خوردگی (Corrosion)1: تخریب فلز بر اثر واکنش اکسایش-کاهش
خوردگی چیست و چرا اتفاق میافتد؟
تصور کنید یک دوچرخهٔ فلزی جدید و براق را در حیاط خانه، در معرض باران و برف رها کنید. پس از چند ماه، بخشهای فلزی آن لکههای نارنجی-قهوهای پیدا میکنند و ضعیف میشوند. این همان خوردگی یا زنگزدن است. در حقیقت، خوردگی بازگشت فلز به حالت پایدارتری است که در طبیعت وجود دارد. بیشتر فلزات به صورت سنگ معدن (مانند اکسید آهن) در زمین یافت میشوند. انسانها با صرف انرژی، فلز خالص را از این سنگها استخراج میکنند. خوردگی، فرآیندی طبیعی است که در آن فلز خالص، دوباره تمایل دارد به همان حالت ترکیبی پایدار (مثل اکسید) برگردد.
سه عامل اصلی برای وقوع خوردگی لازم است:
- آند2: ناحیهای از فلز که الکترون از دست میدهد (اکسید میشود).
- کاتد3: ناحیهای دیگر از همان فلز یا فلز دیگر که الکترون میگیرد (کاهش مییابد).
- الکترولیت4: یک محیط رسانای حاوی یونها (مانند آب نمک یا رطوبت هوا).
$ 4Fe + 3O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3 $
هیدروکسید آهن (III) که تشکیل میشود، همان زنگ آهن (Rust) است که شل و متخلخل است و از ادامهٔ خوردگی جلوگیری نمیکند.
انواع رایج خوردگی در زندگی روزمره
خوردگی فقط به صورت زنگزدن یکنواخت نیست. بسته به شرایط، شکلهای مختلفی به خود میگیرد که برخی خطرناکترند.
| نوع خوردگی | شرح و مکانیسم | مثال ملموس |
|---|---|---|
| خوردگی یکنواخت | تخریب تقریباً یکسان در تمام سطح فلز. رایجترین نوع. | زنگ زدن ورق فولادی در فضای باز. |
| خوردگی حفرهای | ایجاد حفرههای کوچک و عمیق روی سطح. بسیار خطرناک زیرا تشخیصش سخت است. | لولههای آب گرم یا بدنهٔ کشتی در آب دریا. |
| خوردگی شکافی | در شکافهای باریک (مثل زیر واشر پیچ) که اکسیژن کم است رخ میدهد. | اتصال پیچ و مهرههای فلزی در محیط مرطوب. |
| خوردگی گالوانیک | وقتی دو فلز متفاوت در تماس با هم و در حضور الکترولیت قرار گیرند. فلز فعالتر (آند) سریعتر خورده میشود. | اتصال مس (کاتد) به آهن (آند) در یک مدار آبی. لولهکشیهای نامناسب. |
مثال علمی: اگر یک میخ آهنی را در یک لیوان حاوی آب مقطر خالص قرار دهید، خوردگی بسیار کند خواهد بود. اما اگر به همان آب، کمی نمک طعام (NaCl) اضافه کنید، خوردگی میخ به شدت افزایش مییابد. دلیلش این است که نمک، یونهای آزاد را افزایش داده و رسانایی الکترولیت (آب) را بیشتر میکند.
چگونه با خوردگی مبارزه کنیم؟ (روشهای حفاظت)
هدف از حفاظت در برابر خوردگی، قطع کردن ارتباط بین فلز و یکی از سه عامل اصلی (آند، کاتد یا الکترولیت) است. روشهای مختلفی برای این کار وجود دارد.
| روش حفاظت | توضیح روش | کاربرد مثال |
|---|---|---|
| پوششهای محافظ | ایجاد یک لایهٔ فیزیکی بین فلز و محیط. میتواند فلزی (مانند روی) یا غیرفلزی (رنگ، روغن، پلاستیک) باشد. | رنگآمیزی بدنهٔ خودرو، گالوانیزه کردن (Galvanizing) لولههای آب. |
| حفاظت کاتدی | فلز مورد نظر را به یک فلز «قربانی» فعالتر (مانند منیزیم یا روی) متصل میکنیم. این فلز قربانی به عنوان آند عمل کرده و خورده میشود و از خوردگی فلز اصلی (که حالا کاتد شده) جلوگیری میکند. | لولههای زیرزمینی نفت و گاز، بدنههای فولادی کشتیها. |
| آلیاژسازی | اضافه کردن عناصر دیگر به فلز پایه برای ایجاد آلیاژی با مقاومت خوردگی بالاتر. | فولاد زنگنزن (Stainless Steel) که حاوی کروم و نیکل است. |
| کنترل محیط | حذف عوامل خورنده از محیط اطراف فلز، مانند کاهش رطوبت یا حذف اکسیژن. | بستهبندی لوازم فلزی در بستههای حاوی مادهٔ جاذب رطوبت و اکسیژن (Desiccant). |
در روش گالوانیزه، یک لایه از فلز روی (Zn) بر روی آهن کشیده میشود. روی فعالتر از آهن است و حتی اگر پوشش خراش بردارد، باز هم به عنوان آند قربانی عمل کرده و از خوردگی آهن محافظت میکند. واکنش آن به این صورت است:
$ Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^- $ (اکسایش روی - آند)
$ O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^- $ (کاهش اکسیژن - کاتد روی آهن)
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای عملی دانش خوردگی
مطالعهٔ خوردگی فقط برای جلوگیری از تخریب نیست، گاهی از این فرآیند به نفع خود استفاده میکنیم!
باتریهای خشک: عملکرد یک باتری معمولی بر اساس اصول خوردگی کنترلشده است. در باتری قلمی، پوستهٔ روی (Zn) به عنوان آند، در تماس با خمیر الکترولیت، اکسید شده و الکترون تولید میکند. این الکترونها از طریق سیم به کاتد (میلهٔ کربنی) رفته و باعث روشن شدن لامپ میشوند. این یک سلول الکتروشیمیایی مفید است.
مجسمههای برنزی با پتینه6 سبز: رنگ سبز زیبای مجسمههای قدیمی مانند مجسمهٔ آزادی، نتیجهٔ خوردگی کنترلشدهٔ مس است. این لایهٔ سبز که زنگار7 نام دارد (CuCO_3.Cu(OH)_2)، در واقع یک لایهٔ محافظ پایدار ایجاد میکند و از خوردگی بیشتر فلز زیرین جلوگیری میکند.
پیشبینی عمر سازهها: مهندسان با مطالعهٔ نرخ خوردگی در محیطهای مختلف، میتوانند عمر مفید پلهای فلزی، خطوط لوله و اسکلهها را پیشبینی و برای نگهداری آنها برنامهریزی کنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
۱. Corrosion: خوردگی.
۲. Anode: الکترودی که در آن اکسایش (از دست دادن الکترون) رخ میدهد.
۳. Cathode: الکترودی که در آن کاهش (گرفتن الکترون) رخ میدهد.
۴. Electrolyte: محیطی (معمولاً مایع) که حاوی یونهای آزاد است و میتواند جریان الکتریسیته را هدایت کند.
۵. Electrochemical Cell: سلول الکتروشیمیایی، سیستمی که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند یا برعکس.
۶. Patina: پتینه، لایهٔ نازک و اغلب رنگی که بر سطح مس، برنز و برخی فلزات دیگر در اثر گذشت زمان و اکسایش تشکیل میشود.
۷. Verdigris: زنگار، نام متداول برای کربنات مس باز (CuCO_3.Cu(OH)_2) که رنگ سبز-آبی دارد.
۸. Noble Metals: فلزات نجیب، فلزاتی که در برابر خوردگی و اکسید شدن مقاومت بسیار بالایی دارند (مانند طلا، پلاتین، نقره).
