واکنشپذیری فلزات: چرا بعضی فلزها زود زنگ میزنند؟
واکنشپذیری یعنی چه؟
تصور کن یک تکه منیزیم1 و یک تکه طلا را در هوای آزاد رها کنیم. بعد از چند هفته، منیزیم کاملاً کدر و پوشیده از یک لایه سفید میشود، اما طلا درخشش اولیه خود را حفظ میکند. این تفاوت، نشاندهنده تفاوت در واکنشپذیری2 این دو فلز است. واکنشپذیری به معنای تمایل و سرعت یک ماده (مثل فلز) برای شرکت در واکنش شیمیایی با مواد دیگر (مثل اکسیژن هوا، آب یا اسیدها) است. هرچه این تمایل و سرعت بیشتر باشد، میگوییم فلز واکنشپذیرتر است.
واکنش فلزات با اکسیژن هوا و تولید اکسید فلز، یکی از رایجترین واکنشهاست که به آن اکسیداسیون3 میگوییم. اکسید آهن که همان زنگ آهن است، معروفترین مثال است: $4Fe + 3O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3$. شدت و سرعت این واکنش در فلزات مختلف، یکسان نیست.
سری واکنشپذیری فلزات؛ از پرجنبوجوش تا آرام!
شیمیدانان فلزات را بر اساس میزان واکنشپذیریشان، در یک لیست منظم به نام سری واکنشپذیری4 چیدهاند. فلزات فعال در بالا و فلزات کمفعال در پایین این لیست قرار دارند.
| فلز | نمونهای از کاربرد | واکنش با اکسیژن هوا | سطح واکنشپذیری |
|---|---|---|---|
| پتاسیم (K) / سدیم (Na) | ترکیبات صنعتی، نمک خوراکی | خیلی سریع و شدید (در مجاورت هوا میسوزند) | خیلی زیاد |
| منیزیم (Mg) | بدنه دوچرخه، فشفشه | سریع (با حرارت دادن میسوزد و نور سفید تولید میکند) | زیاد |
| آلومینیوم (Al) | قاب پنجره، فویل آشپزی | سریع اما لایه اکسید محافظ تشکیل میدهد | متوسط |
| آهن (Fe) | پل، خودرو، میخ | کند (زنگ زدن در حضور رطوبت) | متوسط رو به کم |
| مس (Cu) | سیم برق، سکه | خیلی کند (سبز شدن مجسمهها در طول سالیان) | کم |
| طلا (Au) / پلاتین (Pt) | جواهرات، تراشههای الکترونیکی | عملاً هیچ (تغییر نمیکنند) | بسیار کم |
این جدول به ما نشان میدهد که چرا از طلا برای جواهرسازی استفاده میکنیم (زیرا کدر و زنگزده نمیشود) و چرا برای محافظت از آهن در برابر زنگزدن، باید آن را رنگ میزنیم یا گالوانیزه میکنیم.
عوامل مؤثر بر سرعت واکنش
حالا که فهمیدیم فلزات ذاتاً واکنشپذیری متفاوتی دارند، بیایید ببینیم برای یک فلز مشخص (مثل آهن) چه عواملی میتواند سرعت زنگ زدن را کم یا زیاد کند. این عوامل در بسیاری از واکنشهای شیمیایی دیگر هم نقش دارند.
۱. دما: با افزایش دما، سرعت واکنش به شدت افزایش مییابد. آهن سرد در هوا به آهستگی زنگ میزند، اما اگر آهن را گداخته کنیم (1000 درجه سانتیگراد)، به سرعت با اکسیژن میسوزد و اکسید آهن تشکیل میدهد. مثال دیگر: قرار دادن مواد غذایی در یخچال، سرعت فاسد شدن (که یک نوع واکنش شیمیایی است) را کم میکند.
۲. سطح تماس: هرچه سطح تماس ماده با اکسیژن بیشتر باشد، واکنش سریعتر رخ میدهد. یک تکه آهن جامد به کندی زنگ میزند، اما برادههای آهن بسیار ریز میتوانند حتی در هوا آتش بگیرند! پودر آلومینیوم در آتشبازیها به همین دلیل به سرعت میسوزد.
۳. کاتالیزور5: مواد خاصی هستند که سرعت واکنش را زیاد میکنند، اما خودشان مصرف نمیشوند. در بدن ما، آنزیمها نقش کاتالیزور را بازی میکنند.
۴. غلظت: هرچه غلظت ماده واکنشدهنده (مثل اکسیژن) بیشتر باشد، سرعت واکنش بیشتر است. آهن در هوای معمولی کند میزنگد، اما اگر درون خالص اکسیژن قرار بگیرد، به سرعت میسوزد.
از نظریه تا عمل: انتخاب فلز مناسب برای کاربرد مناسب
مهندسان و طراحان با توجه به واکنشپذیری فلزات، بهترین گزینه را برای ساخت وسایل انتخاب میکنند. چند مثال از زندگی خودمان:
• قاب پنجرههای آلومینیومی: آلومینیوم واکنشپذیر است، اما لایه اکسید نازک و محکمی روی آن تشکیل میشود که مانع از خوردگی بیشتر میشود. به همین دلیل سبک و بادوام است.
• سیمهای مسی در سیمکشی برق: مس واکنشپذیری کمی دارد و در برابر خوردگی مقاوم است. همچنین رسانای خوبی برای جریان برق است. اگر از آهن استفاده میکردیم، زنگ میزد و باعث اتصالی میشد.
• روکش قلع بر روی قوطیهای کنسرو: آهن (فولاد) بدنه قوطی را میسازد. قلع واکنشپذیری کمتری دارد و با پوشش دادن آهن، مانع از تماس آن با غذا و هوا میشود و از زنگزدن و فاسد شدن غذا جلوگیری میکند.
• آبکاری طلا روی زیورآلات ارزانقیمت: از یک فلز پایه (مثل مس) استفاده میکنند و روی آن یک لایه نازک طلا میپوشانند. این کار هم زیبایی طلا را دارد، هم هزینه کمتر است و هم چون طلا واکنش نمیدهد، جلوی تغییر رنگ فلز پایه را میگیرد.
سؤالات رایج و تصورات نادرست
پاسخ: طلا در شرایط معمولی (هوای آزاد، آب، اسیدهای ضعیف) واکنشی نشان نمیدهد. به فلزاتی که مانند طلا و پلاتین بسیار کمواکنش هستند، فلزات نجیب6 میگویند. با این حال، طلا در برابر برخی تیزابهای خاص (مخلوط اسیدهای قوی) حل میشود. پس میتوان گفت واکنشپذیری آن به جای صفر، بسیار بسیار کم است.
پاسخ: نمک (NaCl) یک الکترولیت است و وقتی روی سطح مرطوب آهن باشد، هدایت الکتریکی آب را افزایش میدهد. این امر فرآیند الکتروشیمیایی زنگزدن را که به آن «خوردگی» میگویند، بسیار سریعتر میکند. به همین دلیل خودروها در شهرهای ساحلی که هوا شور است، زودتر زنگ میزنند.
پاسخ: چرا، آلومینیوم هم «زنگ» میزند، اما زنگ آن (اکسید آلومینیوم) با زنگ آهن متفاوت است. لایه اکسید آلومینیوم بسیار نازک، سخت و چسبنده است و مانند یک سپر از فلز زیرین محافظت میکند و از ادامه خوردگی جلوگیری مینماید. بنابراین به نظر میرسد آلومینیوم تغییر نمیکند. در حالی که آهن، اکسیدی متخلخل و شکننده تولید میکند که نمیتواند از ادامه واکنش جلوگیری کند.
پاورقی
1منیزیم (Magnesium): یک فلز سبک و نسبتاً فعال که در ساخت آلیاژ و فشفشه استفاده میشود.
2واکنشپذیری (Reactivity): تمایل یک ماده شیمیایی برای شرکت در واکنش شیمیایی.
3اکسیداسیون (Oxidation): فرآیندی که در آن یک ماده الکترون از دست میدهد. در معنای سادهتر، ترکیب شدن با اکسیژن.
4سری واکنشپذیری (Reactivity Series): فهرستی از فلزات که بر اساس تمایل آنها به از دست دادن الکترون و تشکیل یون مثبت (کاتیون) مرتب شدهاند.
5کاتالیزور (Catalyst): مادهای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش میدهد، بدون آنکه خود مصرف شود.
6فلزات نجیب (Noble Metals): فلزاتی که در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاومت بالایی دارند، مانند طلا، پلاتین و نقره.
