زنگزدگی فقط تغییر رنگ سطح آهن نیست؛ مجموعهای از واکنشهای اکسایشـکاهش است که در حضور رطوبت، بخشهایی از سطح فلز را به آند و بخشهایی دیگر را به کاتد تبدیل میکند. برای پاسخدادن به پرسشهای این مبحث باید بدانیم الکترون درون فلز به کدام سو میرود، یونها در لایه آب چه نقشی دارند و چرا بعضی پوششها حتی پس از خراشخوردن از آهن محافظت میکنند اما بعضی دیگر میتوانند خوردگی را شدیدتر کنند. در ادامه، این فرایند و روشهای کنترل آن را مرحلهبهمرحله بررسی میکنیم.
خوردگی را یک فرایند اکسایشـکاهش ببین
خوردگی، تبدیل ناخواسته یک فلز به ترکیبهای پایدارتر آن در اثر واکنش با محیط است. در خوردگی آهن، اتمهای Fe الکترون از دست میدهند و به یون Fe²⁺ تبدیل میشوند؛ پس آهن اکسایش مییابد و ناحیهای که این نیمواکنش در آن رخ میدهد آند است: Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻.
الکترونهای آزادشده از راه خود قطعه فلزی به ناحیه کاتدی میروند و در یک واکنش کاهشی مصرف میشوند. بنابراین آند محل تولید الکترون و حلشدن آهن است، در حالی که در کاتد آهن الزاماً مصرف نمیشود. این دو ناحیه ممکن است روی یک قطعه و حتی در فاصلهای بسیار کم از یکدیگر تشکیل شوند.
- اکسایش آهن در آند رخ میدهد
- کاهش در ناحیه کاتدی انجام میشود
- الکترون از آند به کاتد و درون فلز حرکت میکند
- کاهش جرم فلز در ناحیه آندی اتفاق میافتد
آب و اکسیژن چگونه مدار خوردگی را کامل میکنند؟
لایه نازک آب روی سطح آهن نقش محیط رسانای یونی را دارد. اکسیژن محلول در آب در ناحیه کاتدی الکترون میگیرد. در محیط خنثی یا بازی، نمایش ساده این نیمواکنش O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq) است. برای برابرشدن شمار الکترونها، نیمواکنش اکسایش آهن را دو برابر میکنیم.
یونهای Fe²⁺ و OH⁻ سپس گونههای هیدروکسیدی میسازند و با ادامه اکسایش و از دستدادن آب، مخلوطی از ترکیبهای آهن(III) آبدار پدید میآید که به طور کلی زنگ آهن نامیده میشود. چون لایه زنگ متخلخل و ناپیوسته است، سطح زیرین را کاملاً از آب و اکسیژن جدا نمیکند و خوردگی میتواند ادامه یابد.
- رطوبت جابهجایی یونها را ممکن میکند
- اکسیژن در نیمواکنش کاتدی مصرف میشود
- زنگ آهن یک لایه محافظ فشرده و کامل نیست
- معادلههای نیمواکنش باید از نظر بار و اتم موازنه باشند
شرایط محیطی سرعت زنگزدگی را تغییر میدهد
وجود آب و اکسیژن برای الگوی معمول زنگزدگی ضروری است، اما سرعت فرایند به شرایط محیط وابسته است. یونهای محلول، رسانایی لایه آب را افزایش میدهند؛ به همین علت آب شور معمولاً مدار الکتروشیمیایی را بهتر کامل میکند و خوردگی آهن در آن سریعتر از آب خالص پیش میرود. افزایش دما نیز در بسیاری از شرایط سرعت واکنشها را بیشتر میکند، هرچند اثر واقعی آن به مقدار اکسیژن محلول و شرایط سامانه بستگی دارد.
ناخالصیهای فلز، تنش سطحی، تفاوت دسترسی به اکسیژن و تماس با فلزی دیگر میتوانند ناحیههای آندی و کاتدی ایجاد کنند. برای نمونه، زیر یک قطره آب توزیع اکسیژن در همه جا یکسان نیست. بنابراین لازم نیست دو الکترود جدا و قابل مشاهده داشته باشیم؛ ناهمگونیهای کوچک سطح برای شکلگیری یک سلول خوردگی کافیاند.
- نمک محلول با افزایش رسانایی میتواند خوردگی را تندتر کند
- خراش و ناهمگونی سطح محل تشکیل ناحیههای الکتروشیمیاییاند
- تماس دو فلز متفاوت رفتار خوردگی را تغییر میدهد
- سرعت خوردگی را فقط از یک عامل نتیجه نگیر
پوششهای سدکننده چه زمانی مؤثرند؟
رنگ، روغن و پوششهای پلیمری با ایجاد مانع فیزیکی، تماس آهن با آب و اکسیژن را کم میکنند. تا زمانی که پوشش پیوسته و سالم باشد، تشکیل سلول خوردگی دشوار میشود. اما یک خراش میتواند آهن را در نقطهای کوچک در معرض محیط قرار دهد؛ ازاینرو بازرسی و ترمیم پوشش بخشی از روش حفاظت است.
پوشاندن آهن با یک فلز نیز ممکن است نقش سد داشته باشد. قلع از آهن کمفعالتر است و پوشش سالم آن سطح را جدا میکند؛ ولی اگر پوشش قلع خراش بردارد و هر دو فلز در حضور رطوبت تماس الکتریکی داشته باشند، آهن فعالتر میتواند آند شود و در محل کوچک خراش سریعتر حل شود. پس سالمبودن چنین پوششی اهمیت ویژه دارد.
چرا روی حتی پس از خراش از آهن محافظت میکند؟
در گالوانیزهکردن، سطح آهن را با روی میپوشانند. روی فعالتر از آهن است و آسانتر اکسایش مییابد. اگر پوشش خراش بردارد، روی در مجاورت آهن نقش آند فداشونده را میگیرد: Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻. الکترونهای حاصل به آهن میرسند و آن را در نقش کاتد نگه میدارند؛ بنابراین اکسایش آهن محدود میشود.
این حفاظت با پوشش قلع تفاوت بنیادی دارد. در تماس آهن و قلع، آهن فعالتر است و ممکن است آند شود؛ در تماس آهن و روی، روی فعالتر آند میشود. برای پیشبینی رفتار، فلزی که تمایل بیشتری به اکسایش دارد باید شناسایی شود. عبارت «فلز گرانتر همیشه پوشش بهتر است» معیار درستی نیست، زیرا رفتار پس از آسیب پوشش نیز مهم است.
- روی نسبت به آهن آسانتر اکسایش مییابد
- روی آند فداشونده و آهن کاتد میشود
- پوشش روی هم سد فیزیکی و هم حفاظت الکتروشیمیایی فراهم میکند
- در پوشش قلع، خراش میتواند آهن را به آند تبدیل کند
حفاظت کاتدی و آند فداشونده را تحلیل کن
در حفاظت کاتدی، سازه آهنی را وادار میکنیم کاتد سلول باشد تا اکسایش آن رخ ندهد یا بسیار کند شود. یکی از راهها اتصال فلزی فعالتر مانند منیزیم یا روی به سازه است. فلز فعالتر آند میشود، الکترون میدهد و به تدریج مصرف میشود؛ به همین دلیل باید پس از مدتی بررسی و جایگزین شود.
این روش در حفاظت از مخزنها، لولهها و بخشهایی از بدنه کشتی کاربرد دارد. در تحلیل ساده کتاب درسی، فلز فداشونده باید از آهن آسانتر اکسایش یابد. جهت الکترون از آند فداشونده به آهن است و عبارت «حفاظت کاتدی» به نقش آهن اشاره دارد، نه به جنس قطعه متصلشده.
- سازه محافظتشده باید کاتد باشد
- آند فداشونده به جای آهن اکسایش مییابد
- الکترون از فلز فعالتر به سازه آهنی میرود
- آند فداشونده مصرفشدنی است و عمر نامحدود ندارد
مثال حلشده: پوشش روی یا قلع پس از ایجاد خراش
دو ورق آهنی را در نظر بگیر که یکی با روی و دیگری با قلع پوشیده شده و روی هر دو پوشش خراشی تا سطح آهن ایجاد شده است. در ورق گالوانیزه، روی تمایل بیشتری به از دستدادن الکترون دارد؛ پس روی آند و آهن کاتد است. نیمواکنش آندی Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ خواهد بود و تا زمانی که روی مناسب باقی مانده باشد، آهن اطراف خراش حفاظت میشود.
در ورق قلعاندود، قلع کمفعالتر از آهن است. پس از تماس آب با خراش، آهن میتواند آند و قلع ناحیه کاتدی شود؛ نیمواکنش آندی Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ است. چون اکسایش در سطح کوچکِ آهن نمایانشده متمرکز میشود، خوردگی موضعی ممکن است شدید باشد. نتیجه: برای پوشش آسیبدیده فقط نفوذناپذیری را نبین؛ فعالیت نسبی دو فلز را نیز مقایسه کن.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: برای حفاظت یک لوله آهنی مرطوب، قطعهای منیزیم به آن متصل شده است. آند و کاتد را مشخص کن و جهت حرکت الکترون را بنویس. چون منیزیم از آهن فعالتر است، Mg اکسایش مییابد: Mg(s) → Mg²⁺(aq) + 2e⁻. پس منیزیم آند فداشونده، لوله آهنی کاتد و جهت حرکت الکترون در اتصال فلزی از منیزیم به آهن است.
برای کنترل پاسخ، به محل مصرف و تولید الکترون نگاه کن: آند الکترون تولید میکند و با گذشت زمان جرم منیزیم کم میشود؛ آهن الکترون دریافت میکند و از اکسایش آن جلوگیری میشود. اگر قطعه متصلشده از آهن کمفعالتر باشد، دیگر نمیتوان آن را آند فداشونده دانست و ممکن است خود آهن آند شود.
- آند محل اکسایش و تولید الکترون است
- کاتد محل کاهش و مصرف الکترون است
- آب و اکسیژن اجزای مهم فرایند زنگزدگیاند
- پوشش سالم تماس با محیط را محدود میکند
- پس از خراش، فعالیت نسبی فلز پوشش و آهن را مقایسه کن
- در حفاظت کاتدی، فلز فعالتر باید به عنوان آند مصرف شود
برای تحلیل خوردگی، نخست نیمواکنش Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ را در ناحیه آندی و کاهش اکسیژن را در ناحیه کاتدی مشخص کن. سپس مسیر الکترون در فلز و نقش لایه آب در جابهجایی یونها را دنبال کن. در بررسی پوشش فلزی، حالت خراشخورده را فراموش نکن: روی با آندشدن از آهن محافظت میکند، اما در تماس آهن و قلع ممکن است خود آهن آند شود. در حفاظت کاتدی نیز سازه آهنی باید کاتد و فلز فعالتر، آند فداشونده باشد.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.