شارح الدرس: الصدأ الكيمياء

مثال ١: التعرُّف على طُرق منْع تكوُّن الصدأ

أيُّ اقتراح من الاقتراحات الآتية ليس طريقة مناسِبة لإبطاء الصدأ أو منْع حدوثه؟

1. الدهان
2. الطلاء بالقصدير
3. الغَمْر في ماء مالح
4. التغطية بالبلاستيك
5. الطلاء بالشحم

الحل

معظم خيارات الإجابة هذه تُبطِّئ تكوُّن الصدأ أو تمنعه. يطلب منَّا السؤال إيجاد الخيار الوحيد الذي لا يُبطِّئ ولا يمنع تكوُّن الصدأ.

يتكوَّن الصدأ عندما يتعرَّض الحديد للأكسجين والماء. ولكي نمنع تكوُّن الصدأ، علينا منْع الحديد من التعرُّض للأكسجين والماء.

بمعرفة ذلك، يجذب انتباهَنا أحد الخيارات: الغَمْر في ماء مالح، فهذا بالتأكيد لا يحدُّ من تعرُّض الحديد للماء. أيضًا، بما أن هناك أكسجينًا ذائبًا في الماء، فإن هذا لا يحدُّ من تعرُّض الحديد للأكسجين أيضًا.

أمَّا الخيارات الأربعة الأخرى، الدهان، والطلاء بالقصدير، والتغطية بالبلاستيك، والطلاء بالشحم، فجميعها يتضمَّن طبقات واقية تمنع الحديد من التعرُّض للماء والأكسجين.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار ج، الغَمْر في ماء مالح.

مثال ٢: وصْف تأثير الملح على عمليات الصدأ

يُعَدُّ صدأ الحديد مثالًا لتفاعل الأكسَدة والاختزال. يختلف مُعدَّل صدأ الحديد في الماء بزيادة تركيز الملح.

1. أيُّ الجُسيمات يُزال من الفلزِّ أثناء تفاعل الأكسَدة؟
   1. الإلكترونات
   2. البروتونات
   3. ذرات الأكسجين
   4. ذرات الهيدروجين
   5. النيوترونات
2. كيف يختلف مُعدَّل صدأ الحديد في الماء بزيادة تركيز الملح، وما سبب ذلك؟
   1. يزيد المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تُساعِد على اضمحلال نواة الفلزِّ.
   2. يزيد المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تُساعِد على حركة الإلكترونات.
   3. يَقِلُّ المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تُساعِد على تأيُّن الماء.
   4. يَقِلُّ المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تتفاعل مع الأكسجين المُذاب.
   5. يزيد المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تتفاعل مع ذرات الفلزِّ.
3. أيُّ مصطلح يَصِف دَوْر محلول الملح في عملية الصدأ؟
   1. حمض
   2. قاعدة
   3. عامل مؤكسِد
   4. عامل مختزِل
   5. إلكتروليت

الحل

الجزء الأول

يسألنا هذا السؤال عن عملية الأكسَدة. تتضمَّن تفاعلات الأكسَدة والاختزال انتقال الإلكترونات من مركَّب أو عنصر إلى آخَر. والأكسَدة تتضمَّن فقْد الإلكترونات، أمَّا الاختزال فيتضمَّن اكتساب الإلكترونات. خلال عملية الأكسَدة، يمنح الحديد الإلكترونات لتكوين أيونات الحديد +2. إذن الإجابة الصحيحة لهذا الجزء من السؤال هي «الإلكترونات».

الجزء الثاني

يسألنا هذا السؤال عن كيفية تأثير الملح على معدَّل تفاعل الصدأ، وعن السبب في ذلك. للإجابة عن هذا السؤال، علينا تحديد إذا ما كان الملح سيزيد من معدَّل التفاعل أو يُبطِّئه، والآلية التي يعتمد عليها هذا التغيير.

جزءٌ من الإجابة الصحيحة هو أن زيادة تركيز الملح تزيد من معدَّل الصدأ. والحديد الذي يقع بالقرب من المياه المالحة، أو المناطق ذات الطُّرق المملَّحة، يُمكنه أن يصدأ أسرع نسبيًّا مقارنة بالفلزَّات الموجودة في البيئات الأخرى. إذن يُمكننا استبعاد الخيارين ج، د.

بعد ذلك، لماذا يزيد الملح من معدَّل تفاعل الصدأ؟ كما ذكرنا في الجزء الأول من هذا السؤال، تفاعل الأكسَدة والاختزال الذي يحدث في بداية الصدأ يتضمَّن انتقال الإلكترونات. وكلما زادت سرعة حركة هذه الإلكترونات، زادت سرعة التفاعل. في محلول الملح، يُمكن للإلكترونات أن تتحرَّك بسرعة أكبر. بالنظر إلى خيارات الإجابة، يتوافق هذا مع الخيار ب يزيد المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تُساعِد على حركة الإلكترونات.

أمَّا الخيار أ، فهو يَصِف اضمحلال نوى الفلزِّ، لكن الاضمحلال الإشعاعي لا يُشارك في عملية الصدأ. أمَّا الخيار هـ، فيُشير إلى أن المعدَّل يزيد نتيجة لتفاعل بين ذرات الفلزَّات وأيونات الملح، لكن خلال الصدأ، تتفاعل ذرات الفلزِّ مع الماء والأكسجين في المحلول، وليس مع أيونات الملح.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار ب، يزيد المُعدَّل؛ لأن الأيونات المُذابة تُساعِد على حركة الإلكترونات.

الجزء الثالث

يطلب منَّا هذا السؤال تعريف دَوْر الملح في عملية الصدأ.

لا يُمكن أن يكون الملح عاملًا مؤكسِدًا أو مختزِلًا؛ لأنه لا يَستقبِل الإلكترونات أو يمنحها في تفاعل الأكسَدة والاختزال.

على الرغم من أن بعض محاليل الأملاح يُمكن أن تكون حمضية أو قاعدية، فإن الدَّوْر الذي يؤدِّيه الملح في هذه الحالة لا يتمثَّل في كونِه حمضًا أو قاعدة. فأيُّ أملاح ستزيد من معدَّل التفاعل، وليس فقط تلك التي تذوب في أيونات الهيدروجين أو أيونات الهيدروكسيد.

في الجزء السابق من هذا السؤال، توصَّلنا إلى أن الغرض من الملح هو المُساعَدة في حركة الجسيمات المشحونة عبر المحلول. تُسمَّى المادة التي تَسمَح بحركة الجسيمات المشحونة بالإلكتروليت. إذن الخيار هـ، الإلكتروليت، هو الإجابة الصحيحة.

مثال ٣: تحديد الاختلافات بين أكسَدة الحديد والألومنيوم

لماذا يؤثِّر الصدأ على الحديد أكثر من الألومنيوم؟

1. أكاسيد الألومنيوم أقلُّ قابلية للذوبان من أكاسيد الحديد.
2. الألومنيوم أقلُّ نشاطًا من الحديد.
3. أكاسيد الألومنيوم أقلُّ استقرارًا من أكاسيد الحديد.
4. الألومنيوم مَحْمِيٌّ بطبقة سطحية من الأكسيد.
5. يرتبط الألومنيوم بالماء ارتباطًا أضعف.

الحل

يطلب منَّا هذا السؤال تحديد الفرق الرئيسي بين أكسَدة الحديد والألومنيوم. يُمكن أن تحدث عملية الأكسَدة هذه عندما يتعرَّض الفلزُّ للماء والهواء. وأحد الأسباب وراء حدوث تغييرات كبيرة بفعل أكسَدة الحديد هو أن الصدأ يُمكن أن ينكسر ويتآكل. وعندما ينكسر الصدأ أو يتقشَّر، ينكشف المزيد من الحديد الذي يُمكن أن يصدأ بدَوْره.

ولا يتأثَّر الألومنيوم بالأكسَدة لأن أكسيد الألومنيوم لا ينكسر ولا يتقشَّر. بدلًا من ذلك، يُشكِّل غلافًا خارجيًّا على الفلزِّ. والألومنيوم أكثر قُدْرة على الحفاظ على شكله وقوَّته عند تأكسُده. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار د، الألومنيوم مَحْمِيٌّ بطبقة سطحية من الأكسيد.

لتحرِّي الدقَّة، يُمكننا النظر في الخيارات الأخرى أيضًا. أكسيد الألومنيوم والصدأ لا يذوبان في الماء؛ لذا الخيار أ غير صحيح. الألومنيوم أكثر نشاطًا من الحديد، ومركَّباته أكثر استقرارًا نتيجة لذلك؛ ومن ثَمَّ فإن الخيارين ب، ج غير صحيحين أيضًا. أمَّا الخيار هـ، فهو غير منطقي؛ لأن جزيئات الماء لا ترتبط بسهولة بجزيئات الألومنيوم بسبب طبقة الأكسيد القوية المُغلِّفة له.

مثال ٤: تحديد الشروط اللازمة لصدأ الحديد

وُضِعت مسامير من الحديد في ثلاث زجاجات مُحكَمة الغَلْق تحتوي على موادَّ مختلفة، كما هو موضَّح.

1. أيٌّ من الزجاجات الثلاث يحدث فيها الصدأ؟
   1. 1 فقط
   2. 1، 2، 3
   3. 3 فقط
   4. 1، 2
   5. 1، 3
2. ما المصطلح الذي يَصِف دَوْر في الزجاجة رقم 3؟
   1. عامل مؤكسِد
   2. عامل مختزِل
   3. مُجفِّف
   4. عامل حفَّاز
   5. إلكتروليت

الحل

الجزء الأول

يحدث الصدأ عندما يتعرَّض الحديد لكلٍّ من الماء والأكسجين. للإجابة عن هذا السؤال، علينا تحديد الظروف المختلفة في كلِّ زجاجة. جميع الزجاجات الثلاث مُحكمة الغَلْق، ومع ذلك، لا يزال هناك هواء، يحتوي على أكسجين، موجودًا داخلها.

في الزجاجة رقم 1، المسمار الحديدي موضوع في ماء مَغلِي مع وجود الهواء. أهمِّية استخدام الماء المَغلِي هي أن الغليان سيُقلِّل من كمية غاز الأكسجين الموجود في الماء. لكنَّ الأكسجين الموجود في الهواء سيذوب في الماء؛ ومن ثَمَّ من المحتمل أن يتعرَّض المسمار الحديدي للأكسجين والماء. إذن من المحتمل أن يحدث الصدأ.

في الزجاجة رقم 2، وُضِع المسمار الحديدي مرَّة أخرى في ماء مَغْلِي. لكنَّ الماء مُغطًّى بطبقة من الزيت تمنع الأكسجين الموجود في الهواء من الذوبان في الماء. على الرغم من وجود المسمار الحديدي في الماء، فإن غياب الأكسجين يعني أنه من غير المحتمل أن يحدث الصدأ.

في الزجاجة رقم 3، لا يُوجَد ماء، يُوجَد فقط هواء وبعض من كلوريد الكالسيوم. قد يحتوي الهواء على كلٍّ من الأكسجين وبخار الماء، ولكن سيُزيل كلوريد الكالسيوم الرطوبة من الهواء. ونتيجة لذلك، يتعرَّض المسمار الحديدي الموجود في الزجاجة 3 للأكسجين من الهواء، ولكنْ لا يتعرَّض للماء. ولذلك، من غير المحتمل أن يحدث الصدأ.

وبما أنه من المحتمل ألَّا يحدث الصدأ إلَّا في الزجاجة رقم 1، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار أ.

الجزء الثاني

سيؤدِّي كلوريد الكالسيوم الموجود في الزجاجة 3 إلى إزالة أيِّ رطوبة موجودة في الهواء. أثناء هذه العملية، سيُكوِّن كلوريد الكالسيوم اللامائي ملحًا مُماهًا وفقًا للمعادلة الآتية:

وهذا التفاعل ليس تفاعل أكسَدة ولا اختزال؛ لذا يُمكننا استبعاد الخيارين أ، ب. ولا يذوب كلوريد الكالسيوم في مُذيب؛ ومن ثَمَّ لا يعمل باعتباره إلكتروليتًا؛ لذا يُمكننا استنتاج أن الخيار هـ غير صحيح.

لا يُشارك كلوريد الكالسيوم في عملية الصدأ، ولأنه لا يُوجَد أيُّ تفاعل كيميائي آخَر، فلا يعمل باعتباره عاملًا حفَّازًا.

وهذا يعني أن كلوريد الكالسيوم يعمل بمثابة مجفِّف. المجفِّف مادة يُمكن أن تُحدِث حالة من الجفاف، عادة عن طريق امتصاص الماء. إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار ج، مُجفِّف.