الصدأ وهي بقعة بنية ضاربة إلى الحمرة تظهر على الأسطح الحديدية أو الحديدية عندما تتعرض للهواء والرطوبة. نظرًا لأن الحديد المعدني غير مستقر عند ملامسته للهواء ، فإنه يتشكل عن طريق أكسدة الحديد المعدني إلى أكاسيد الحديد أو الهيدروكسيدات ، والتي يتم تمثيلها عادةً بالصيغة الكيميائية FeOOH.
يعتبر الصدأ مشكلة رئيسية للمجتمع لأنه يضر بشكل كبير بهياكل مثل الجسور والمباني والمركبات والمحركات ، من بين أمور أخرى ، تتطلب نفقات كبيرة للإصلاح و صيانة. الصدأ هو نوع من التآكل ، ظاهرة عفوية لتدمير المعادن والسبائك. حاليًا ، يتم استخدام العديد من التقنيات ، مثل الجلفنة ، لتقليل آثار تكوين الصدأ.
اقرأ أيضا: كيف يرتبط الهواء المالح بتآكل المعادن؟
ملخص الصدأ
يتميز الصدأ ببقع بنية ضاربة إلى الحمرة تتشكل على أسطح الحديد والسبائك الحديدية التي تلامس الهواء والرطوبة.
يتشكل الصدأ عندما يتأكسد الحديد ، وهو غير مستقر في وجود الأكسجين الجوي ، إلى أكاسيد وهيدروكسيدات الحديد.
يمكن تمثيله بالصيغة الكيميائية العامة FeOOH.
المكون الرئيسي للصدأ هو أكسيد الحديد المائي الثالث ، Fe2ا3∙ ح2س.
الصدأ مشكلة كبيرة للبلدان والشركات ، حيث أن تكاليف الصيانة والإصلاح مرتفعة.
يسبب تأثيرات هيكلية كبيرة ، حيث أنه يضعف ميكانيكياً الهياكل المعدنية.
توجد تقنيات لتقليل أو تخفيف الصدأ ، مثل الحماية الكاثودية والجلفنة.
تشكيل الصدأ هو نوع من التآكل.
ما الذي يسبب الصدأ؟
الصدأ هو بقع بنية ضاربة إلى الحمرة تظهر على الأسطح المعدنية ، وبشكل أكثر تحديدًا على الحديد والسبائك الحديدية ، عندما تتعرض للغلاف الجوي أو تغمرها المياه الطبيعية. في هذه الحالة، حديد معدني (Fe) يتأكسد إلى خليط من أكاسيد (Fe2ا3∙ ح2يا وحديد3ا4) والهيدروكسيدات (Fe (OH)2، Fe (OH)3) من الحديد ، والتي يتم تمثيلها أيضًا بشكل شائع بصيغة FeOOH ، والتي تسعى إلى تكثيف جميع مراحل الحديد الموجودة في الصدأ.
تُعرف العملية التي تسبب الصدأ كيميائياً بالتآكل.، نتيجة تأثير البيئة على مادة ما ، مما يؤدي إلى تدهورها ، بدءًا من سطحها.
كيف يحدث الصدأ؟
الحديد المعدني غير مستقر ديناميكيًا في وجود غاز الأكسجين.، والذي يشكل حوالي 20٪ من غلافنا الجوي وهو الوسيط الذي يتعرض فيه هذا المعدن بشكل متكرر.
في ظل هذه الظروف ، يتكون أكسيده FeO (أكسيد الحديد II) ، Fe2ا3 (أكسيد الحديد الثالث) والحديد3ا4 (الحديد الثاني ، الثالث أكسيد). وجود الماء يجعل الوسط أكثر عدوانية ، ويفضل تكوين الصدأ (FeOOH). مثلما تحتاج الأملاح والهيدروكسيدات الأساسية إلى الماء لتكوينها ، فإن الصدأ ، وهو خليط من الأكاسيد والهيدروكسيدات ، يحتاج أيضًا إلى الماء ، مما يجعل دور الرطوبة النسبية واضحًا:
4 Fe3ا4 (ق) + O2 (ز) + 6 ح2O (l) → 12 FeOOH (s)
في المناطق ذات الرطوبة النسبية العالية ، يكون تكوين ما يسمى بركام التآكل أمرًا شائعًا.، بسبب تكوين صفيحة من الماء تتكثف (تسييل) على سطح المعدن كليًا أو جزئيًا.
في هذه الحالة ، يجب الانتباه إلى إمكانات التخفيض القياسية للأنواع المعنية:
إيمان2+ (aq) / Fe (s): E ° = –0.44 فولت
إيمان3+ (هنا) / Fe2+ (aq): E ° = 0.77 فولت
ا2 (ز) / يا– (aq): E ° = 0.82 فولت
تظهر القيم ذلك العملية التي يتأكسد فيها الحديد بواسطة O تكون تلقائية كيميائياً.2 مذاب في الماء، حيث أن الحديد لديه إمكانات تخفيض قياسية منخفضة. لذلك علينا أن:
Fe (s) → Fe2+ (عبد القدير) + 2 و–
ا2 (ز) + 2 ح2O (ل) + 4 و– → 4 أوه– (هنا)
باختصار، يمكن إعطاء تشكيل الصدأ:
2 Fe2+ (عبد القدير) + O2 (ز) + 4 أوه– (aq) → 2 FeOOH (s) + 2 H2يا (ل)
على الرغم من أن تركيز الأكسجين في الهواء ثابت ، إلا أن قابليته للذوبان في الماء منخفضة (1.4 × 10–3 مول. إل–1 ح2O عند 20 درجة مئوية) ، والتي يتم استهلاكها بسرعة على سطح الفولاذ (سبيكة معدنية تتكون أساسًا من الحديد والكربون). على الرغم من أن الهواء يتجدد باستمرار ، إلا أن هذا الأكسجين ، في كل لحظة ، يجب أن يمر عبر طبقة طبقة سميكة من الصدأ لضرب الفولاذ مرة أخرى ، مما يبطئ سرعة الصدأ بمرور الوقت. تآكل.
أنواع الصدأ
يختلف لون الصدأ حسب كمية الأكسجين والرطوبة.
الصدأ الأحمر: غني بالحديد2ا3∙ ح2O (أكسيد الحديد المائي الثالث) ، يحدث في بيئات عالية الأوكسجين والرطوبة ، وهو الشكل الأكثر شيوعًا ، ويتشكل بشكل موحد.
الصدأ الأصفر: غني بالحديد O (OH) H2O (أو Fe (OH)3) ، يحدث في البيئات عالية الرطوبة ، عادةً في المعادن الموجودة بكميات كبيرة من المياه الراكدة ، مثل الأحواض القريبة وأحواض الاستحمام.
الصدأ الأسود: غني بالحديد3ا4يحدث في بيئات ذات تركيز أكسجين منخفض ورطوبة معتدلة. يظهر كبقع سوداء ، لا يتم إنتاجه بسرعة ، وبالتالي من السهل مكافحته.
الصدأ البني: غني بالحديد2ا3، يحدث في البيئات ذات التركيز العالي للأكسجين والرطوبة المنخفضة (حتى بدون). وبسبب هذا ، فهو نوع من الصدأ أكثر جفافاً ، ولا يحدث بشكل موحد ، ولكن في نقاط محددة على السطح.
نرى أيضا: ما هي أنواع التآكل؟
التركيب الكيميائي للصدأ
عادة ، يقال أن يتكون الصدأ من أكسيد الحديد المائي الثالث (Fe2ا3∙ ح2O) ، ولكن يمكن فهم أن الأنواع الأخرى من الحديد موجودة في تكوينه. مثل الحديد إنه معدن قليل الثبات عند ملامسته للأكسجين في الهواء ، من الطبيعي أن تشكل أجزاء من هذا المعدن طبقة رقيقة من الحديد3ا4 (أكسيد الحديد الأسود) على سطحه. يؤدي التلامس المستمر مع الأكسجين في الهواء والرطوبة إلى ظهور أنواع مؤكسدة أخرى ، مثل FeOOH ، في الأشكال البلورية α-FeOOH (goethite) و γ-FeOOH (lepidocrocite). تتداخل هذه الأنواع في طبقات على طول الصدأ.
عواقب الصدأ
تكون عملية تكوين الصدأ ضمن مجال التآكل.وهي مشكلة ذات تأثير كبير على اقتصاديات الدول الصناعية والمتقدمة.
تشير التقديرات إلى أن حوالي 30 ٪ من إنتاج الحديد والصلب في العالم ضاع بسبب التآكل.، وهي تكلفة يمكن أن تعادل 1 إلى 5٪ من الناتج المحلي الإجمالي للبلدان. في عام 2019 ، على سبيل المثال ، أنفقت البرازيل حوالي 290 مليار ريال برازيلي (حوالي 4٪ من ناتجها المحلي الإجمالي) على صيانة التآكل.
تعتبر تكاليف صيانة الهياكل ضرورية ، حيث قد يكون الاستبدال أكثر تكلفة ، بالإضافة إلى أن الصدأ يتسبب في أضرار جسيمة للسلامة الإنشائية. عندما يتأكسد ، يفقد المعدن خصائصه الميكانيكية الجيدة. الأكاسيد المتكونة بشكل عام هشة ويمكن أن تضر بالأجزاء والهياكل والمعدات. ليس هذا فقط ، يمكنهم أيضًا تلويث المنتج المعبأ ، إذا كان هذا ، على سبيل المثال ، طعامًا.
بالإضافة إلى التكاليف المباشرة لاستبدال الأجزاء الصدئة وصيانتها والصدأ يمكن أن يجلب أيضا مشاكل غير مباشرة. يمكن أن يتسبب هيكل مثل الجسر أو الجسر ، الذي يجب إغلاقه للصيانة ، في حدوث اضطرابات كبيرة في حركة الأشخاص ، مما يؤثر على المجتمعات وروتين العمل. يمكن أن تفقد الآلات الصدئة الكفاءة أو يمكن إزالتها من خط الإنتاج للصيانة ، وبالتالي تقليل الإنتاجية.
كيف تتجنب الصدأ؟
يوجد حاليًا بالفعل تقنيات مضادة للأكسدة أو مضادة للتآكل تقلل بشكل كبير من تكوين الصدأ على الأجزاء المعدنية. من بينها ، يمكننا تسليط الضوء على بعض ، مثل الحماية الكاثودية والأنودية ، الطلاءات المضادة للتآكل ومثبطات التآكل.
في الحماية الكاثودية ، يكون المعدن المعني محميًا بمعدن ذي أكسدة أسهل (إمكانات اختزال أقل) يتم إدخاله في هيكله ، مما يؤدي إلى ظهور خلية جلفانية. وبهذه الطريقة ، يعمل المعدن المُدخَل كأنود ، ويتأكسد ، ثم يحمي الهيكل المعدني المطلوب ، والذي يعمل ككاثود ويبقى في شكله المختزل (المعدني). يُعرف القطب الموجب المُدخل ، في هذه التقنية ، باسم "معدن ذبيحي" ، على وجه التحديد لأنه يتأكسد بدلاً من الآخر.
يمنع استخدام الطلاءات الهيكل المعدني من التلامس مع البيئة المؤكسدة ، مما يخلق حاجزًا يعيق أو حتى يمنع تكوين الصدأ. ومن الأمثلة على ذلك دهانات الإيبوكسيد والرصاص الأحمر التي تحمي الأنابيب والسور والبوابات من بين أشياء أخرى. طلاء آخر معروف هو الجلفنة ، والذي يتكون من طلاء قطعة الحديد بمعدن أقل نبلاً. هذه هي حالة البراغي المجلفنة ، حيث يتم طلاء الهيكل الحديدي بمعدن الزنك.
مثبطات التآكل هي مواد كيميائية ذات طبيعة عضوية أو غير عضوية ، تضاف إلى البيئة لمنع عملية تكون الصدأ. تكمن الفكرة في إنتاج منتجات في الوسط تشكل أغشية واقية وتعمل كحاجز أمام المعدن ، مما يجعل الاتصال بالوسط المؤكسد أمرًا صعبًا. لمعرفة المزيد حول طرق منع الصدأ ، انقر فوق هنا.
ما الفرق بين الصدأ والتآكل؟
الصدأ هو المادة التي تشكلت أثناء عملية تآكل الحديد وسبائكه ، مثل الفولاذ. التآكل أوسع نطاقا ، حيث يتعلق بجميع عمليات التدمير التلقائي للمعادن والسبائك ، بسبب التفاعلات الكيميائية والبيوكيميائية والكهروكيميائية بين المعادن والسبائك مع البيئة بيئة. أثناء التآكل ، يتم تحويل المعادن إلى مركبات أكثر ثباتًا من الناحية الديناميكية الحرارية مثل الأكاسيد أو الهيدروكسيدات أو الأملاح أو الكربونات. لذلك ، يمكننا أن نقول ذلك تشكل الصدأ إحدى عمليات التآكل.
يقول بعض المؤلفين أن الصدأ هو نتيجة لعملية التآكل الرطب أو التآكل الكيمياء الكهربائية ، لأن مثل هذه العملية تحتاج إلى وجود الماء وتحدث بطريقة عفوية.
مصادر
AZ RUST. ما هو الصدأ وأنواع الصدأ الأكثر شيوعًا. AZ Rust ، c2023. متوفر في: https://azrust.com/what-is-rust/.
كارنييرو ، سي. الإنفاق لاحتواء آثار تآكل الصلب 4٪ من الناتج المحلي الإجمالي البرازيلي. SEGS ، 2022. متوفر في: https://www.segs.com.br/mais/economia/338194-gastos-para-conter-corrosao-do-aco-impactam-4-do-pib-brasileiro.
تقنيات الأسطح CURTISS-WRIGHT. أنواع الصدأ وكيف يمكن أن تساعد معالجة سطح المعدن في منع الأكسدة. كيرتس-رايت للتكنولوجيا السطحية ، 2020. متوفر في: https://www.cwst.co.uk/types-of-rusting-and-how-metal-surface-treatment-can-help-prevent-oxidation/.
ميرسيير ، ج. ص ؛ ZAMBELLI، G.؛ كورز ، دبليو. التآكل والتدهور والشيخوخة. في: مقدمة في علم المواد، P. 379-399, 2002.
ميراون ، ف. غيماريس ، ص. أنا. دبليو ؛ رئيسي ، ف. ب. التآكل: مثال معتاد لظاهرة كيميائية. كيمياء جديدة في المدرسة. ن. 19, 2004. متوفر في: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc19/a04.pdf.
بوبوف ، ب. لا. هندسة التآكل: المبادئ والمشكلات المحلولة. أكسفورد: إلسفير ، 2015.
سيلفا ، م. الخامس. F.؛ بيريرا ، م. دبليو ؛ كودارو ، إي. ن.؛ أكيري ، ح. أ. تآكل الفولاذ الكربوني: نهج يومي في تدريس الكيمياء. كيمياء جديدة، الخامس. 38 ، لا. 2 ، ص. 293-296, 2015. متوفر في: https://s3.sa-east-1.amazonaws.com/static.sites.sbq.org.br/quimicanova.sbq.org.br/pdf/v38n2a22.pdf.
بقلم ستيفانو أروجو نوفايس
مدرس كيمياء
