مقاومت در برابر خوردگی: نبرد پنهان مواد با محیط
خوردگی چیست و چگونه اتفاق میافتد؟
خوردگی مثل یک بیماری برای فلزات و برخی مواد دیگر است. در این بیماری، ماده اصلی با عوامل محیطی واکنش نشان میدهد و به تدریج ضعیف، فرسوده یا کاملاً نابود میشود. معروفترین مثال آن، تبدیل آهن محکم به پودر نرم و قرمز رنگ اکسید آهن یا همان زنگآهن2 است. این اتفاق یک واکنش شیمیایی است. برای وقوع آن، معمولاً سه چیز لازم است:
- یک فلز فعال (مانند آهن) که تمایل به از دست دادن الکترون دارد.
- یک محیط الکترولیت (مثل آب یا یک محلول نمکی که جریان برق را عبور میدهد).
- یک ماده اکسیدکننده (مانند اکسیژن هوا) که آن الکترونها را میگیرد.
وقتی این سه کنار هم قرار میگیرند، یک سلول الکتروشیمیایی کوچک تشکیل میشود و آهن شروع به حل شدن و تبدیل شدن به زنگآهن میکند. فرمول ساده شده این واکنش به این شکل است:
آهن + اکسیژن + آب → هیدروکسید آهن (III) یا همان زنگآهن
عوامل اصلی تشدید کننده خوردگی کدامند؟
سرعت خوردگی به شرایط محیط بستگی دارد. در جدول زیر عوامل اصلی که مثل سوخت، آتش خوردگی را شعلهور میکنند، لیست شدهاند:
| عامل | توضیح | مثال ملموس |
|---|---|---|
| رطوبت و آب | به عنوان الکترولیت عمل کرده و جریان واکنش را برقرار میکند. | زنگ زدگی سریع ابزارهای باغبانی که در فضای باز و مرطوب رها شدهاند. |
| نمکها | قدرت الکترولیت آب را بسیار افزایش میدهند. | خوردگی شدید بدنه خودروها در شهرهای ساحلی یا جادههای نمکی شده در زمستان. |
| اسیدها و بازها | میتوانند مستقیماً با فلز واکنش داده و آن را در خود حل کنند. | سوراخ شدن لولههای فاضلاب یا خوردگی بدنه باتری ماشین به دلیل اسید. |
| خراش و آسیب فیزیکی | پوشش محافظ را از بین برده و فلز خالص را در معرض محیط قرار میدهد. | شروع زنگزدگی از محل یک خط و خش روی رنگ بدنه دوچرخه. |
روشهای محافظت: از رنگ تا فولاد زنگنزن
خوشبختانه دانشمندان و مهندسان روشهای هوشمندانهای برای محافظت از مواد در برابر این دشمن نامرئی ابداع کردهاند. این روشها عموماً بر یک اصل استوارند: جدا کردن ماده از عوامل خورنده محیط.
| روش محافظت | چگونگی عملکرد | مثال کاربردی |
|---|---|---|
| پوششدهی (مثل رنگ، روغن) | ایجاد یک لایه فیزیکی نفوذناپذیر بین فلز و هوا/رطوبت. | رنگآمیزی نردههای آهنی، روغنکاری زنجیر دوچرخه. |
| آبکاری فلزی | پوشاندن فلز با لایهای نازک از فلزی مقاومتر (مثل روی یا کروم). | سطلهای گالوانیزه3 (پوشش با روی)، شیرآلات کرومی. |
| استفاده از آلیاژ4 | مخلوط کردن فلز اصلی با عناصر دیگر برای ایجاد مادهای قویتر و مقاومتر. | فولاد زنگنزن (آهن + کروم + نیکل) برای قاشقچنگال، سینک آشپزخانه. |
| محافظت کاتدی5 | اتصال فلز حساس به یک فلز «قربانی» که زودتر خورده میشود. | استفاده از آند6 رویی در مخازن آب گرم یا بدنه کشتیها. |
مقاومت در عمل: داستان یک دوچرخه و یک قاشق
بیایید با یک مثال ساده موضوع را بهتر درک کنیم. دوچرخهی آهنی قدیمی پدربزرگ را در نظر بگیرید. اگر آن را بدون مراقبت در حیاط مرطوب رها کنیم، به سرعت زنگ میزند. اما اگر:
- آن را رنگ بزنیم (پوشش)،
- بعد از هر بار باران آن را خشک کنیم (حذف الکترولیت)،
- و زنجیرش را مرتب روغنکاری کنیم (پوشش)،
میتواند سالها سالم بماند. حالا قاشق و چنگال استیل آشپزخانه را ببینید. این وسایل از فولاد زنگنزن ساخته شدهاند. این آلیاژ حاوی حدود 11-13% کروم است. کروم با اکسیژن هوا واکنش میدهد و یک لایه بسیار نازک، غیرفعال و چسبنده از اکسید کروم روی سطح ایجاد میکند. این لایه نامرئی مانند یک سپر، از ادامه خوردگی فلز زیرین جلوگیری میکند. به همین دلیل است که این قاشقها با وجود تماس مداوم با آب و مواد غذایی، زنگ نمیزنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. اگرچه زنگزدگی مختص آهن و فولاد است، اما خوردگی یک مفهوم کلیتر است. مواد غیرفلزی نیز میتوانند تخریب شوند. مثلاً تابش شدید آفتاب (پرتو فرابنفش) میتواند باعث تخریب و رنگپریدگی پلاستیک صندلیهای پارک شود، یا رطوبت میتواند چوب را بپوساند. همه اینها نوعی خوردگی محسوب میشوند.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. رنگ کردن روی زنگآهن فقط ظاهر را موقتاً میپوشاند. چون زنگآهن متخلخل است و رطوبت و هوا از زیر رنگ عبور میکنند، خوردگی در زیر لایه رنگ ادامه پیدا میکند و حتی شدیدتر هم میشود. راه صحیح این است که ابتدا تمام زنگآهن را با سمباده یا سیمظرفشویی کاملاً تمیز کرده، سپس یک لایه پوشش ضدزنگ (پرایمر) بزنیم و در انتها رنگ کنیم.
پاسخ: نه همیشه! گاهی از خوردگی کنترلشده استفاده مفید میکنیم. مثال جالب آن، پتینه یا همان لایه سبز-آبی روی مجسمههای مفرغی و مسی قدیمی است. این لایه که از اکسید و کربنات مس تشکیل شده، در واقع یک لایه محافظ زیبا ایجاد میکند که از خوردگی عمقی فلز زیرین جلوگیری میکند. یا تولید باتری هم بر اساس اصول خوردگی کنترل شده (واکنش الکتروشیمیایی) است.
پاورقی
1 مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion Resistance)
2 زنگ آهن (Rust) - فرمول شیمیایی آن عموماً به صورت $ Fe_2O_3 \cdot nH_2O $ (اکسید آهن آبدار) نمایش داده میشود.
3 گالوانیزه (Galvanizing) - فرآیند پوشاندن آهن یا فولاد با لایهای از فلز روی برای محافظت در برابر خوردگی.
4 آلیاژ (Alloy) - مخلوط جامد دو یا چند فلز (یا یک فلز و یک غیرفلز) که خواص بهتری از اجزای تشکیلدهنده خود دارد.
5 محافظت کاتدی (Cathodic Protection) - روشی برای کنترل خوردگی با تبدیل فلز مورد حفاظت به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی.
6 آند (Anode) - در یک سلول الکتروشیمیایی، الکترودی است که اکسیداسیون (از دست دادن الکترون) در آن رخ میدهد و خورده میشود.
