تآكل الحديد


تآكل الحديد يكلف ملايير الدولارات .. تكلفة عالية جدا ..
بينما تقرأ هذه الفقرة من هذا المقال يكون قد اختفى 200 طن من الحديد الصلب بسبب التآكل الذي يؤثر بشكل مستمر في المنازل، السيارات، الطائرات، الشوارع، الجسور، المباني، ووسائل إنتاج الطاقة ومنشآت النفط والغاز .. فمن وجهة نظر اقتصادية التآكل أمر بالغ الأهمية، لأن تكلفته تقدر بحوالي 3 إلى 4 % من الناتج المحلي الإجمالي في البلدان الصناعية، ففي الولايات المتحدة تُقدر تكلفة الأضرار التي يسببها التآكل بـ 276 مليار دولار سنويا، وهو ما يعادل 3.1 % من الناتج المحلي الإجمالي، تصور أن التآكل يُتلف حوالي ربع الانتاج العالمي من الحديد الصلب وهو ما يقارب 150 مليون طن/سنة أو 5 طن/الثانية...

هل الرطوبة هي التي تسبب تآكل الحديد ؟
ما ذا يحدث عندما يتآكل الحديد ؟
ما هي الغازات التي تساهم في تشكل صدأ الحديد ؟
هل جميع المعادن تتآكل ؟
ما هو الصدأ ؟

يتآكل الحديد بسبب الصدأ، وهو أكسدة الحديد لتشكيل أكسيد معدني، صدأ الحديد لا يلتصق بسطح المعدن مما يسبب تواصل واستمرار التآكل الذي يبدأ من نقاط صغيرة يمكن أن نسميها لسعات التآكل ثم بمرور الزمن ينتشر الصدأ ويؤدي إلى اهتراء الهياكل المعدنية.
فالصدأ حادثة كهروكيميائية تحدث عندما يتعرض الحديد للهواء الرطب، حيث يتفاعل مع أكسجين الهواء لتشكيل أكسيد الحديد الثلاثي في وسط مائي توفره الرطوبة، مما يؤدي إلى تشكل عمود كهربائي pile، أو خلية كهروكيميائية يمثل معدن الحديد مصعدها، وغاز الأكسجين مهبطها، والشوارد المائية المنحلة في الرطوبة المحيطة بمثابة الجسر الملحي، علما أنه توجد أشكال أخرى للتآكل حسب البيئة التي يوجد فيها معدن الحديد.



يمكن للصدأ أن ينتشر على مسافة من لسعة تآكل الحديد لأن الإلكترونات الناتجة عن أكسدة الحديد يمكنها الانتقال عبر معدن الحديد كما أن شوارد الحديد يمكنها الانتشار من خلال الرطوبة إلى نقاط أخرى من سطح المعدن حيث الأكسجين متاح.

كيف يتشكل الصدأ ؟
يمكن فهم عملية تشكل الصدأ عبر المراحلتين الثلاث التالية

المرحلة الأولى
أكسدة الحديد إلى شوارد الحديد الثنائي

Fe (s) ® Fe2+ (aq) + 2e−
إرجاع أكسجين الهواء وسط مائي

O2 (g) + 2H2O (l) + 4e−® 4HO− (aq)
المعادلة الإجمالية

2Fe (s) + O2 (g) + 2H2O (l) ® 2Fe2+ (aq) + 4HO− (aq)
المرحلة الثانية
تتأكسد شوارد الحديد الثنائي إلى شوارد الحديد الثلاثي

Fe2+ (aq) ® Fe3+ (aq) + 1e−

ويتحول هيدروكسيد الحديد الثنائي إلى هيدروكسيد الحديد الثلاثي

4Fe(HO)2 (s) + O2 (g) + 2H2O (l) ® 4Fe(HO)3 (s)

يتحول هيدروكسيد الحديد الثلاثي تلقائيا إلى أكسيد الحديد الثلاثي مشكلا الصدأ

2Fe(HO)3 (s) ® Fe2O3,3H2O (s)

مع وجود زيادة من الرطوبة يمكن أن تتضاعف عدد جزيئات الماء المتحدة مع أكسيد الحديد الثلاثي، عدد جزيئات الماء الداخلة في تركيب أكسيد الحديد الثلاثي متعلقة بمعدل الرطوبة، وهي التي تحدد لون الصدأ من البرتقالي إلى الأحمر الداكن إلى الأسود


2Fe(HO)3,3H2O (s) + nH2O (l) ® Fe2O3,xH2O (s)
ماذا عن المعادن الأخرى
المعادن الأخرى مثل الألمنيوم والتوتياء والنحاس تتفاعل بدورها مع أكسيجين الهواء لتشكيل طبقة من أكسيد المعدن، وعلى خلاف أكسيد الحديد، فإن أكاسيد الألمنيوم والتوتياء والنحاس تشكل طبقات شديدة الالتصاق بسطح المعدن لتصبح بذلك طبقة واقية لبقية ذرات المعدن وتمنع الأكسجين من ملامستها وأكسدتها، وتتحقق بذلك وقاية ذاتية من الآثار المدمرة للصدأ والتآكل.

كيف نحمي المعادن من التآكل ؟
بشكل عام يجب وضع طبقة واقية عالية الاستقرار على سطح الجزء المطلوب حمايته، لعزل المعدن عن البيئة المحيطة به.

العوازل الاعتيادية

  • الزيوت والشحوم: مثلا لحماية وتخزين قطع الغيار.
  • الدهن والطلاء: مثل مختلف وسائل النقل، الهياكل المعدنية للمنشئات الصناعية والجسور وغيرها ..


العوازل الكيميائية
يتمثل في إحداث تحول كيميائي تتشكل بموجبه طبقة واقية على سطح المعدن تحميه من التآكل

العزل بالفعل الحراري
يتمثل في ترسيب طبقة من معدن واق

  • التعليب: تغليف المعدن بطبقة من القصدير
  • الغلفنة: تغليف المعدن بطبقة من التوتياء، مقل الصفائح التي تستخدم عندنا في صناعة الصهاريج المخصصة لماء الشرب، والأنابيب المعدنية لشبكات المياه.


العزل بالتحليل الكهربائي
يوضع المعدن المراد عزله موضع المهبط بحيث يكون المصعد مصنوعا من الجسم العازل، بوجود متحلل كهربائي يحتوي شوارد المعدن العازل.


الحماية المهبطية
الحماية المهبطية لهيكل معدني ملامس لمتحلل كهربائي (مثل أنابيب نقل الغاز أو البترول في باطن الأرض إو في قاع البحر حيث عوامل التآكل جد عالية) تتمثل في إعطاء الهيكل المعدني كمونا كهربائيا سالبا بحيث يصبح التحول الكيميائي المسبب للتآكل غير ممكن الحدوث.