스강은 왜 녹이 잘 슬지 않는지, 표면 산화피막 개념을 어떻게 적용하여 설명할 수 있을까요?

Answer 1

안녕하세요.

금속이 녹스는 과정은 본질적으로 산화-환원 반응인데요 금속 원자가 전자를 잃고 이온 형태로 바뀌는 산화 과정이 일어나면, 그 전자는 보통 물속의 산소나 수소 이온 같은 다른 물질이 받아들이게 됩니다. 이때 금속이 얼마나 쉽게 전자를 잃는지는 표준환원전위와 직접적으로 관련이 있습니다.

표준환원전위는 그 물질이 전자를 얼마나 잘 얻는가를 나타내는 값인데요 값이 높을수록 전자를 잘 얻고, 따라서 반대로 말하면 그 금속 자체는 전자를 잃기 어렵습니다. 예를 들어 금과 백금은 표준환원전위가 매우 높아서, 스스로 산화되어 이온으로 변하려는 경향이 매우 약한데요 그래서 공기 중 산소나 물과 거의 반응하지 않고, 녹이 잘 슬지 않는 금속으로 분류됩니다.

반대로 철은 표준환원전위가 상대적으로 낮아 전자를 잃기 쉬운데요 즉, 철은 산화되기 쉬운 금속입니다. 공기 중 산소와 수분이 존재하면 철은 Fe²⁺ 또는 Fe³⁺ 이온으로 산화되고, 이것이 수산화물과 결합하여 산화철을 형성하는데요 이 과정은 전기화학적으로 보면 작은 갈바닉 전지와 비슷한 미세 전지 반응이 금속 표면에서 일어나는 것입니다. 이때 중요한 점은 산화되느냐와 부식이 진행되느냐가 항상 같은 의미는 아니라는 것인데요 어떤 금속은 산화되긴 하지만, 그 산화물이 표면을 치밀하게 덮어 더 이상의 반응을 막는 경우가 있습니다. 대표적인 예가 스테인리스강인데 스테인리스강은 철에 약 10.5% 이상의 크롬을 첨가한 합금입니다. 크롬은 산소와 매우 잘 반응하여 Cr₂O₃라는 매우 얇고 치밀한 산화피막을 형성하는데 이 산화피막은 두께가 수 나노미터에 불과하지만, 구조적으로 매우 안정하고 금속 표면에 강하게 밀착되어 있어 산소와 물이 내부 철까지 확산되는 것을 막습니다. 따라서 내부의 철은 더 이상 쉽게 산화되지 않게 되는 것입니다. 감사합니다.