تآكل المعادن: صدأ الحديد وطرق الحماية
درس تآكل المعادن: نفهم كيف يصدأ الحديد كأنه خلية جلفانية صغيرة، ثم ما الذي يزيد الصدأ، وكيف نحمي الحديد منه. وفي صفحة الأسئلة تجد باقي الدرس.
كيف يصدأ الحديد
التآكل تفاعل أكسدة واختزال تلقائي يحدث للفلز عند تعرضه للماء والأكسجين والوسط المحيط. وعلى سطح الحديد تتكون خلايا جلفانية صغيرة :
- الأنود (جزء نشط من سطح الحديد) : Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ فيتآكل الحديد.
- الكاثود (جزء آخر مجاور فيه شوائب أو أقل نشاطًا) : O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
- يتحد Fe²⁺ مع OH⁻ فيتكون Fe(OH)₂ ثم يتأكسد إلى Fe(OH)₃ ويتحول إلى الصدأ Fe₂O₃·xH₂O.
- لا يصدأ الحديد إلا بوجود الماء والأكسجين معًا.
- الكربون في سبيكة الصلب لا يتآكل، لأنه أقل نشاطًا فيعمل ككاثود.
اعرض الحل
(1) أيونات Fe²⁺ تتكون عند الأنود.
(2) حركة الإلكترونات داخل الحديد.
(3) يترسب الصدأ Fe(OH)₃
الإجابة (د).
العوامل المؤثرة في معدل الصدأ
- الرطوبة والأكسجين، فلا صدأ في هواء جاف أو في ماء خالٍ من الأكسجين.
- الأملاح الذائبة (مثل ماء البحر) والأحماض تزيد توصيل الماء للكهرباء فيزداد الصدأ.
- ارتفاع درجة الحرارة يزيد معدل الصدأ.
اعرض الحل
الأملاح الذائبة مثل كلوريد الصوديوم تزيد توصيل الماء للتيار فتزيد معدل الصدأ.
الإجابة (ب).
وبمقارنة مسامير حديد في ظروف مختلفة (ماء وهواء ، ماء مغطى بالزيت ، هواء جاف) نحدد ترتيب معدل الصدأ:
اعرض الحل
الماء المالح يسرع الصدأ (Z) ثم الماء (W).
الزيت يقلل وصول الأكسجين (X) والعامل المجفف يمنع الصدأ (Y).
فيكون الترتيب Y < X < W < Z
الإجابة (د).
اتصال الحديد بفلز آخر
- إذا كان الفلز الآخر أقل نشاطًا من الحديد (مثل Cu أو Ni أو Sn) يصبح الحديد هو الأنود فيصدأ أسرع.
- وإذا كان أنشط (مثل Zn أو Mg) يصبح هو الأنود ويحمي الحديد.
اعرض الحل
النيكل والنحاس أقل نشاطًا من الحديد.
فيعمل الحديد كأنود ويصدأ أولًا في التجربتين (2) و (3).
الإجابة (أ).
الحماية بالعزل والطلاء
- العزل عن الماء والهواء بالدهان أو الزيوت أو الطلاء بمادة عضوية مثل السلاقون أو بالبلاستيك.
اعرض الحل
الأنبوبة (P) : الحديد يصدأ ويستهلك أكسجين الهواء فيرتفع الماء.
الأنبوبة (Q) : الحديد مطلي بالسلاقون فلا يصدأ ولا يتغير مستوى الماء.
الإجابة (ج).
- الطلاء بفلز :
| الفلز المستخدم | مثال | عند حدوث خدش |
|---|---|---|
| أنشط من الحديد | الخارصين (الجلفنة) | يتآكل الخارصين ويظل الحديد محميًا |
| أقل نشاطًا من الحديد | القصدير ، النحاس ، النيكل ، الكروم | يتآكل الحديد بسرعة أكبر |
اعرض الحل
الفضة أقل نشاطًا من الحديد.
فيتآكل الحديد بسرعة أكبر عند خدشها.
الإجابة (د).
الحماية الكاثودية (القطب المضحي)
نوصل الحديد بفلز أنشط منه مثل Mg أو Zn فيصبح الحديد هو الكاثود ولا يتآكل، ويتآكل الفلز المضحي ويتم تغييره من وقت لآخر. وتستخدم هذه الطريقة في حماية الأنابيب المدفونة وهياكل السفن والخزانات.
اعرض الحل
(X) قطب مضحي أنشط من الحديد.
يختزل أيونات الحديد في محلوله فتتجه الإلكترونات من (X) إلى الحديد (1).
الإجابة (ب).
ولا يصلح لحماية الحديد أي فلز، بل لا بد أن يكون جهد أكسدته أكبر من جهد أكسدة الحديد:
اعرض الحل
الخارصين أنشط من الحديد فيتأكسد بدلًا منه.
تنتقل الإلكترونات من الخارصين إلى الحديد فيحميه.
الإجابة (ج).
الجلفنة بالتحليل الكهربي
يكون الجسم الحديدي هو الكاثود، وقطب الخارصين هو الأنود، والإلكتروليت محلول ملح الخارصين.
اعرض الحل
(١) القطب (X) ، لأن قراءة الفولتميتر تدل على أن الشكل يُعبر عن خلية دانيال التي يعمل فيها الخارصين كأنود تنتقل منه الإلكترونات في دائرة السلك الخارجية.
(٢) (أ) Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2e⁻
(ب) Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)