نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على الصدأ. وسوف نتعرف على كيمياء الصدأ والظروف اللازمة لحدوث الصدأ.
الصدأ أحد أشكال التآكل. والتآكل عملية طبيعية تؤثر على الفلزات. يؤثر الصدأ بالأخص على فلز الحديد وبعض السبائك المحتوية على الحديد. ويحدث الصدأ عندما يتعرض الحديد إلى الأكسجين والماء. يكون هذا عددًا من المركبات المحتوية على الحديد، ولكن المركب الأساسي في المادة التي نسميها الصدأ هو أكسيد الحديد الثلاثي المموه. فعندما يصدأ الحديد، تتكون مادة بنية محمرة على سطح الفلز، وهي أكسيد الحديد الثلاثي المموه. وهذا لا يغير لون الفلز فقط، ولكنه يغير خواصه أيضًا.
الحديد فلز قوي متين، لكن الصدأ ضعيف هش. والصدأ هش للغاية لأنه يميل إلى أن يتقشر عن سطح الفلز. وعندما يتقشر الصدأ، يمكن أن يعرض الفلز الموجود تحته إلى الأكسجين والماء، مما يتسبب في صدأ هذا الفلز وتقشره عن سطحه، مما يؤدي إلى تعريض المزيد من الفلز إلى الأكسجين والماء، وهكذا. يمكن أن يتسبب ذلك في تآكل الفلز بمرور الوقت. كما أن الحديد أعلى كثافة من الصدأ نفسه. وهذا يعني أن حجم الصدأ أكبر من حجم الحديد الذي له الكتلة نفسها، لذلك يتمدد الحديد عندما يصدأ. والجزء الذي يتمدد من الحديد عند الصدأ من الممكن أن يتسبب في تلف الأجزاء المحيطة.
فرق آخر بين الحديد والصدأ هو أن الحديد موصل، في حين أن الصدأ عازل. لذا فإن القطعة المصنوعة من الحديد لن توصل الكهرباء إذا صدأت. ويمكن أن يتسبب الصدأ أيضًا في التصاق الأجزاء بعضها ببعض، وهو شيء ربما صادفته إن حاولت في أي وقت مضى فتح ترباس صدئ.
وإذا قارنا الصدأ بأشكال أخرى من التآكل، فإن الصدأ يعد ضارًّا بشكل خاص. على سبيل المثال، يتآكل الألومنيوم مكونًا أكسيد الألومنيوم. كما تعلمنا، فإن أكسيد الحديد الثلاثي المموه سوف يتقشر عن سطح الفلز، مما يؤدي إلى تعريض المزيد من الحديد إلى الأكسجين والماء، بحيث يتسبب في صدئه. وعلى العكس، لا يتقشر أكسيد الألومنيوم عن سطح الفلز. فهو يشكل طبقة واقية على الألومنيوم تمنع المزيد من التآكل. وأيضًا، الألومنيوم وأكسيد الألومنيوم متقاربان في الحجم بدرجة أكبر مما في حالة الحديد والصدأ، مما يعني أنه عند تآكل الألومنيوم، لن يحدث تلف للأجزاء المحيطة.
دعونا الآن نلق نظرة على الكيمياء المتضمنة في عملية الصدأ. هناك العديد من التفاعلات التي تشارك في تكوين الصدأ، لكننا سنلقي نظرة فقط على التفاعلات الرئيسية التي تشارك في تكوين أكسيد الحديد الثلاثي المموه.
يبدأ الصدأ عندما يذوب فلز الحديد في الماء، ما يكون أيونات حديد شحنتها اثنان موجب وإلكترونين. وبما أن الحديد يفقد إلكترونات، فهذه عملية أكسدة. وعندما يتأكسد شيء ما، فلا بد أن يختزل شيء آخر. وهذا الشيء هو غاز الأكسجين المذاب في الماء. يتفاعل غاز الأكسجين مع أيونات الهيدروجين المذابة أيضًا في الماء، وكذلك الإلكترونات القادمة من الحديد. وهذا التفاعل سيكون الماء.
بعد ذلك، ستتحول بعض أيونات الحديد اثنين موجب إلى أيونات الحديد ثلاثة موجب. ثم تتفاعل أيونات الحديد ثلاثة موجب مع الماء لتكون هيدروكسيد الحديد وأيونات هيدروجين. ويتحول هيدروكسيد الحديد ببطء إلى أكسيد الحديد الثلاثي المموه. وضعنا الرمز n هنا بدلًا من عدد جزيئات الماء لأن عدد أكاسيد الحديد الثلاثي المموه التي يمكن أن تتكون قد يختلف. المعادلة الكيميائية الكلية التي تصف الصدأ هي 4Fe زائد 3O2 زائد 2nH2O تتفاعل لتكوين 2Fe2O3 nH2O. لكنك ستراها غالبًا دون جزيئات الماء على سبيل التبسيط.
وهناك العديد من العوامل التي تؤثر على معدل صدأ الحديد. والعاملان الواضحان هما تعرض الحديد إلى الأكسجين وإلى الماء. وإذا تمكنا من تقليل كمية الأكسجين والماء التي يتعرض لها الحديد، يمكننا إبطاء معدل حدوث الصدأ. ويمكننا حماية الحديد من الأكسجين والماء عبر تغطيته بطريقة ما، مثل طلائه أو تزييته أو جلفنته.
وتتسارع عملية الصدأ إذا تعرض الحديد إلى الأملاح. لهذا تميل السيارات إلى الصدأ أسرع في المناطق التي تملح فيها الطرق بعد تساقط الثلوج، ولهذا تصدأ القوارب في المياه المالحة أسرع من القوارب في المياه العذبة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الصدأ يتضمن انتقال الإلكترونات بين الحديد والأكسجين. ويمكن للإلكترونات أن تتحرك بسهولة في المحاليل الإلكتروليتية أو محاليل الأملاح.
ويتسارع الصدأ أيضًا إذا تعرض الحديد إلى أس هيدروجيني منخفض. وهناك عدة أسباب لذلك. السبب الأول هو أن بيئة الأس الهيدروجيني المنخفض يمكن أن تزيل الطلاءات التي تحمي الحديد من الأكسجين والماء. تذكر أن الأس الهيدروجيني المنخفض يعني وجود تركيز عال من أيونات الهيدروجين. ويعني التركيز العالي لأيونات الهيدروجين أن لدينا محلولًا إلكتروليتيًّا، سيسمح للإلكترونات بالتحرك بسهولة أكبر، تمامًا كما رأينا في حالة الأملاح.
تشارك أيونات الهيدروجين أيضًا مباشرة في تفاعل الأكسدة والاختزال بين الحديد والأكسجين. يعني التركيز العالي لأيونات الهيدروجين أن المزيد من ذرات الحديد تتأكسد إلى أيونات الحديد اثنين موجب، التي ستؤدي في النهاية إلى تكوين الصدأ. بذلك، نكون قد تناولنا كل ما نحتاج إلى معرفته بشأن الصدأ. والآن بعد أن أصبحنا خبراء في موضوع الصدأ، فلنجرب حل بعض المسائل.
أي المعادلات الكلامية الآتية تصف عملية الصدأ؟ (أ) الحديد زائد الأكسجين زائد الماء تتفاعل لتكوين أكسيد الحديد الثنائي المموه. (ب) الحديد زائد الأكسجين يتفاعلان لتكوين أكسيد الحديد الثلاثي. (ج) الحديد زائد الماء زائد الهواء تتفاعل لتكوين أكسيد الحديد الثنائي المموه. (د) الحديد زائد الأكسجين زائد الماء تتفاعل لتكوين أكسيد الحديد الثلاثي المموه. (هـ) الحديد زائد أيونات الهيدروكسيد تتفاعل لتكوين أكسيد الحديد الثلاثي المموه زائد الماء.
الصدأ نوع من التآكل يؤثر على الحديد وعلى بعض السبائك التي تحتوي على الحديد. يحدث الصدأ عندما يتعرض الحديد إلى الأكسجين والماء، بحيث تتشكل مادة بنية محمرة على سطح الفلز. هذه المادة هي أكسيد الحديد الثلاثي المموه، وصيغته الكيميائية Fe2O3 nH2O. وضعنا n هنا بدلًا من العدد المعتاد لجزيئات الماء الموجودة في المركب. وهذا بسبب وجود مجموعة متنوعة من أكاسيد الحديد الثلاثي المموه المختلفة التي يمكن تكونها.
إذن، المعادلة الكلامية التي تصف الصدأ هي الحديد زائد الأكسجين زائد الماء تتفاعل لتكوين أكسيد الحديد الثلاثي المموه، وهذا يطابق خيار الإجابة (د). ومع أن السؤال لم يطلب ذلك، فالمعادلة الكيميائية المقابلة هي 4Fe زائد 3O2 زائد 2nH2O تتفاعل لتكوين 2Fe2O3 nH2O.
رتب الأنابيب الآتية التي يحدث فيها الصدأ من الأبطأ.
يحتوي كل أنبوب على مسمار في ظروف مختلفة. الصدأ نوع من التآكل يؤثر على الحديد. ويحدث الصدأ عندما يتعرض الحديد إلى الأكسجين والماء، بحيث يتشكل أكسيد الحديد الثلاثي المموه. وهذا يعني أن أي إجراء نتخذه لحماية الحديد من الأكسجين أو الماء سيبطئ عملية الصدأ. وتتسارع عملية الصدأ أيضًا عندما يتعرض الحديد إلى الأملاح أو إلى أس هيدروجيني منخفض.
والأنبوب (هـ) هو الأنبوب الوحيد الذي يتعرض فيه المسمار إلى الماء المالح. ونظرًا لأن الصدأ يحدث أسرع عند تعرض الحديد إلى الأملاح، فسيحدث الصدأ أسرع في الأنبوب (هـ). في أنابيب الاختبار (أ) و(ب) و(د)، تم اتخاذ إجراءات لحماية المسمار من الأكسجين أو الماء. لكن في أنبوب الاختبار (ج)، يتعرض المسمار لماء الصنبور والأكسجين من الهواء، لذلك سيحدث الصدأ أسرع في أنبوب الاختبار (ج) منه في أنابيب الاختبار (أ) أو (ب) أو (د).
إذا نظرنا إلى أنبوب الاختبار (د)، فإن المسمار محمي من الماء بواسطة سدادة وإضافة كلوريد الكالسيوم اللامائي. كلوريد الكالسيوم اللامائي مادة مجففة، مما يعني أنه يمكنه امتصاص أي ماء يدخل الأنبوب. إنه سيحمي هذا المسمار من الماء فترة طويلة، مما يعني أن الصدأ سيحدث أبطأ في هذا الأنبوب.
الآن نحن نحتاج فقط إلى تحديد إذا ما كان الصدأ سيحدث أسرع في الأنبوب (أ) أم في الأنبوب (ب). في الأنبوب (أ)، لا يوجد ماء، لكن المسمار معرض إلى الهواء. يحتوي الهواء على كمية من بخار الماء، مما يعني أن الماء سيشق طريقه في النهاية إلى الأنبوب.
في الأنبوب (ب)، تم اتخاذ إجراءات لحماية الأنبوب من الأكسجين الموجود في الهواء. فالأنبوب مسدود وهناك طبقة من الزيت. ومع ذلك، فإن هذا الأنبوب مليء بماء الصنبور. هناك دائمًا كمية من غاز الأكسجين المذاب في ماء الصنبور. هذا يعني أنه يوجد بالفعل كل من الأكسجين والماء في الأنبوب. لذا سيحدث الصدأ أبطأ في الأنبوب (أ) منه في الأنبوب (ب) لأن دخول بخار الماء من الهواء إلى الأنبوب سيستغرق بعض الوقت.
إذن، الترتيب الذي سيحدث به الصدأ بدءًا بالأبطأ هو (د)، ثم (أ)، ثم (ب)، ثم (ج)، ثم (هـ).
الآن وقد انتهينا من دراسة بعض المسائل، لنلخص ما تعلمناه عن الصدأ. الصدأ نوع من التآكل يؤثر على الحديد وعلى بعض السبائك التي تحتوي على الحديد. يحدث الصدأ عندما يتعرض الحديد إلى الأكسجين والماء، بحيث يتشكل أكسيد الحديد الثلاثي المموه. المعادلة الكيميائية التي تصف الصدأ هي 4Fe زائد 3O2 زائد 2nH2O تتفاعل لتكوين 2Fe2O3 nH2O، وكثيرًا ما ستراها ممثلة من دون جزيئات الماء. وتتسارع عملية الصدأ إذا تعرض الحديد إلى الأملاح أو إلى أس هيدروجيني منخفض.
