На уроках химии, на лекциях часто по­казывают эффектный опыт горения стальной проволоки в чистом кисло­роде. К счастью, в атмосфере Земли кислород составляет лишь пятую часть, поэтому горение железных и стальных изделий сильно замедляется. Но не пре­кращается! Этот незримый пожар, кото­рый называется коррозией, ежегодно разрушает десятки миллионов тонн вы­плавляемого металла. Коррозия не прос­то уничтожает металл, на выплавку которого были затрачены огромные усилия. Она выводит из строя готовые изделия, а их стоимость неизмеримо вы­ше стоимости самого металла. Коррозия не щадит ни миниатюрные точные дета­ли, ни огромные мосты.

Особенно опасна она в тех местах, где металл находится под нагрузкой. Если с помощью мощного пресса не­много сплющить стальные шарики от подшипников, а затем эти шарики, на­ходящиеся под сильным внутренним напряжением, поместить в разбавлен­ный раствор соляной кислоты, то через некоторое время, когда кислота разъест поверхностный слой, энергия напряже­ния внезапно освобождается, и шари­ки взрываются с громким звуком.

На защиту металлов от коррозии тратятся огромные средства. Например, очень длинные мосты красят непрерыв­но: дойдя до конца (на что уходят иног­да годы), возвращаются к началу. В промышленно развитых странах убытки от коррозии и затраты на защиту от неё достигают почти 5% от национально­го дохода.

Одно из неприятных свойств ржав­чины заключается в том, что она зани­мает намного больший объём, чем ис­ходный металл. Это может вызвать катастрофические последствия: хотя с виду ржавчина кажется рыхлой и мяг­кой, при её росте развиваются гигант­ские усилия. Когда в Лондоне по про­екту Кристофера Рена в 1675—1710 гг. строили грандиозный собор Святого Павла, каменные блоки колокольни для прочности соединили железными ско­бами, которые были уложены в желоб­ки, выдолбленные в камне. За сотни лет скобы проржавели, увеличились в объ­ёме и стали поднимать каменную клад­ку, отчего колокольню перекосило. Инженеры подсчитали: давление, развива­емое ржавчиной, настолько велико, что приподняло бы даже двухкиломет­ровый слой камней! Пришлось разо­брать кладку и вставить в желобки но­вые скобы из нержавеющей стали.

Скорость окисления железа очень сильно зависит от обшей поверхности соприкосновения металла и воздуха. Так, обычный гвоздь, даже если он сильно нагрет, не скоро превращается в окалину. Мелкие опилки при сильном нагреве быстро сгорают, а при внесе­нии в пламя — вспыхивают в виде искр. Химическим способом — восста­новлением оксидов железа водоро­дом — можно получить ещё более мел­кий порошок железа; его называют пирофорным. Он вспыхивает на возду­хе уже при обычной температуре. Пи­рофорными могут быть и многие дру­гие металлы в мелкораздробленном состоянии, а также оксид FeO.

Обычно этот опыт объясняют увели­чением поверхности соприкосновения реагентов. Действительно, у очень мел­кого порошка железа поверхность мо­жет быть огромной. Так, железный ку­бик с ребром 1 см имеет поверхность 6 см², а если бы удалось распилить его на мелкие частицы с ребром 1 мкм (К)-⁴ см), то общая площадь их поверх­ности увеличилась бы в 10 тыс. раз и со­ставила бы уже 6 м² при неизменных объёме и массе вещества.

Однако только увеличением по­верхности нельзя объяснить очень вы­сокую скорость окисления пирофорно­го железа на воздухе. Ведь железный лист площадью 6 м² окисляется очень медленно. Значит, необходимо учи­тывать влияние других факторов. Ока­зывается, чем мельче частицы, тем больше в них имеется нарушений в рас­положении атомов железа в кристалле. Атомы железа в частичках пирофорно­го металла обладают значительно боль­шей реакционной способностью, чем те же атомы на большой «гладкой» по­верхности.

Быстрое сгорание пирофорного же­леза связано также с малой скоростью теплооотвода из зоны реакции. При окислении очень мелкой частицы желе­за теплота реакции не может уйти в глубь металла и в основном расходует­ся на её нагревание. А чем выше тем­пература, тем быстрее скорость реакции. В результате железные пылинки быстро сгорают.

Моделируя различные условия окисления железа, учёные проделали интересный эксперимент. На стеклян­ную пластинку толщиной 0,1 мм напы­лили в вакууме тончайшую плёнку же­леза толщиной всего 0,15 мкм. Затем пластинку вынесли на воздух и быстро нагрели. Теплопроводность стекла не­велика, поэтому почти вся тепловая энергия, выделявшаяся в ходе реак­ции окисления железа, расходовалась на нагрев металлической плёнки. Это привело к необычным последствиям. В плёнке образовывались микроскопи­ческие зародыши продукта реакции — оксида, которые непрерывно росли. При этом скорость роста вглубь состав­ляла 2 мкм в секунду, а в стороны — 1 см в секунду, т. е. в 5 тыс. раз быст­рее. Плёнка фактически сгорала прямо на глазах!

Если на тонкую прозрачную плёнку попадает свет и отражается от наруж­ной и внутренней её границы (очень тонкие плёнки оксида железа прозрач­ны), возникает интересное физическое явление — интерференция света. Именно этим объясняется появление радуж­ных колец на воде или на мокром ас­фальте, когда на поверхность попада­ет капля машинного масла.

Разная скорость окисления железа вглубь и вширь приводит к тому, что пятно оксида железа в ходе реакции по­лучается неравномерным по толщине: в центре оно толще, по краям — тоньше. Каждой толщине пятна соответствует свой цвет, поэтому пятно оксида окра­шено в разные цвета. Но если плёнка масла на воде не меняется со временем, то толщина оксидного пятна на железе в ходе реакции растёт. В результате цветные кольца бегут от центра к кра­ям. Обычно фиксируется три-четыре цветных волны, после чего железная плёнка полностью переходит в оксид.

Иногда такие волны можно видеть и на поверхности сильно накаливае­мого стального предмета. Когда его поверхность начинает покрываться тонкой плёнкой оксида, возникает яв­ление, которое металлурги называют цветами побежалости: предмет окра­шивается попеременно в разные цвета, начиная с бледно-жёлтого и кончая тёмно-синим.