صدأ الحديد هو عبارة عن اللون الأحمر الذي يميل إلى البني الذي يظهر على سطح الحديد أو الفولاذ، ويكون ذلك نتيجة للتآكل، ويتكون الصدأ نتيجة أكسدة ذرات الحديد التي تكون متواجدة على السطح وذلك نتيجة تلامسها مع ذرات أكسجين الهواء الجوي ووجود الرطوبة، ومن خلال الأسطر التالية وفي موقع الهندسة سوف نتحدث بالتفصيل عن صدأ الحديد، وآثاره السلبية وكيف يتكون فلنتابع سويا.
مفهوم الصدأ
قبل أن نتحدث عن مفهوم صدأ الحديد لابد أن نتطرق إلى معرفة حقيقيتين العديد من الناس لا يعلمها، وهي ان صدأ الحديد يمكن أن يظهر بألوان متعدد غير اللون الاحمر المائل للبني، فيمكن ان يظهر في صورة اللون الأخضر، أو الأصفر أو البرتقالي، ويختلف اللون حسب التركيب الكيميائي للمعادن التي تكون عليها الصدأ، وبالرغم من أن حدوث عملية الصدأ يكون نتيجة الأكسدة لكن لا يمكن أن نستخدم مفهوم الصدأ من أجل الدلالة عليها كلها، ولكن نستخدمه من أجل التوضيح لحدوث صدأ الحديد وسبائكه، أما بالنسبة لما يحدث في الفضة وأنها تفقد لمعانها وحدوث تأكسد للنحاس فإن ذلك يعتبر أو يسمى بزنجار.
والحقيقة الثانية هو أن الصدأ يحدث نتيجة عملية الأكسدة، ولكن ليس كل عمليات الأكسدة التي تحدث للحديد تكون صدأ.
وصدأ الحديد يتكون نتيجة تآكل سطح الحديد والذي حدث نتيجة عملية كهرومئية تكون بسبب فرق الجهد بين المناطق المختلفة للسطح المعدني، وهذه العملية تحتاج إلى قطبين أحدهما يمنح الألكترونات التي تكون موجودة في هذه العملية وهو المصعد ( الآنود)، والثاني هي القطعة التي تقوم باستقبال هذه الألكترونات وهو ما يسمي بالمهبط ( الكاثود)، هذا بالإضافة إلى ضرورة وجود سطح معدني يسهل حركة هذه الالكترونات وهو الإلكترويت أو ما يسمى بالمحلول الكهربائي.
لذلك فإن ما يحصل بشكل عام في عملية تكون صدأ الحديد هو تآكل القطعة المعدنية وتفاعل الآنود مع الاوكسجين والذي يسمح للألكترونات بالتحرر، ويقوم بعد ذلك المحلول الكهربائي بتحريك هذه الإلكترونات من الآنود إلى الكاثود، وهو ما يترتب عليه اختفاء معدن الآنود بفعل التدفق الكهربائي، أو يتحول إلى كاتيونات موجبة مشكلة الصدأ.
تعرف على أهم وأكبر مصافي النفط في العالم
عناصر تكوين صدأ الحديد
ومن الجدير بالذكر أن صدأ الحديد يحتاج إلى ثلاثة عناصر لكي يتكون وهي الماء والهواء والأكسجين، وفي حالة غياب أي عنصر من الثلاثة فإنه يكون كافي لإبطال عملية تكون الصدأ، أما في حالة توافر الثلاثة عناصر فإن الصدأ يتكون من خلالهم، حيث أن الماء يعتبر عنصر قوي لنقل التيار الكهربائي، والذي يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون، الذي يوجد في الهواء والذي يتكون من خلاله ثاني أكسيد الكربون الضعيف، والذي يعتبر ناقل للكهرباء أفضل من الماء، وبعد ذلك يتفاعل هذا الحمض، ويبدأ الحديد أن يتحلل، وتبدأ بعض جزيئات الماء أن تتحلل إلى مكوناتها الأساسية والتي هي عبارة عن الأكسجين والهيدروجين.
ومن ثم تتفاعل ذرات الحديد المنحلة مع ذرات الأكسجين المتحررة مكونة أكسيد الحديد، بالإضافة إلى أنه يحدث تحرر للإلكترونات التي توجد في الآنود وهي عبارة عن قطعة الحديد التي سيحدث لها الصدأ متحولة إلى الكاثود، والتي يمكن أن تكون قطعة معدنية تحتوي على جهد كهربائي أقل من الجهد الكهربائي للحديد، أو ربما تكون قطعة أخرى من سطح الحديد نفسه.
طرق الحماية من صدأ الحديد
يوجد العديد من الطرق التي يمكن أن نتبعها من أجل الحماية من صدأ الحديد وأضراره، وذلك لأن أكسيد الحديد يعمل على ضعف معدن الحديد نفسه، هذا بالإضافة إلى أنه يعد كالمرض المعدي إذا أصاب جزء يعمل على نقله إلى باقي الأجزاء حتى ينتشر بشكل كبير ويصعب السيطرة عليه، وفيما يلي سنذكر أهم الطرق المتبعة لحماية الحديد من الصدأ:-
- يمكن أن نقوم بإضافة بعض المعادن الأخرى المقاومة للصدأ، والتي من أهمها النيكل والكروم من أجل تكوين الاستانليس ستيل المقاوم للصدأ.
- يمكن أن يتم إضافته إلى بعض المعادن مثل الألومنيوم كطبقة خارجية تسمى بالأغلفة الأكسيدية، وذلك من خلال عوامل مؤكسدة قوية مثل المحلول المائي للصودا الكاوية، هذا بالإضافة إلى مجموعة من المحاليل الساخنة مثل محاليل الفوسفات للحديد والمنجنيز، وتعتبر الطبقة الخارجية التي توجد على المعدن هي مصدر الأمان وحفظ المعدن الذي يوجد في الوسط، والذي يمكن أن يقوم بحفظه من أي حدوث عملية صدأ أو تآكل له.
- استخدام الدهان المقاوم للصدأ والذي يتم به دهان المعدن ، وخاصة الحديد ينصح بطلائه من وقت لأخر حتى لا يصدأ.
- ومن أهم الطرق التي يمكن اتباعها في مقاومة صدأ الحديد هو تغطيته بأحد المعادن المنصهرة مثل النحاس والتي تكون مقاومة للصدأ، لان يقوم بتكوين طبقة خارجية تعمل على حمايته.
- يمكن مقاومة الصدأ أيضا من خلال الوقاية الكهربائية، حيث يتم استخدام التيار الكهربائي في حماية الحديد من عملية الأكسدة وذلك من خلال تمرير تيار كهربائي في الجزء المراد حمايته من الصدأ، ويكون مصدر التيار الكهربائي إما من بطارية ذات جهد عالي، أو من خلال مولدات الطاقة، ويتم استخدام هذه الطريقة من خلال حماية الأنابيب وخزانات النفط.
أضرار الصدأ
مما لا شك فيه أن للصدأ أضرار، وهذه الأضرار لا تقتصر على نوع ضرر معين بل هي متعددة، وفيما يلي سنذكرها:-
- أضرار اقتصادية
وذلك لأن الصدأ يتسبب في تلف المصاعد، وكذلك الأدراج الكهربائية، وذلك في حالة حمايتها بالشكل الصحيح، فعند تعرض المصعد أو الأدراج الكهربائية للتلف والصدأ فإن ذلك يتطلب تغيير أجزاء كثيرة، وهو الأمر الذي يحتاج إلى الكثير من الوقت والجهد والأيدي العاملة الماهرة، هذا بالإضافة إلى التكلفة العالية لعملية الصيانة.
- تشوه المظهر الخارجي
في الواقع نجد العديد من واجهات المنازل وكذلك الأبواب والشبابيك مصنوعة من الحديد وخاصة في المحال التجارية، وعندما تتعرض هذه الواجهات للتآكل والصدأ يكون منظرها غير مرغوب فيه، وغير مريح للنفس والعين، بسبب تشوه المنظر الخارجي.
- تغيير الطبيعة الكيميائية للحديد
ويكون ذلك بسبب التلوث الذي يحدث للحديد، لذلك نجد أن كافة الأطعمة والمشروبات التي يتم حفظها في علب حديدية، وعندما تتعرض هذه العلب للتآكل يحدث لها صدأ ويتفاعل الحديد حينها مع تلك الأطعمة والمشروبات، والتي تكون بعدها غير صالحة للاستخدام على الاطلاق.
- حدوث الكوراث والحوادث في المنازل والجسور
في حالة لم يتم أخذ الإجراءات الاحترازية للوقاية من صدأ الحديد فإن هذه الجسور تتعرض للتآكل مع مرور الزمن، وهو الأمر الذي يتسبب في سقوطها نتيجة عدم تحمل الأوزان الثقيلة التي تتم فوقها.
التفاعلات الكيميائية التي توضح تكون صدأ الحديد
يبدأ التفاعل الذي يكون صدأ الحديد عندما يلتمس الماء الذي يحتوي على الأكسجين بالحديد الصلب وهو ما يؤدي إلى تأكسد الحديد وتعبر المعادلة التالية عن التفاعل الحادث
fe(s)=fe2(aq)+ 2e
وفي المعادلة السابقة ترتبط الالكترونات الناتجة من التفاعل مع الاكسجين الذي تحرر من الماء من ناحية، ومن أيونات الهيدروجين المنفكة من جزء الماء، وذلك من أجل تكوين جزيئات الماء مرة ثانية من خلال التفاعل الآتي
4e+4H (aq)+ o2(aq)=2H2o
ومن الجدير بالذكر أنه كلما زادت عمليات الأكسدة زادت نسبة الكربون في الماء، ولكن الانخفاض الكبير الذي يحدث في درجة الحموضة يجعل أيونات الهيدروجين، يمكن أن تستهلك الإلكترونات مشكلة بذلك غاز الهيدروجين بدل من الماء، وذلك بناء على التفاعل الآتي
2H(Aq) + 2e(g)
وهذه التفاعلات الحاصلة تقوم باستنفاذ الهيدروجين ومن ثم فإن أيونات الهيدروكسيد تظهر في الماء، ويتأكسد الحديد وتزداد درجة الحموضة، ويتم تفاعل أيونات الهيدروكسيد مع أيونات الحديد الثنائي، وبذلك تكون هيدروكسيد الحديد أو ما يسمى بصدأ الحديد الأخضر، والذي يوضحه التفاعل الآتي:-
fe2(Aq)+ 2OH( aq)=Fe(oH)_2 (s)
فيما سبق قدمنا لكم كل ما هو متعلق بصدأ الحديد، وذلك من خلال ذكر مفهومه، وكيف يتكون، وكيف يمكن التغلب عليه، وذكر أهم أضراره، وأخيرا أهم التفاعلات الكيميائية التي توضح مراحل تكوينه.
عزيزي القارئ لا تدع المقال يتوقف عندك، وقم بمشاركته مع أصدقائك لكي تعم الفائدة على الجميع.
