北京科普 | 氯气与水的腐蚀反应方程式、原理及耐腐蚀钛、哈氏合金选择

在常温常压下，氯气是一种黄绿色且有剧烈刺激性气味的剧毒气体。氯气对环境有严重危害，对水体可造成污染。同时，氯气可助燃，具有强氧化性，湿润的氯气具有强腐蚀性。

以下说提及的氯气指干氯气，对水的安全浓度有严格的规定，而水的安全浓度与温度又紧密相关。

腐蚀反应方程式及原理（氯气与水的反应）如下：

Cl2+ H2O → H++ Cl-+ HClO

HClO → ClO-+ H+

由以上反应方程可知，氯气与水接触产生极强的酸性，从而对Fe基金属材质产生严重腐蚀。

氯气与碳钢的反应如下：

2Fe+3Cl2→ 2FeCl3+Q

铁表面氧化铁的多孔锈层不能提供任何防腐保护。在接触到足够的氯气时，铁与氯气发生反应，并被一层固体、致密和黏附的三氯化铁覆盖。正是这一致密的反应层保护下面的铁免受氯的进一步侵蚀。

在这种反应中形成的固体氯化铁是一种非常吸湿的盐。根据含水量，它可以与水形成5种不同的水合物：n=2、2.5、3.5、6或10的FeCl3·nH2O。反应方程式如下：

FeCl3+nH2O → FeCl3·nH2O

这些固体水合物具有自己的熔化温度，不同水合物的熔点远低于固体FeCl3(Tm=304°C)的熔点。只要水、FeCl3及其水合物保持固体，如果没有侵蚀层，就不会发生腐蚀，因为无法形成电解质。这些固体水合物甚至能像FeCl3一样，保护铁免受氯的进一步攻击。但是如果水含量增加或升高温度，均会使氯化铁水合物熔解，形成FeCl3的浓溶液（电解质），FeCl3的水溶液将与铁反应生成FeCl2，从而对铁、钢和许多其他合金具有很强的腐蚀性。表1列出了几种金属材料在FeCl3水溶液中的耐腐蚀性。

由表可知，碳钢的腐蚀速度很快(0.5 mm/d)，管道或容器可在7 d甚至更短的时间腐蚀穿孔，不锈钢显示严重点蚀，而哈氏合金、钛材及纯钽可以很好地耐湿氯的腐蚀，但这3种特材同时也非常昂贵。

三氯化铁的物理性质决定了钢的耐氯性，而三氯化铁层的稳定性取决于氯的含水量。因此，碳钢安全用于氯气介质的前提是氯化铁的保护层不因高含量水和高温而潮解或熔化。

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