اکسید یا زنگ زدگی چیست؟ | روش های جلوگیری از زنگ زدگی

در شیمی دو نوع واکنش کلیدی و مهم به نام های اکسیداسیون و کاهش وجود دارد. اکسید یا زنگ زدگی نمونه ای از واکنش اکسیداسیون است که به عنوان مثال در آهن در ترکیب با اکسیژن اتفاق می افتد. اکسید آهن به رنگ قرمز بوده و با قرار گرفتن روی سطح آهن، ظاهری پوسته پوسته را به آن می دهد. به عبارتی فرایند اکسید یا زنگ زدگی را به عنوان یک واکنش الکتروشیمیایی تعریف می کنند که حاصل انجام واکنش شیمیایی در یک محلولی است که بین الکترود و الکترولیت آن ناقل الکترونی وجود دارد. برای درک بهتر مفهوم اکسید یا زنگ زدگی، این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک را مطالعه بفرمایید.

تعریف اکسیداسیون در گذشته

در گذشته تعریفی که برای اکسیداسیون می شد با استفاده از اکسیژن بیان می شد. ترکیب اکسیژن با یک ماده را اکسید شدن می گفتند. به عنوان مثال وقتی آهن با اکسیژن ترکیب می شود، اکسید یا زنگ زدگی صورت گرفته و زنگ آهن تشکیل می شود. اما بعدها اکسیداسیون را به واکنش های شیمیایی دیگر تعمیم دادند.

تشکیل اکسید آهن به صورت زیر است.

۲Fe + O_۲ → Fe_۲O_۳

اکسیداسیون چیست؟

برای آشنایی با زنگ زدگی بهتر است با مفهوم اکسیداسیون در شیمی آشنا شویم. به از دست دادن الکترون ها در یک واکنش شیمیایی که می تواند توسط یک مولکول، یون و یا اتم صورت بگیرد، اکسید شدن می گویند. با افزایش حالت اکسیداسیون در یک ذره، اکسید شدن اتفاق می افتد. نمونه ای از واکنش اکسیداسیون، ترکیب هیدروژن و فلوئور برای تشکیل اسید هیدروفلوئوریک است. طی این واکنش، هیدروژن دچار اکسیداسیون شده و فلوئور نیز کاهش پیدا می کند. دو نیم واکنش در این واکنش اکسیداسیون احیا به صورت زیر تعریف می شود.

H_۲ → ۲H⁺ + ۲e^–

F_۲ + ۲e^– → ۲F^–

در یک واکنش اکسیداسیون نیازی به حضور حتمی اکسیژن برای انجام واکنش نیست. مثال بالا این موضوع را تایید می کند.

از مهمترین واکنش های اکسیداسیون، فرایندهای الکتروشیمیایی هستند. در این واکنش ها همزمان با اکسیداسیون، احیا نیز اتفاق می افتد. به عنوان مثال با قرار گرفتن سیم مسی در مقابل یون های نقره، انتقال الکترون ها از مس به یون های نقره صورت گرفته و مس اکسید می شود. اکسید شدن مس باعث می شود که سیلورهای نقره ای روی مس تشکیل شده و اما یون های مس تشکیل شده وارد محلول شوند.

فرایند کاهشی همراه با اکسیداسیون

با کشف الکترون و ورود آن به تعریف واکنش های شیمیایی، مشخص شد که واکنش های اکسیداسیون در کنار واکنش احیا صورت می گیرد. وقتی ذره ای الکترون از دست داده و اکسید می شود، الکترون های از دست رفته آن به ذره دیگر وارد شده و دچار کاهش می شوند. با از دست دادن الکترون، ذرات به کاتیون تبدیل شده و ذرات دیگر نیز تشکیل آنیون می دهند.

زنگ زدگی چیست؟

نوعی از واکنش های اکسیداسیون، زنگ زدگی است که در آن الکترون ها از فلزات به اکسیژن منتقل شده و یک واکنش الکتروشیمیایی انجام می شود. از مهمترین مثال زنگ زدگی می توان به اکسید یا زنگ زدگی آهن اشاره کرد. برای اکسید یا زنگ زدن آهن، وجود آب و اکسیژن لازم است. زنگ آهن به رنگ قرمز و پوسته پوسته و با ظاهری شکننده در سطح آن مشخص می شود. زنگ آهنی که روی سطح آن را پوشانده از سطوح زیرین در برابر زنگ زدگی محافظت نمی کند. به زنگ زدن آهن، خوردگی و آلیاژ آهن نیز می گویند. اکسید یا زنگ زدگی که روی سطوح فلزات دیگر ایجاد می شود به نام زنگ آهن نامیده نمی شود.

زنگ آهن به طور کلی یک خاصه منفی برای آهن به شمار می آید ولی زنگ آهن پایدار نوعی از زنگ آهن است که در آن پوشش محافظی روی آهن ایجاد می شود که نقش حفاظت کننده را دارد. در این شرایط اگر رطوبت کم باشد، لایه های زیرین در برابر خوردگی و زنگ زدن محافظت می شوند.

افزایش سرعت زنگ زدگی در آهن

همان طور که گفته شد با انتقال الکترون ها از آهن به اکسیژن، زنگ زدگی شروع می شود. وجود آب و رطوبت یکی از عواملی است که سرعت این خوردگی را افزایش می دهد. اگر الکترولیت ها در کنار آب قرار گرفتند، باز هم سرعت زنگ زدن بالاتر می رود. علت زنگ زدن سطوح فلزی وسایل نقلیه در جاده های برفی که نمک پاشی شده است، همین است.

با آزمایشی می توان نقش عواملی چون آب، سرکه و آب اکسیژنه را در بالا بردن سرعت زنگ زدگی را بررسی می کنیم. این آزمایش را با قرار دادن سیم ظرفشویی داخل ظرفی پر از آب آغاز می کنیم. سپس مقداری سرکه و محلول سفید کننده را داخل این ظرف می ریزیم. بعد از چند ساعت، سیم ظرفشویی داخل این محلول زنگ می زند. علت زنگ زدن سریع سیم ظرفشویی در این محلول، از بین رفتن پوشش محافظ در سیم ظرفشویی توسط سرکه است. در این شرایط اکسیژن محلول سفید کنده باعث زنگ زدگی سیم ظرفشویی می شود.

اگر دمای این واکنش با قرار دادن دماسنج در محیط آن اندازه گیری شود، افزایش دما نشان داده می شود. زیرا واکنش زنگ زدگی یک واکنش گرمازاست.

زمان آغاز زنگ زدگی

ابتدا و آغاز زنگ زدگی در آهن را می توان با کمک محلول شناساگر فروکسیل مشخص کرد. یون های Fe^۲+ و هیدروکسید با ایجاد رنگ های آبی و صورتی در محلول به وسیله این محلول شناسایی می شود.

فلزاتی که دچار زنگ زدگی نمی شوند؟

آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، فولاد گالوانیزه و فلزات قرمز رنگ مانند مس، برنز و برنج، از جمله فلزاتی هستند که دچار زنگ زدگی نمی شوند.

آلومینیوم

علت زنگ نزدن آلومینیوم با وجود تشکیل اکسید آن، این است که اکسید آلومینیوم به صورت لایه محافظی روی سطح ان را فرا می گیرد. این لایه به صورت محافظی مانع از اکسید شدن لایه های زیرین می شود. اکسید آلومینیوم در مقایسه با آلیاژ آلومینیوم در برابر خوردگی مقاومت بالاتری دارد. اما زنگ زدگی در آهن تا از بین رفتن کل آهن به دلیل پوسته پوسته شدن ادامه پیدا می کند.

فولاد ضدزنگ

از فلزات ضد زنگ دیگر، فولاد ضدزنگ است که با داشتن کروم و نیکل، ابتدا کروم آن لایه کروم اکسید را به اکسیژن تشکیل می دهد. این لایه با مقاومت بالا در برابر خوردگی، مانع از زنگ زدن بخش زیرین فلز می شود. این نوع فولاد به نام فولاد ضد زنگ آستنیتی است. فولادهای ضد زنگ فریتی و مارتنزیتی به دلیل داشتن مقدار کروم کم، احتمال زنگ زدگی دارند.

فولاد گالوانیزه

داشتن ماده ی پوششی رویی در سطح فولاد گالوانیزه از زنگ زدگی آن محافظت می کند. این نوع فولاد، کربنی بوده و اگر یک یا چند لایه رویی نداشته باشد، زنگ می زند. اما پوشش و لایه رویی که روی فولاد گالوانیزه قرار داده می شود، مانع زنگ زدن بخش های زیرین می شود و به عنوان فلز فداشونده عمل می کند. چون لایه اکسیدی که این ماده با اکسیژن تشکیل می دهد، با تمایل بیشتری نسبت به آهن اکسید تشکیل می شود.

اما با قرار گرفتن فولاد گالوانیزه در محیط های نامناسب، زنگ می زند. نوعی از زنگ زدگی به نام زنگ سفید ممکن است در فولاد گالوانیزه ایجاد شود که آب یا چگالش داشته و صدمه ای به ماده پوششی رویی وارد نمی کند.

فلزات قرمز

مس، برنز و برنج از جمله فلزات قرمزی هستند که مانند آلومینیوم و بنا به دلایل گفته شده در این فلز، دچار خوردگی و زنگ زدگی نمی شوند. همه ی این فلزات دارای آهن بوده و اکسید آهن تشمیل نمی دهند. اما مس فلزی است که با قرار گرفتن در معرض هوا و اکسیژن، رنگ آبی و سبزی به صورت زنگار تشکیل می دهد.

نکته

با این که فلزات گفته شده، دچار زنگ زدگی نمی شوند، ولی شکل های مختلفی از خوردگی مانند ایجاد حفره در فولاد ضدزنگ و یا تشکیل لکه های سبز و آبی در اکسید مس، ایجاد می شود.

روش های پیشگیری از زنگ زدن آهن

در صنعت یکی از مهمترین فعالیت های اقتصادی، پیشگیری از زنگ زدن آهن است.

یکی از این روش ها، کاربرد پوشش گالوانیزه است. در این روش، فولاد را با روش های آبکاری با فلز مذاب و برق، گالوانیزه می کنند. یکی دیگر از راه های جلوگیری از زنگ زدن آهن، استفاده از پوشش قلع است که مقاومت بالایی در برابر اسیدها، نمک ها و همچنین خورنده ها دارد.

پوشش کروماتی و فسفاتی که فلز خودش، ایجاد می کند از روش های دیگر پیشگیری از زنگ زدگی است. رنگ روی فلزات با این پوشش شکل می گیرد زیرا پیوند محکمی بین رنگ و قطعه با این پوشش ایجاد می شود. پوشش هایی از اکسید فلزات که روی فلزات تشکیل می شود نیز از زنگ زدگی، آن ها را محافظت می کند. یکی از این فلزات آلومینیوم و پوشش تشکیل شده روی آن، اکسید آلومینیوم به عنوان لایه محافظ است.

در ادامه

با ابگیری روی فولاد، می توان پوششی از کادمیم روی آن ایجاد کرد. این نوع پوشش در بخش هایی از کشتی ها، هواپیماها و همچنین باتری سازی و لحیم کاری به کار برده می شود. مقاومت این نوع پوشش در بخش های روستایی نسبت به محیط های صنعتی، بالاتر است. کادمیوم فلزی مقاوم در برابر زنگ زدگی است و به رنگ سفید مایل به آبی است. این فلز چکش خوار و نرم بوده و قابلیت انعطاف پذیری دارد. اما کادمیوم آتش زا نبوده و توانایی حل شدن در آب را ندارد.

یکی از راه های معمولی که برای جلوگیری از زنگ زدگی فلزات به کار برده می شود، رنگ زدن استو ابتدا فلزات را با کمک سمباده نرم و زبر تمیز کرده و در دو مرحله رنگ آمیزی می کنند. در مرحله اول رنگ رقیق تر و در مرحله دوم، رنگ غلیظ تر به سطوح فلز می زنند.

به کار بردن روکش های پلاستیکی روش دیگر جلوگیری از زنگ زدگی است. در این روش، پوشش خمیری شکلی را روی فلزات با کمک چسب مخصوص قرار داده و حرارت می دهند تا مقاوم شود.