شارح الدرس: تآكل المعادن الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف طُرق الوقاية من صدأ الحديد، وكيف نُحدِّد المعادن الأقلَّ عُرْضةً لتكوين أكاسيد.

التآكل عملية طبيعية تتسبَّب في تلف باهظ التكلفة للعديد من الأشياء التي يصنعها الناس.

قد يكون التآكل لطيفًا وجميلًا أيضًا، مثل اللون الأخضر لتمثال الحرية (الذي كان لونه نحاسيًّا في الأصل).

يمكن أن يُسبِّب التآكل تلفًا طفيفًا، مثل الصدأ على سكِّين ما.

أو يمكن أن يكون التآكل مدمِّرًا. في عام 1967، انهار الجسر الفضي الموجود فوق نهر أوهايو (أوهايو، الولايات المتحدة الأمريكية). فقد أدَّى مزيج من الإجهاد والتآكل إلى إضعاف جزء من الجسر كان كافيًا لانهياره تحت تأثير حمولات حركة المرور. وقد تُوفِّي جراء ذلك 46 شخصًا.

بشكلٍ لا يصدق، يُستخدم تقريبًا من إنتاج الحديد كل سنة لتعويض كميات الحديد المفقودة نتيجة التآكل.

قبل أن نتناول آثار التآكل بمزيد من التفصيل، علينا أن نفهم ما هو التآكل.

التآكل عملية يمر بها العديد من المعادن بمرور الزمن؛ حيث تتحوَّل من معدن إلى مركب معدني. عادةً ما نسمع كلمة «تآكل المعادن» عندما تكون العملية بطيئة؛ أي تحدُث بشكلٍ طبيعي، وتحدُث لجسم صلب مصنوع من معدن. يُصبح الجزء المعدني أضعف عندما يتآكل؛ ولن تبقى المساحات المتآكلة ملتصقة بعضها ببعض بقوة كما هي الحال في المعدن، ويمكن أن ينفصل بعضها عن بعض تمامًا. ولهذا السبب، عادةً ما يُنظَر إلى التآكل على أنه شيء سيئ.

معظم المعادن النقية نشطٌ بما يكفي لتكوين مركبات أكثر استقرارًا مع المواد الشائعة. والمواد الشائعة التي غالبًا ما تُسبِّب التآكل أو الصدأ هي الأكسجين والماء.

يبدأ التآكل على سطح الجزء المعدني، ويمكن أن يصبح أعمق بمرور الزمن.

الحديد هو المعدن الأكثر شيوعًا في الآلات والمنتجات التجارية. وفي وجود الأكسجين والماء، تصدأ القطعة الصلبة من الحديد النقي بسرعة كبيرة. الصُّلب عبارة عن سبائك تتكوَّن من الحديد مع عناصر أخرى، والكربون هو العنصر الأكثر شيوعًا. بشكلٍ عام، يصدأ الحديد الموجود في الصُّلب ببطء، ويُسمَّى بعض الأنواع الخاصة من الصُّلب «مقاوم الصدأ» إذا كان يصدأ ببطء شديد، أو لا يصدأ على الإطلاق. يتكوَّن الصُّلب المقاوم للصدأ الشائع من سبائك من الحديد والكروم، وغالبًا ما يحتوي على بعض الكربون والنيكل.

عندما يتفاعل بعض المعادن والسبائك المعدنية مع الأكسجين والماء، فإن المركبات التي تتكوَّن تنفصل عن السطح وتتقشَّر، وهو ما يؤدي إلى إعادة تعرية المعدن. وتستمر الطبقات في التفاعل وتتقشَّر حتى تتآكل قطعة المعدن بأكملها.

لكن بعض المعادن والسبائك يُكوِّن طبقة تخميل؛ وهذه الطبقة من مركب المعدن لا تتقشَّر، ولكنها تلتصق جيدًا بسطح المعدن ولا تتشقَّق. تمنع طبقة التخميل هذه وصول الأكسجين والماء إلى بقية المعدن أو تبطِّئه. وما دامت طبقة التخميل لم تُخدَش أو تتشقَّق أو تنفصل، فإن المعدن الموجود تحتها سيتآكل بشكل أبطأ بكثير ممَّا يتآكل به في عدم وجودها.

يحدث التخميل بشكلٍ طبيعي لمعادن مثل الألومنيوم والكروم؛ فهما معدنان نشطان يرتبطان بسهولة بالأكسجين. ومع ذلك، يمكننا أيضًا استخدام معالجات كيميائية متخصصة مع معادن أخرى تُنتج أنواعًا مختلفة من طبقات التخميل.

في بعض الأحيان يتم تخميل المكوِّنات الكهربية الحساسة كيميائيًّا؛ وهذا يُبطِّئ التآكل دون زيادة سُمك المكوِّن.

كما رأينا في الصُّلب المقاوِم للصدأ، تكون عملية الإشابة أحيانًا كافية لتحويل معدن متآكل ونشط إلى شيء يظل قويًّا ولامعًا. ومن ثَمَّ، فإن الإشابة طريقة أخرى لإبطاء التآكل أو منعه.

نظرًا لأن السبائك يمكن أن تتكوَّن من خليط من المعادن، فعلى المستوى الذري، يمكن أن تحدث اختلافات فيما يخص معدَّل التآكل ودرجته. ويعني عدم تجانس السبائك هذا أنه في أي سبيكة معروفة، كسبيكة الألومنيوم والحديد على سبيل المثال، سيتآكل الألومنيوم قبل أن يصدأ الحديد. ويرجع سبب هذا الاختلاف إلى نشاط الألومنيوم الكبير وعدم قدرته على تكوين طبقة أكسيد واقية بعد سبكه.

يوجد بديل بسيط لاستخدام المواد الكيميائية لتكوين حاجز مادي: يمكننا طلاء الأجزاء المعدنية بطرق مختلفة. تُنتِج بعض هذه الطرق حواجز مادية بحتة، وتوفِّر طرقٌ أخرى حماية كهروكيميائية.

قد تكون الطريقة الأبسط لتكوين حاجز لمقاومة التآكل هي طلاء الجزء المعدني بالزيت أو الشحم. وهذا يُكوِّن حاجزًا مؤقتًا تكون إعادة تطبيقه غير مكلِّفة. غالبًا ما يَنتج عن طلاء الآليات المتحرِّكة بالزيت نتائج أفضل من التي تَنتج عن دهانها؛ على سبيل المثال، الزيت هو الخيار الأفضل لحماية تروس الدرَّاجة. أما الدهان فسيتلاشى ويسقط سريعًا عند وضعه على جزء متحرِّك مثل الترس. لكن الزيت والشحم سيلتصق كلٌّ منهما بالسطح لمدة أطول بكثير.

بالنسبة إلى الأجزاء غير الميكانيكية، عادةً ما يكون الدهان اختيارًا جيدًا. تُعَد طبقة الدهان حاجزًا ماديًّا طويل المدى لمقاومة التآكل، ويمكنها أيضًا تحسين مظهر الأشياء؛ لذا يُدهن جسم السيارة للاستفادة بكليهما.

الجانب السلبي لهذه الحواجز هو أنها إذا خُدِشت تآكل المعدن الموجود أسفلها.

على الرغم من أن الدهانات والزيوت والشحوم (أو الورنيش أو البرايمر) يمكن أن تكون فعَّالة في العديد من الحالات، فإن بعض الحالات يتطلَّب طلاءً يدوم لمدة أطول.

الجلفنة عبارة عن عملية طلاء جزء معدني بالزنك. الجزء المعدني يكون مصنوعًا من الحديد أو سبيكة الحديد، وعادةً ما يُغمَس في زنك مصهور لتكوين الطبقة الواقية.

تهدف الحماية الجلفانية إلى تحقيق غرضين: تكون طبقة الزنك حاجزًا ماديًّا يقاوم التآكل، وإذا كانت طبقة طلاء الزنك غير كاملة، يُكوِّن الزنك خلية جلفانية مع الجزء المعدني. الزنك أكثر نشاطًا من الحديد؛ ولذا يتفاعل الزنك بدلًا من أن يتفاعل الحديد.

عادةً ما يؤدي تفاعل الحديد مع الأكسجين والماء إلى تأكسد الحديد:

بالنسبة إلى الجزء المطلي بالزنك، فإنه يكون أكثر استقرارًا بوجهٍ عام إذا كانت الإلكترونات تأتي من الزنك وليس من الحديد:

فبدلًا من أن يصدأ الحديد، يتآكل طلاء الزنك. ولأن الإلكترونات تأتي من الزنك في النهاية، يُعرَف هذا الجزء من عملية التضحية بمنح الإلكترون؛ ونظرًا لأن الإلكترونات تترك الزنك وتدخل إلى الجزء المعدني، فإن الزنك يكون المصعد، والجزء المعدني يكون المهبط. ولهذا السبب يُعرَف طلاء الزنك أيضًا باسم المصعد المضحِّي.

عادةً ما تُستخدم الجلفنة في الحالات التي تتعرَّض فيها الأجزاء المعدنية التي تحتوي على الحديد للعوامل الجوية، مثل السياجات المصنوعة من الصُّلب.

هذا شكل من أشكال الحماية بقطب مُضحٍّ؛ حيث تمت التضحية بمعدن لمنع تآكل معدن آخر.

الأمر المفيد حقًّا هو أننا لا نحتاج إلى طلاء كامل بالزنك حتى يعمل. إذا وُصِّل قالب من الزنك كهربيًّا بالجزء المعدني، فسيُحمَى الجزء المعدني بالكامل. سيتآكل قالب الزنك تدريجيًّا، وسيلزم في النهاية استبداله. يمكن استخدام المغنيسيوم للغرض نفسه، ويمكن أيضًا استخدامه لحماية الأنابيب المصنوعة من الحديد المستخدَمة في التربة الرطبة وحماية هياكل السفن في مياه البحر المالحة.

يمكننا استخدام سلسلة النشاط الكيميائي لتذكُّر المعادن التي تصلح لحماية الحديد من التآكل.

عناصر الزنك والألومنيوم والمغنيسيوم أكثر نشاطًا من الحديد (لذا تتأكسد بدلًا من الحديد). وعناصر الكالسيوم والليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم أكثر نشاطًا من الحديد، لكنها نشطة للغاية أيضًا لدرجة أنها تتفاعل بشدة مع الماء، وهذه ليست صفة جيدة لهذا الاستخدام.

عناصر النحاس والفضة والذهب أقل نشاطًا من الحديد؛ لذا لن تكون مناسبة لحماية أجزاء معدن الحديد بقطب مُضحٍّ.

يتميَّز الزنك من بين الخيارات الأخرى؛ فهو اقتصادي، ويسهل استخدامه، ومتوافر، ويتآكل بمعدل يوفِّر درجة جيدة من الحماية.

الدهان عادةً لا يكون كافيًا لحماية الأجزاء المعدنية في ماء البحر؛ حيث يزيد الملح الموجود في ماء البحر من معدَّل التآكل. لذا غالبًا ما تُثبَّت قوالب الزنك بهياكل السفن وهياكل منصات التنقيب عن النفط. وتُستبدَل قوالب الزنك بشكل دوري، وهو ما يضمن أدنى حدٍّ للتآكل. توجد كذلك الأنابيب المصنوعة من الصُّلب الموجودة تحت الأرض في بيئة مناسبة أيضًا للتآكل، ويكفي لحمايتها وضع كبل كهربي ملامس لقالب من الزنك على سطحها.

مثال ٢: تحديد الفلز الذي لا يمكن استخدامه فلزًّا مُضحِّيًا لمنع تآكل القصدير

أيٌّ من الآتي لا يمكن استخدامه فلزًّا مُضحِّيًا لمنع تآكل القصدير؟

1. الرصاص
2. المغنيسيوم
3. الحديد
4. الزنك
5. الألومنيوم

الحل

الفلز المضحِّي فلز أكثر نشاطًا يتآكل بدلًا من فلز أقل نشاط. يوفِّر الفلز المضحِّي الحماية بقطب مُضحٍّ للفلز الأقل نشاطًا، وذلك بالتأكسد بدلًا منه.

يتآكل القصدير عندما يتفاعل مع الأكسجين في الهواء:

لن يعمل الفلز المضحِّي إلا إذا كان أكثر نشاطًا من الفلز الذي يحميه. وفيما يتعلَّق بالإجابة، يمكننا النظر إلى سلسلة النشاط الكيميائي الآتية.

فلزات المغنيسيوم والألومنيوم والزنك والحديد أكثر نشاطًا من القصدير؛ لذا يمكن استخدامها نظريًّا فلزاتٍ مضحِّيةً للقصدير. أما الرصاص فهو الفلز الوحيد الأقل نشاطًا من القصدير. لذا لن يعمل الرصاص فلزًّا مضحِّيًا للقصدير؛ لأن ميله للتأكسد أقل من القصدير.

إذن، من بين الفلزات المُعطاة، الفلز الوحيد الذي لا يمكن استخدامه فلزًّا مضحِّيًا للقصدير هو الرصاص؛ أي خيار الإجابة (أ).