18.7: خوردگی
- Page ID
- 216074
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- خوردگی را تعریف کنید
- لیست برخی از روش های مورد استفاده برای جلوگیری یا کند شدن خوردگی
خوردگی معمولاً به عنوان تخریب فلزات توسط یک فرآیند الکتروشیمیایی طبیعی تعریف می شود. تشکیل زنگ روی آهن، لکه دار شدن روی نقره و زنگار آبی-سبز که روی مس ایجاد می شود، همه نمونه هایی از خوردگی هستند. هزینه کل اصلاح خوردگی در ایالات متحده قابل توجه است، با تخمین بیش از نیم تریلیون دلار در سال.
مجسمه آزادی نقطه عطفی است که هر آمریکایی به رسمیت می شناسد. مجسمه آزادی به راحتی با ارتفاع، موقعیت و رنگ آبی-سبز منحصر به فرد آن (شکل\(\PageIndex{1}\)) شناخته می شود. هنگامی که این مجسمه برای اولین بار از فرانسه تحویل داده شد، ظاهر آن سبز نبود. قهوه ای بود، رنگ «پوست» مسی آن. مجسمه آزادی چگونه تغییر رنگ داد؟ تغییر در ظاهر یک نتیجه مستقیم از خوردگی بود. مس که جزء اصلی مجسمه است به آرامی تحت اکسیداسیون از هوا قرار گرفت. واکنشهای اکسایش- کاهش فلز مس در محیط طی چند مرحله رخ میدهد. فلز مس به اکسید مس (I) (Cu 2 O) که قرمز است اکسید می شود و سپس به اکسید مس (II) که سیاه است
\[\begin{align} \ce{2 Cu(s) + 1/2 O2(g) -> Cu_2 O (s)} \tag{red} \\[4pt] \ce{2 Cu2O(s) + 1/2 O2(g) -> 2CuO (s)} \tag{black} \end{align} \]
زغال سنگ، که اغلب در گوگرد بالا بود، در اوایل قرن گذشته به طور گسترده سوزانده شد. در نتیجه، تری اکسید گوگرد جوی، دی اکسید کربن و آب همه با موارد زیر واکنش نشان دادند: \(\ce{CuO}\)
\ [\ begin {align*}
\ ce {2 CuO (s) + CO2 (g) + H2O (l) &-> Cu2CO3 (OH) 2 (s)}\ tag {سبز}\\ [4pt]
\ ce {3 CuO (s) +2 CO2 (g) + H2O (l) &-> Cu2 (CO3) 2 (OH) 2 (s)}\ برچسب {آبی}\\ [4pt]\ ce {4 CuO (s) + SO3 (g) + 3 H2O (l) &-> Cu4SO4 (OH) 6 (s)}
\ tag {سبز}\ end {align*}\nشماره\]
این سه ترکیب مسئول زنگار آبی-سبز مشخصه ای هستند که در مجسمه آزادی (و سایر سازه های مسی در فضای باز) دیده می شود. خوشبختانه تشکیل پاتینا یک لایه محافظ روی سطح مس ایجاد می کند و از خوردگی بیشتر مس زیرین جلوگیری می کند. شکل گیری لایه محافظ Passivation نامیده می شود، پدیده ای که در فصل دیگری از این متن مورد بحث قرار گرفته است.
شاید آشناترین مثال خوردگی تشکیل زنگ بر روی آهن باشد. آهن هنگامی که در معرض اکسیژن و آب قرار می گیرد زنگ می زند. شکل گیری زنگ شامل ایجاد یک سلول گالوانیک در سطح آهن است، همانطور که در شکل \(\PageIndex{1}\) نشان داده شده است. واکنش های ردوکس مربوطه با معادلات زیر توصیف می شوند:
\ [\ begin {align*}
&\ text {آند:} &\ ce {Fe (s)\ longrigrightarrow Fe^ {2+} (aq) + 2 e^ {-} &E_ {\ ce {Fe^ {2+}/Fe}} ^ {\ circ} =-0.44\,\ text {V}\ [4pt]
&\ text {کاتد:} & ce {O2 (g) + 4 H^ {+} (aq) + 4 e^ {-} -> 2 H2O (l)} &E_ {\ ce {O2 /O ^ {2-}}} ^ {\ circ} =+1.23\,\ text {V}\\ [4pt]
\ hline &\ text {کلی:} &\ ce {2 Fe (s) + O2 (g + 4 H^ {+} (aq) -> 2 Fe^ {2+} (aq) + 2 H2O (l)} && E_ {\ text {cell}} ^ {\ circ} =+1.67\,\ text {V}\ end {align*}\nشماره\]
واکنش بیشتر محصول آهن (II) در هوای مرطوب منجر به تولید هیدرات اکسید آهن (III) می شود که به عنوان زنگ شناخته می شود:
\[\ce{4 Fe^{2+}(aq) + O2(g) + (4+2 x) ~H2O(l) -> 2 Fe2O3 \cdot x~ H2O(s) + 8 H^{+}(aq)} \nonumber \]
استوکیومتری هیدرات متفاوت است، همانطور که با استفاده از x در فرمول ترکیب نشان داده شده است. بر خلاف زنگار روی مس، تشکیل زنگ زدگی یک لایه محافظ ایجاد نمی کند و بنابراین خوردگی آهن همچنان ادامه می یابد که زنگ زدگی از بین می رود و آهن تازه را در معرض جو قرار می دهد.
یک راه برای جلوگیری از خوردگی آهن این است که آن را رنگ نگه دارید. لایه رنگ از تماس آب و اکسیژن لازم برای تشکیل زنگ زدگی با آهن جلوگیری می کند. تا زمانی که رنگ دست نخورده باقی بماند، آهن از خوردگی محافظت می شود.
استراتژی های دیگر شامل آلیاژ آهن با فلزات دیگر است. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ آلیاژی از آهن است که حاوی مقدار کمی کروم است. کروم تمایل دارد در نزدیکی سطح جمع شود، جایی که خوردگی می کند و یک لایه اکسید غیرفعال را تشکیل می دهد که از آهن محافظت می کند.
آهن و سایر فلزات نیز ممکن است توسط گالوانیزه از خوردگی محافظت شوند، فرآیندی که در آن فلز محافظت شده با لایه ای از فلز به راحتی اکسید شده، معمولاً روی، پوشانده می شود. هنگامی که لایه روی دست نخورده باشد، از تماس هوا با آهن زیرین جلوگیری می کند و در نتیجه از خوردگی جلوگیری می کند. اگر لایه روی توسط خوردگی یا سایش مکانیکی شکسته شود، آهن هنوز هم ممکن است از خوردگی توسط یک فرآیند حفاظت کاتدیک محافظت شود، که در پاراگراف بعدی شرح داده شده است.
یکی دیگر از راه های مهم برای محافظت از فلز این است که آن را به کاتد در یک سلول گالوانیک تبدیل کنید. این حفاظت کاتدی است و می تواند برای فلزات غیر از آهن استفاده شود. به عنوان مثال، زنگ زدگی مخازن و لوله های ذخیره آهن زیرزمینی را می توان با اتصال آنها به فلز فعال تر مانند روی یا منیزیم جلوگیری کرد یا تا حد زیادی کاهش داد (شکل\(\PageIndex{3}\)). این نیز برای محافظت از قطعات فلزی در آبگرمکن استفاده می شود. فلزات فعال تر (پتانسیل کاهش کمتر) آندهای قربانی نامیده می شوند زیرا همانطور که در آند خورده می شوند (اکسید می شوند) استفاده می شوند. فلزی که محافظت می شود به عنوان کاتد برای کاهش اکسیژن در هوا عمل می کند و بنابراین به سادگی برای هدایت (نه واکنش) الکترون های منتقل شده عمل می کند. هنگامی که آند ها به درستی نظارت می شوند و به طور دوره ای جایگزین می شوند، طول عمر مفید مخزن ذخیره سازی آهن می تواند تا حد زیادی افزایش یابد.