التآكُل، يمكن تعريفه على أنه تدميرٌ للمعدن نتيجة تفاعلٍ كيميائيٍّأو فيزيائيٍّ بين المعدن والبيئة المحيطة به. وتُقدّر كمية الصّلب الذى يُدمَّر نتيجة التآكل بـ 25% من الإنتاج السنوي، أي أنّ حوالي 150 مليون طن من الصلب يتم تدميره كل سنة.
والتآكل يُكلّف الولايات المتحدة وحدها أكثر من 2 تريليون دولار سنويًا،ولذلك فإنّ دراسة التآكل وطرق الحماية منه تشغل حيّزًا كبيرًا من اهتمام العلماء والمهندسين.
ولفهم سبب عملية التآكل، يجب معرفة أنّ جميع المعادنــباستثناء أمثلة قليلة جدًا كالذهب والبلاتينيوم (Native elements)ــلا توجد منفردة في الطبيعة (تكون مُتّحدةً مع عناصر أخرى). فالحديد مثلًا؛ يوجد فى شكل أكاسيد،كالهيماتيت (Hematite Fe2O3) أو في شكل كربونات،كالسيدريت (Siderite FeCO3) أو أشكال أخرى. وأثناء استخراج المعدن من صورته المتحدة للحصول عليه منفردًا، يتم استهلاك قدر من الطاقة، لذلك يكون المعدن فيحالة من عدم الاستقرار مقارنةً بحالته الطبيعية المتحدة مع عنصر آخر. لذلك مع الوقت وعوامل البيئة، يُفضِّل المعدن تواجده في صورته الطبيعية المستقرة من خلال عملية التآكل (Corrosion process).
والتآكل هو العملية العكسية للميتالورجي (علم المعادن) ، وبعبارة أخرى؛ يتم عكْس الطاقة المستخدمة لتحويل خام إلى معدن عندما يتعرض المعدن إلى الأكسجين والماء. عندما يتعرض المعدن لتلك العناصر، تبدأ عملية التآكل، حيث يتم تشكيل أكاسيد على سطح الصلب، وفي بعض الحالات تتّحد مع الكبريتيد والكربونات.
عملية التآكل – بشكلٍأساسيّ – هي عبارة عن تفاعل أكسدة واختزال غير عكسي (irreversible redox reaction) بين المعدن والعوامل المؤكسدة الموجودة فى البيئة المحيطة بالمعدن. وتفاعلات الأكسدة والاختزال هي التفاعلات التي يتم فيها تبادل الإلكترونات بين المتفاعلات.
ويمكن اعتبار عملية التآكل كخلية إلكتروكيميائية تتكوّن من نصف خلية (آنود) ويتم عنده أكسدة المعدن أو تآكله، ونصف خلية (كاثود) يتم عندها اختزال أيون الهيدروجين أو الأكسجين.
حيث تتم تفاعلات التآكل بشكل عام كالتالي:
– تفاعل أكسدة عند الآنود ((Anodic oxidation reaction
M → M+ + e–
حيث تُمثِّلM المعدن، والتفاعل نفسه يمثل تحوُّل المعدن من حالته كعنصرٍ مستقل إلى أيون (يتآكل).
– تفاعل اختزال عند الكاثودCathodic reduction reaction))
وهو يعتمد على الوسط الذي يتم فيه عملية التآكل:
1) إذا كان فيوسطٍ حامضي يتصاعد غاز الهيدروجين.
↑ 2H + 2e– → H2
2) إذا كان في وسطٍ قلويأو متعادل يتم اختزال الأكسجين.
–O2 + 2H2O + 4e → 4OH
وكمثال تطبيقي على ما سبق؛ عملية صدأ الصلب المشهورة ما هي إلا تفاعل أكسدة واختزال لعنصر الحديد عند تعرّضه للمياه أو تعرّضه لأكسجين الهواء في وجود الرطوبة، وهو تحوُّل الحديد Fe إلى صدأ (Rust) ، وصيغته الكيميائية:Fe2O3.nH2O، وذلك كما يلي:
– تفاعل الأكسدة عند الآنود:
2Fe → 2Fe2++ 4e2-
ومن خلال هذا التفاعل، تنتقل الإلكترونات إلى الكاثود من خلال سطح الحديد حتى تتفاعل مع الأكسجين في وجود الماء كالتالي:
– تفاعل الاختزال عند الكاثود:
–O2 + 2H2O + 4e → 4OH
وعندها تتفاعل أيونات الحديدFe+2 الناتجة من تفاعل الآنود مع أيونات الهيدروكسيد OH– كما يلي:
2Fe2+ + 4OH– → 2Fe(OH)2
ويمكن اختصار المعادلات الثلاثة في معادلة واحدة تُعبّر عن التفاعل:
2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe(OH)2
يتم أكسدة الناتج Fe(OH)2 في وجود الأكسجين والرطوبة إلى Fe(OH)3 مرةأخرى كمايلي:
2Fe(OH)2 + ½ O2 + H2O → 2Fe(OH)3
وأخيرًا يكون الناتج في حالة اتزان كما يلي(وهو يمكن أن يُعبّر عن الصدأ) :
2Fe (OH) 3↔ Fe2O3.3H2O
وجديرٌ بالذكر أنّ هناك عدةأشكال لعملية التآكل تم تصنيفها، منها:
– التآكل المنتظم (Uniform corrosion OR General corrosion)
وفيه تتم عملية التآكل مباشرةًعلى سطح المعدن بشكل متساوٍ بحيث يغطي سطح المعدن. وهذا النوع من التآكل هو أقل الأنواع خطورةً، حيث أنه من السهل التنبؤ به وتقييمه ومعالجته.
– التآكل الجلفاني (Galvanic corrosion)
وهو نتيجة اتصال معدنين مختلفين ببعضهما، وتَعرُّضهما لمحلول إلكتروليتي. حيث يُعتبر المعدن الأكثر نشاطًا والأعلى جهدًافي المتوالية الجلفانية (Galvanic series) هو الآنود ويتم تآكلُه، بينما المعدن الأقل نشاطًا والأقل جهدًا في المتوالية الجلفانية هو الكاثود. وهناك الكثير من العوامل التي تؤثر على مُعدّل التآكل فيهذا النوع، مثل درجة الحرارة والرطوبة ونسبةحجم الآنود إلىالكاثود، حيث أنه كلما قلّ حجم الآنود بالنسبة للكاثود زاد مُعدّل التآكل.
– التآكل في شرخ أو فجوة (crevice corrosion)
وهو يحدث تحت ظروف معينة تجعل عملية التآكل متمركزةً فيأماكن معينةٍ بدلًا من التآكل على مستوى السطح كالتآكل المنتظم. وقد تكون تلك الظروف بسبب الاختلاف في سهولة وصول الأكسجين لنقطة معينة أقل من غيرها. المنطقة المحاطة يمكن اعتبارها (كاثود) بينما النقطة المعرضة لكميةأكسجين أقل يمكن اعتبارها (آنود) ويتم تآكلها. ويمكن أن تكون تلك الظروف وجود شرخ في المعدن، حيث أن تركيز الأكسجين داخل الشرخ أقل من تركيزه في سطح المعدن، فيتم التآكل في اتجاه العمق،أو أي ظروف تمنع وصول الأكسجين لمنطقة بعينها على سطح المعدن.
ـ التآكل بالنقر (pitting corrosion)
يشبه تمامًا النوع السابق من التآكل، ولكنه يحدث فى وجود أيونات الكلوريد، حيث إنها تُقلِّل من قدرة المعدن على صنع طبقه حامية له – تجعله خاملًا – تُسمى بـ .(passivation film)أغلب السطح يكون مغطّىًبطبقة الحماية ماعدا مناطق ضيقة جدًا يتم التآكل فيها بعمقٍ للداخل، مما يجعله من أخطر انواع التآكل لأنه يصعب ملاحظته.
– التآكل بالاحتكاك أو التعرية (Erosion corrosion)
يحدث نتيجة لتعرُّض سطح المعدن لاحتكاكٍ ميكانيكيٍّ ناتجٍ من حركة المياة المستمرة عليه. عملية الاحتكاك مع التآكل تجعل عملية تدمير المعدن سريعة نسبيًا.
وهناك أشكالٌأخرى كثيرة للتآكل مثل: filiform corrosion, intergranular corrosion, microbial corrosion, stress corrosion, high-temperature corrosion
ولحُسن الحظ يُمكن التحكم في معدل وسرعة التآكل بشكلٍ كبير من خلال فهمنا للعوامل التي تؤثر على سرعه التآكل وهى كالتالي:
1) طبيعة الغطاء الأكسجيني – Natural of oxide film
هناك طبقةٌ رقيقة جدًا بسُمك حوالي 1~3 نانو متر تغطي بعض المعادن. وهى طبقةٌ تقوم بدور العازل حيث أنها تَفصِل بين المعدن والبيئة المحيطة به. وأوضح مثال على ذلك هو الألومنيوم؛ ترتيبه فى المتوالية الجلفانية يعطي عنه انطباع المعدن النشط جدًا الذي يسهل تآكله بسرعةٍ كبيرة، لكنه فى الواقع مقاومٌ للتآكل بشكل كبير جدًا نتيجة تكوينهلتلك الطبقة الحامية (Al2O3) وعزْله، وهناك أمثلةٌأخرى لمعادن بتلك الميزة مثل التيتانيوموالتانجستين ويُطلَق عليهم اسم valve metals.
المشكلة مع الحديد أن طبقة الأكسيد (Fe2O3) لا تلتصق بالسطح، ولكنها تتوسع للخارج وتُعرِّض الطبقة التالية له للهواء ليتم تحويلها لأكسيد الحديد، وهكذا حتى يتم تآكل طبقة تلو الأخرى.
2) حجم الآنود مقارنةً بحجم الكاثود
دائما الآنود هو الذي يتم تآكله، فعندما يكون حجم الآنود صغيرًا بالنسبة لحجم الكاثود يكون التآكل مُركَّزًاأكثر وأسرع على الآنود. يمكن ملاحظة ذلك عند مقارنة سطح من المعدن يحتوي مسامير صغيرةً من معدن مختلف. وعندما تكون المسامير مصنوعةً من المعدن الأكثر نشاطًا (آنود) سيكون التآكل أسرع بكثير من أنْ يكون سطح المعدن هو الأكثر نشاطًا.
3) التوصيلية الكهربية للوسط – conductance of corrosive medium
التآكل يزيد مع زيادة التوصيلية الكهربية للوسط. المياه النقية تعتبر أقل خطورةً بكثير من مياه البحر، حيث أن مياه البحر تحتوي الصوديوم كلوريد NaCl وهو يُعتبر (الكتروليت) قويًا مما يزيد من التوصيلية الكهربية للمياه ويزيد من سرعة التآكل.
4) تأثير تركيز أيون الهيدروجين – effect of pH
كما ذُكر سابقًا؛ التآكل يعتبر خليةً الكتروكيميائية تتكون من نصف خليةآنود يتم عنده الأكسدة ونصف خلية كاثود يتم عنده الاختزال. وعملية الاختزال تعتمد بشكل أساسيٍّ على تركيز أيون الهيدروجين H+ وأيون الهيدروكسيد OH–
2H+ + 2e → H2
.O2 + 2H2O + 4e → 4OH
_______________________________________________
إعداد: mohamed Jimmy
مُراجعة علمية:AmiraEsmail
مُراجعة لغوية: عمر المختار
تصميم:
#الباحثون_المصريون
المصادر:
http://goo.gl/Ff4U3L
http://goo.gl/drfk4H
http://goo.gl/XiHMQH
