חֲלוּדָה זהו כתם חום-אדמדם המופיע על משטחי ברזל או ברזל כאשר הם נחשפים לאוויר ולחות. מכיוון שברזל מתכתי אינו יציב במגע עם אוויר, הוא נוצר על ידי חמצון של ברזל מתכתי לתחמוצות ברזל או הידרוקסידים, המיוצגים בדרך כלל על ידי הנוסחה הכימית FeOOH.
חלודה היא בעיה מרכזית עבור החברה שכן היא פוגעת משמעותית במבנים כגון גשרים, מבנים, כלי רכב, מנועים, בין היתר, הדורשים הוצאות גדולות עם תיקון ו תחזוקה. חלודה היא סוג של קורוזיה, תופעה ספונטנית של הרס של מתכות וסגסוגות. נכון לעכשיו, מספר טכניקות, כגון גלוון, משמשות כדי להפחית את ההשפעות של היווצרות חלודה.
קרא גם: איך אוויר מלוח קשור לקורוזיה של מתכות?
סיכום חלודה
חלודה מאופיינת בכתמים חומים-אדמדמים הנוצרים על משטחי ברזל וסגסוגות ברזל הנמצאות במגע עם אוויר ולחות.
חלודה נוצרת כאשר ברזל, שאינו יציב בנוכחות חמצן אטמוספרי, מתחמצן לתחמוצות ברזל והידרוקסידים.
זה יכול להיות מיוצג על ידי הנוסחה הכימית הכללית FeOOH.
המרכיב העיקרי של חלודה הוא תחמוצת ברזל III hydrated, Fe2O3∙H2O.
חלודה היא בעיה מרכזית עבור מדינות וחברות, שכן עלויות התחזוקה והתיקון גבוהות.
הוא גורם להשפעות מבניות גדולות, מכיוון שהוא מחליש באופן מכאני מבנים מתכתיים.
ישנן טכניקות להפחתת או להפחתת חלודה, כגון הגנה קתודית וגלוון.
היווצרות חלודה היא סוג של קורוזיה.
מה גורם לחלודה?
חלודה היא א כתם חום-אדמדם המופיע על משטחים מתכתיים, ליתר דיוק על ברזל וסגסוגות ברזל, כאשר הם חשופים לאטמוספירה או שקועים במים טבעיים. במקרה הזה, ברזל מתכתי (Fe) מחומצן לתערובת של תחמוצות (Fe2O3∙H2או ופה3O4) והידרוקסידים (Fe(OH)2, Fe(OH)3) של ברזל, אשר מיוצגים בדרך כלל גם על ידי נוסחת FeOOH, המבקשת לעבות את כל שלבי הברזל הקיימים בחלודה.
התהליך הגורם לחלודה מכונה כימית קורוזיה., תוצאה של פעולת הסביבה על חומר, המובילה להידרדרות שלו, החל מפני השטח שלו.
כיצד מתרחשת חלודה?
ברזל מתכתי אינו יציב מבחינה תרמודינמית בנוכחות גז חמצן., המהווה כ-20% מהאטמוספירה שלנו והוא המדיום שבו מתכת כזו נחשפת לרוב.
בתנאים אלה, התחמוצת שלו יוצרת FeO (תחמוצת ברזל II), Fe2O3 (תחמוצת ברזל III) ו-Fe3O4 (תחמוצת ברזל II, III). נוכחות המים הופכת את המדיום לאגרסיבי יותר, ומעדיפה היווצרות חלודה (FeOOH). כמו שמלחי יסוד והידרוקסידים זקוקים למים להיווצרותם, גם חלודה, תערובת של תחמוצות והידרוקסידים, זקוקה למים, מה שמבהיר את תפקיד הלחות היחסית:
4 Fe3O4 (s) + O2 (ז) + 6H2O (l) → 12 FeOOH (s)
באזורים של לחות יחסית גבוהה של האוויר, היווצרות של ערימת קורוזיה כביכול שכיחה., עקב היווצרות יריעת מים המתעבה (מתנזלת) על פני המתכת כולו או חלקו.
במקרה זה, עלינו לשים לב לפוטנציאל ההפחתה הסטנדרטי של המינים המעורבים:
אֱמוּנָה2+ (aq)/Fe (s): E° = –0.44 V
אֱמוּנָה3+ (כאן)/Fe2+ (aq): E° = 0.77 V
O2 (g)/OH– (aq): E° = 0.82 V
הערכים מראים זאת התהליך שבו Fe מחומצן על ידי O הוא ספונטני מבחינה כימית.2 מומס במים, שכן לברזל יש פוטנציאל הפחתה סטנדרטי נמוך יותר. לכן, עלינו:
Fe(s) → Fe2+ (aq) + 2 ו–
O2 (ז) + 2H2O(l) + 4 ו– → 4OH– (כאן)
בקיצור, היווצרות חלודה יכולה להינתן כ:
2 Fe2+ (aq) + O2 (ז) + 4 OH– (aq) → 2 FeOOH (s) + 2 H2O(l)
למרות שריכוז החמצן באוויר קבוע, מסיסותו במים נמוכה (1.4 על 10–3 מול. ל–1 ח2O ב-20 מעלות צלזיוס), אשר נצרך במהירות על פני הפלדה (סגסוגת מתכת המורכבת בעיקר מברזל ופחמן). למרות שהאוויר מתחדש כל הזמן, החמצן הזה, בכל רגע, חייב לעבור דרך שכבה שכבה עבה יותר של חלודה תפגע שוב בפלדה, מה שמאט את מהירות החלודה לאורך זמן. קורוזיה.
סוגי חלודה
החלודה תשתנה בצבע בהתאם לכמות החמצן והלחות.
חלודה אדומה: עשיר בפה2O3∙H2O (תחמוצת ברזל III hydrated), מתרחשת בסביבות של חמצון ולחות גבוהים, בהיותה הצורה הנפוצה ביותר, נוצרת באופן אחיד.
חלודה צהובה: עשיר ב-FeO(OH)H2O (או Fe(OH)3), מתרחשת בסביבות לחות גבוהה, בדרך כלל במתכות שנמצאות עם כמויות גדולות של מים עומדים, כמו ליד כיורים ואמבטיות.
חלודה שחורה: עשיר בפה3O4, מתרחש בסביבות של ריכוז חמצן נמוך ולחות מתונה. הוא מופיע ככתמים שחורים, לא מיוצר במהירות, ולכן קל להילחם בו.
חלודה חומה: עשיר בפה2O3, מתרחשת בסביבות עם ריכוז גבוה של חמצן ולחות נמוכה (גם בלי). בגלל זה, מדובר בסוג הרבה יותר יבש של חלודה, שאינו מתרחש באופן אחיד, אלא בנקודות ספציפיות על פני השטח.
ראה גם: מהם סוגי הקורוזיה?
הרכב כימי של חלודה
בדרך כלל אומרים את זה חלודה מורכבת מתחמוצת ברזל III (Fe2O3∙H2O), אך ניתן להבין שמינים אחרים של ברזל קיימים בהרכבו. כמו ברזל זה מתכת מעט יציב במגע עם חמצן באוויר, זה נורמלי שחלקים ממתכת זו יוצרים שכבה דקה של Fe3O4 (מגנטיט) על פני השטח שלו. המגע המתמיד עם חמצן באוויר ולחות מוליד מינים מחומצנים אחרים, כמו FeOOH, בצורות הגבישיות α-FeOOH (גואטיט) ו-γ-FeOOH (לפידוקרוציט). מינים אלו חופפים בשכבות לאורך החלודה.
השלכות של חלודה
תהליך היווצרות החלודה הוא בתחום הקורוזיה., בעיה בעלת השפעה רבה על הכלכלות של מדינות מתועשות ומפותחות.
ההערכה היא שכ-30% מייצור הברזל והפלדה בעולם הולך לאיבוד עקב קורוזיה., עלות שיכולה להתאים ל-1 עד 5% מהתמ"ג של המדינות. בשנת 2019, למשל, הוציאה ברזיל כ-290 מיליארד BRL (כ-4% מהתמ"ג שלה) על תחזוקת קורוזיה.
עלויות אחזקת מבנים הכרחיות, שכן החלפה עשויה להיות יקרה יותר, ובנוסף, חלודה גורמת לפגיעה חמורה בבטיחות המבנית.. בעת החמצון, המתכת מאבדת את תכונותיה המכניות הטובות. התחמוצות הנוצרות, באופן כללי, הן שבירות ועלולות לסכן חלקים, מבנים וציוד. לא רק זה, הם יכולים גם לזהם את המוצר הארוז, אם זה, למשל, מזון.
בנוסף לעלויות הישירות של החלפה ותחזוקה של חלקים חלודים, חלודה יכול להביא גם בעיות עקיפות. מבנה כמו גשר או גשר עילי, שצריך לסגור לצורך תחזוקה, עלול לגרום לשיבושים גדולים בתנועת אנשים, להשפיע על הקהילות ועל שגרת העבודה. מכונות חלודות עלולות לאבד את היעילות או להיות מוסרות מקו הייצור לצורך תחזוקה, ובכך להפחית את הפרודוקטיביות.
איך להימנע מחלודה?
נכון לעכשיו יש כבר טכניקות נוגדות חמצון או אנטי קורוזיביות המפחיתות באופן דרסטי את היווצרות החלודה על חלקי מתכת. ביניהם, אנו יכולים להדגיש כמה, כגון הגנה קתודית ואנודית, ציפויים נגד קורוזיה ומעכבי קורוזיה.
בהגנה קתודית, המתכת העניינית מוגנת על ידי מתכת בעלת חמצון קל יותר (פוטנציאל הפחתה נמוך יותר) המוכנסת למבנה שלה, מה שמייצר תא גלווני. בדרך זו, המתכת המוכנסת פועלת כאנודה, מתחמצנת, ולאחר מכן מגינה על המבנה המתכתי המעניין, אשר פועל כקתודה ונשאר בצורתו המופחתת (מתכתית). האנודה המוכנסת ידועה בדרך כלל, בטכניקה זו, כ"מתכת קורבן", בדיוק בגלל שהיא מתחמצנת במקום אחרת.
השימוש בציפויים מונע ממבנה המתכת לבוא במגע עם הסביבה החמצונית ובכך יוצר מחסום שיעכב ואף ימנע היווצרות חלודה. דוגמה לכך היא צבעי האפוקסיד והעופרת האדומה, המגינים בין היתר על צינורות, מעקות, שערים. ציפוי מוכר נוסף הוא הגלוון, המורכב מציפוי חתיכת הברזל במתכת פחות אצילית. זה המקרה של ברגים מגולוונים, שבהם מבנה הברזל מצופה במתכת אבץ.
מעכבי קורוזיה הם חומרים כימיים, בעלי אופי אורגני או אנאורגני, המוסיפים לסביבה על מנת למנוע את תהליך היווצרות החלודה. הרעיון הוא לייצר בתווך מוצרים היוצרים סרטי הגנה ופועלים כמחסום למתכת, מה שמקשה על המגע עם המדיום המחמצן. למידע נוסף על דרכים למניעת חלודה, לחץ כאן.
מה ההבדל בין חלודה לקורוזיה?
חלודה היא למעשה החומר הנוצר בתהליך הקורוזיה של ברזל וסגסוגותיו, כמו פלדה. קורוזיה רחבה יותר, מכיוון שהיא נוגעת לכל תהליכי ההרס הספונטני של מתכות וסגסוגות, נגרמת על ידי אינטראקציות כימיות, ביוכימיות ואלקטרוכימיות בין מתכות וסגסוגות עם הסביבה סביבה. במהלך קורוזיה, מתכות מומרות לתרכובות יציבות יותר מבחינה תרמודינמית כמו תחמוצות, הידרוקסידים, מלחים או קרבונטים. לכן, אנו יכולים לומר זאת היווצרות חלודה היא אחד מתהליכי הקורוזיה.
כמה מחברים אומרים שחלודה היא תוצאה של תהליך של קורוזיה רטובה או קורוזיה אלקטרוכימיה, מכיוון שתהליך כזה מצריך נוכחות של מים כדי להתרחש וזה קורה באופן ספונטני.
מקורות
AZ RUST. מהי חלודה וסוגי החלודה הנפוצים ביותר. AZ Rust, c2023. אפשר להשיג ב: https://azrust.com/what-is-rust/.
קארניירו, סי. הוצאות כדי להכיל קורוזיה פלדה משפיעות על 4% מהתמ"ג הברזילאי. SEGS, 2022. אפשר להשיג ב: https://www.segs.com.br/mais/economia/338194-gastos-para-conter-corrosao-do-aco-impactam-4-do-pib-brasileiro.
טכנולוגיות משטח CURTISS-WRIGHT. סוגי החלודה וכיצד טיפול במשטח מתכת יכול לסייע במניעת חמצון. Curtiss-Wright Surface Technologies, 2020. אפשר להשיג ב: https://www.cwst.co.uk/types-of-rusting-and-how-metal-surface-treatment-can-help-prevent-oxidation/.
MERCIER, J. פ.; זמבלי, ג.; KURZ, W. קורוזיה, השפלה והזדקנות. ב: מבוא למדעי החומרים, פ. 379-399, 2002.
MERÇON, F.; GUIMARÃES, P. אני. ו.; MAINIER, F. ב. קורוזיה: דוגמה רגילה לתופעה כימית. כימיה חדשה בבית הספר. נ. 19, 2004. אפשר להשיג ב: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc19/a04.pdf.
POPOV, ב. לא. הנדסת קורוזיה: עקרונות ובעיות שנפתרו. אוקספורד: Elsevier, 2015.
סילבה, מ. v. פ.; PEREIRA, M. ו.; CODARO, E. נ.; ACCIARI, H. א. קורוזיה של פלדת פחמן: גישה יומיומית בהוראת כימיה. כימיה חדשה, v. 38, לא. 2, עמ'. 293-296, 2015. אפשר להשיג ב: https://s3.sa-east-1.amazonaws.com/static.sites.sbq.org.br/quimicanova.sbq.org.br/pdf/v38n2a22.pdf.
מאת סטפנו אראוחו נובאיס
מורה לכימיה