زنگ آهن چیست و چگونه می توان از آن جلوگیری کرد؟

زنگ آهن در واقع اکسید آهن است که به رنگ قهوه ای مایل به قرمز دیده می شود و در اثر واکنش آهن و اکسیژن در حضور آب یا هوای رطوبت ایجاد می شود. زنگ زدگی یک اصطلاح رایج برای توصیف خوردگی آهن و آلیاژهای آن مانند فولاد است. هرچند بسیاری از فلزات دیگر نیز دچار خوردگی مشابه می شوند اما به اکسیدهای حاصل معمولاً زنگ زدگی گفته نمی شود.

متداول ترین نوع خوردگی آهن زمانی اتفاق می افتد که آهن در معرض اکسیژن و آب قرار بگیرد. در این شرایط زنگ زدن آهن باعث تولید اکسید آهن قرمز می شود. زنگ زدن آهن کلاس پنجم و ششم دبستان و درس شیمی پایه دوازدهم به این مسئله پرداخته است. زنگ زدگی آهن همچنین می تواند از واکنش آهن با کلرید در محیط فاقد اکسیژن رخ دهد که به دلیل تولید هیدروکسید آهن به رنگ سبز خواهد بود.

برای رسیدن یه سوالات ذر دهن خود همچون :

اکسید آهن چیست ؟

زنگ زدن آهن یک تغییر شیمیایی یا فیزیکی است ؟

عوامل موثر در زنگ زدن آهن کدامند ؟

دلایل رنگ زدن آهن چیست ؟

و دیگر سوالات و برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک مرجع مواد شیمیایی و شیمی ایران همراه ما باشید.

زنگ آهن چیست

در رابطه با زنگ زدن آهن چگونه تولید میشود به زبان ساده می توان گفت هنگامی که آهن در تماس با آب و اکسیژن  قرار می گیرد، زنگ می زند. اگر در این محیط نمک وجود داشته باشد ، به عنوان مثال آب دریا در نتیجه واکنش های الکتروشیمیایی ، آهن تمایل بیشتری به خوردگی دارد.

سایر محلول های تخریب کننده شامل دی اکسید گوگرد  و دی اکسید کربن موجود در آب هستند. در این شرایط خورنده ، گونه های هیدروکسید آهن تشکیل می شود. برخلاف اکسیدهای آهن ، هیدروکسیدها به فلز نمی چسبند و با پوسته شدن  سطح ، آهن تازه را در معرض خوردگی قرار می دهند. روند خوردگی در این وضعیت تا زمانی ادامه می یابد که کل آهن یا اکسیژن ، آب ، دی اکسید کربن یا دی اکسید گوگرد موجود در سیستم حذف یا مصرف شود.

وقتی آهن زنگ می زند ، اکسیدها حجم بیشتری از فلز اصلی می گیرند. این انبساط می تواند نیروهایی عظیم ایجاد کند و به سازه های ساخته شده از آهن آسیب برساند. زنگ زدن آهن در هوای مرطوب یک پدیده بسیار شایع است و نیاز به روش های محافظتی بیشتری دارد. روش های جلوگیری از زنگ زدن آهن کلاس پنجم به این موضع پرداخته است و همه افراد تا حدودی با این روند آشنا هستند.

واکنش های شیمیایی دخیل در زنگ آهن

با اینکه زنگ آهن ناشی از یک واکنش اکسایش در نظر گرفته می شود اما تمامی اکسیدهای آهن را نمی‌ توان زنگ آهن به شمار آورد زیرا برای خوردگی آهن علاوه بر اکسیژن به آب هم نیاز است که معمولا به شکل رطوبت در محیط وجود دارد.

در واقع واکنش آهن، اکسیژن و آب نمونه ‌ای از یک واکنش الکتروشیمیایی است که به صورت زیر رخ می دهد:

-۲Fe →۲Fe^۲++۴e

سپس کاهش کاتدی اکسیژن را رخ می دهد:

-O2+2H2O+4e⁻→۴OH

یون آهن و هیدروکسید تولید شده سپس در اثر واکنش با یکدیگر، هیدروکسید آهن را تشکیل می‌ دهند.

۲Fe^۲++۴OH−→۲Fe(OH)2

علاوه بر این در اثر واکنش اکسید آهن با آب نیز زنگ آهن تولید می شود که با توجه به ماهیت الکتروشیمیایی واکنش در صورت وجود الکترولیت در آب واکنش تسریع می شود، به همین دلیل آهن در آب شور نسبت به آب خالص سریع تر زنگ می زند.

در روند تشکیل اگر مقدار اکسیژن محدود باشد ترکیباتی از آهن (II) همچون مگنتیت با فرمول Fe_۳O4 و FeO تولید می شود. در صورت وجود مقدار زیاد اکسیژن ترکیباتی از آهن (III) تولید خواهد شد.

انواع زنگ آهن

زنگ آهن قرمز: اکسید آهن (III) و به رنگ قرمز است که به دلیل قرار گرفتن در معرض اکسیژن و آب فراوان رخ می دهد.

زنگ آهن زرد: اگر  این فلز در  معرض رطوبت بسیار بالا  قرار بگیرد زنگ زدگی زرد رنگ خواهد بود که اغلب در قسمت‌های محصور قطعات و تجهیزات فلزی رخ می دهد.

زنگ آهن قهوه‌ای:  زنگ زدگی قهوه ای ناشی از ترکیب اکسید آهن III با اکسیژن فراوان و رطوبت کم است.

زنگ آهن سیاه: این نوع زنگ زدگی به علت واکنش اکسید آهن III با اکسیژن محدود و رطوبت پایین محیط ایجاد می شود.

روشهای پاک کردن و زدودن زنگ آهن

حذف زنگ زدگی آهن از اجسام کوچک آهنی یا فولادی توسط الکترولیز می تواند در یک کارگاه خانگی با استفاده از مواد ساده مانند یک سطل پلاستیکی پر از الکترولیت متشکل از جوش شیرین محلول در آب و میلگردی که به عنوان آند در این  محلول قرار می گیرد انجام شود .

علاوه بر این زنگ زدگی را می توان با محصولات تجاری معروف به مبدل زنگ که حاوی اسید تاننیک یا اسید فسفریک است که با زنگ ترکیب می شوند ، پاک کرد. با اسیدهای آلی مانند اسید سیتریک و سرکه یا اسید کلریدریک قوی نیز می توان زنگ زدگی آهن را حذف کرد.

زنگ زدن آهن گرماگیر است یا گرمازا؟

زنگزدگی آهن در برابر هوا به آهستگی صورت گرفته و زنگ آهن تولید می شود . به طور کلی به واکنش یک ماده با اکسیژن را اکسایش می نامند و واکنش های اکسایش جزء واکنش های گرماده یا گرمازا دسته بندی می شوند.

علت زنگ زدن آهن در هوای مرطوب چیست؟

برای این که آهن دچار زنگ زدگی شود باید آب و اکسیژن در محیط وجود داشته باشد. در این محیط آب به عنوان یک الکترولیت خوب در واکنش  با Co2 موجود در هوا اسید کربنیک تشکیل می دهد که یک اسید ضعیف است و نسبت به آب  الکترولیت بهتری است.

با حل شدن این اسید در آب، ملکول های آب به اجزای سازنده خود یعنی اکسیژن و هیدروژن تبدیل می شوند. در ادامه واکنش ها اکسیژن آزاد و آهن حل شده با هم واکنش داده و اکسید آهن را تشکیل می دهند. این واکنش ها در هوای خشک انجام نمی شوند بنابراین آهن در این محیط ها دچار خوردگی نخواهد شد. تحقیق در مورد زنگ زدن آهن کلاس ششم به این مسئله پرداخته است و علت زنگ زدگی آهن در شرایط آب و هوایی مرطوب را شرح می دهد.

آهن در کدام محیط کمتر زنگ میزند؟

برخلاف مناطق مرطوب زنگ زدگی در آب و هوای گرم و خشک بسیار کمتر رخ می دهد. در آب و هوای خشک در طول سال باران کمی می ‌بارد و رطوبت کمی در محیط موجود است بنابراین زنگ زدگی آهن نیز به تعویق افتاده و سازه ها و وسایل آهنی دوام بیشتری خواهند داشت.

راههای جلوگیری از زنگ زدن آهن

زنگ زدگی یا خوردگی تخریب فلز در اثر فرایند الکتروشیمیایی است و هر ساله مبالغ هنگفتی برای ترمیم اثرات یا جلوگیری از خوردگی صرف می شود. بعضی از فلزات مانند آلومینیوم و مس هنگام خوردگی در هوا ، یک لایه محافظ ایجاد می کنند. لایه نازکی که روی سطح فلز تشکیل می شود از تماس اکسیژن با تعداد بیشتری از اتمهای فلز جلوگیری می کند بنابراین فلز باقیمانده را از خوردگی بیشتر محافظت می کند. ولی زنگ زدگی که روی فلز آهن ایجاد می شود  باعث از بین رفتن فلز تازه سطح زیرین می شود که منجر به تخریب کامل فلز خواهد شد.

به دلیل کاربرد گسترده و اهمیت محصولات آهن و فولاد ، جلوگیری یا کاهش سرعت زنگ زدگی اساس فعالیت های عمده اقتصادی در بسیاری از فناوری های تخصصی است.  زنگ نسبت به هوا و آب نفوذپذیر است بنابراین آهنی که در زیر لایه زنگ زده قرار دارد به خوردگی خود ادامه می دهد. بنابراین برای پیشگیری از زنگ زدگی به پوشش هایی نیاز است که مانع تشکیل زنگ می شوند. راهکارهای زیر به پیشگیری از این مسئله کمک می کند.

استفاده از آلیاژهای مقاوم

فولاد ضد زنگ یک لایه فعال از اکسید کروم (III) تشکیل می دهد که مانع زنگ زدگی می شود. چنین رفتار انفعالی مشابهی در مورد منیزیم ، تیتانیوم ، روی ، اکسیدهای روی ، آلومینیوم ، پلی آنیلین و سایر پلیمرهای رسانای الکتریکی برای پیشگیری از زنگ زدگی رخ می دهد.

آلیاژهای فولادی خاص با سرعت بسیار کمتری نسبت به حالت طبیعی زنگ می زنند ، زیرا این زنگ زدگی مانند یک لایه محافظ به سطح فلز می چسبد.

گالوانیزه کردن

گالوانیزه شامل استفاده از یک روکش محافظ است که می تواند توسط گالوانیزه گرم یا آبکاری بر روی آهن یا فولاد قرار بگیرد. در گالوانیزه فلز روی به طور سنتی مورد استفاده قرار می گیرد زیرا ارزان است ، به خوبی به فولاد می چسبد و در صورت آسیب دیدن لایه روی ، محافظت کاتدی در سطح فولاد اعمال می کند. در محیط های خورنده تر (مانند آب نمک) ، آبکاری کادمیوم ترجیح داده می شود. گالوانیزه اغلب در درزها ، سوراخ ها و اتصالات در جایی که در پوشش شکاف وجود دارد ، خراب می شود و نیاز است محافظت کاتدی نیز صورت بگیرد.

گالوانیزه کردن معمولی محصولات فولادی که قرار است تحت آب و هوای طبیعی در محیط خارجی قرار بگیرند ، شامل یک پوشش روی ۸۵ میکرومتری است. در شرایط آب و هوایی عادی ، این پوشش با سرعت ۱ میکرومتر در سال از بین می رود و تقریباً ۸۵ سال از آن محافظت می کند.

پوشش های مدرن تر ، آلومینیوم را به عنوان روی – آلوم به پوشش اضافه می کنند. آلومینیوم برای پوشاندن خراش ها عالی عمل کرده و بنابراین برای مدت طولانی از آهن محافظت می کند.

رنگ کاری و پوشش

با استفاده از رنگ یک پوشش روی آهن قرار می گیرد و فلز را از قرار گرفتن در معرض آب و هوا محافظت می کند. پوشش رنگ یک روش معمول برای جلوگیری از خوردگی  آهن در خودروها و کشتی هاست و ماندگاری این محصولات را افزایش می دهد. به عنوان پوشش ضد زنگ می توان از روغن و گریس نیز استفاده کرد.

محافظت کاتدی

محفاظت کاتدی تکنیکی است که با تأمین بار الکتریکی که واکنش الکتروشیمیایی را سرکوب می کند ، مانع از خوردگی سازه های مدفون یا غوطه ور در آب می شود. در صورت اعمال صحیح این روش خوردگی می تواند به طور کامل متوقف شود.

در ساده ترین شکل با اتصال آند قربانی به آهن یا فولاد که کاتد سلول را تشکیل می دهند این حفاظت حاصل می شود. آند قربانی معمولاً از روی ، آلومینیوم یا منیزیم تشکیل شده و در نهایت از بین می رود و عمل محافظتی آن  متوقف می شود مگر اینکه به موقع تعویض شود. حفاظت کاتدی همچنین می تواند با استفاده از یک دستگاه الکتریکی مخصوص برای القای مناسب بار الکتریکی فراهم شود.

بلوینگ

بلوینگ تکنیکی است که می تواند مقاومت محدودی در برابر خوردگی برای اجسام کوچک فولادی مانند سلاح گرم داشته باشد. برای موفقیت این روش روغن ضد آب بر روی فولاد و آهن مورد استفاده قرار می گیرد.

بازدارنده ها

می توان از بازدارنده های خوردگی مانند مهار کننده های فاز گاز یا فرار ، برای جلوگیری از خوردگی در داخل سیستم های مهر و موم شده و عایق استفاده کرد. این روش وقتی گردش هوا در داخل محفظه وجود داشته باشد موثر نیست.

کنترل رطوبت

با کنترل رطوبت موجود در جو می توان از خوردگی آهن و فولاد جلوگیری کرد. به عنوان مثال می توان از بسته های ژل سیلیکا برای کنترل رطوبت در تجهیزات و کالاهایی که با کشتی حمل و نقل می شوند استفاده کرد.

فرمول زنگ آهن

اکسید آهن که اغلب به عنوان زنگ آهم شناخته می شود، یک ماده معدنی است. فرمول اکسید آهن به صورت Fe2O3 نوشته می شود. این یکی از سه اکسید آهن اصلی است که دو اکسید دیگر آهن غیر معمول (II و III) اکسید (Fe3O4) و اکسید آهن (II) (FeO) است که به طور طبیعی به عنوان مگنتیت معدنی وجود دارد. هماتیت که اغلب به عنوان ماده معدنی Fe2O3 شناخته می شود، منبع اصلی آهن برای صنعت فولاد است و به راحتی تحت تأثیر اسیدها قرار می گیرد.

اکسید آهن اغلب به عنوان زنگ شناخته می شود. به دلیل ترکیب مشابه و ویژگی های مشترک زنگ، این اصطلاح کاربرد محدودی دارد. زنگ، که در واقع اکسید آهن آبدار است، به عنوان یک ماده نامشخص در شیمی طبقه بندی می شود. اکسید آهن (III) که شامل دو اتم آهن و سه اتم اکسیژن است، از نظر شیمیایی با ترکیب Fe2O3 نشان داده می شود. Fe2O3 حالت اکسیداسیون ۳ دارد. تفاوت الکترونگاتیوی بین اکسیژن و آهن بر نحوه تشکیل پیوند بین این دو اتم تأثیر می گذارد.

اکسیدهای آهن پرکاربردترین اکسیدهای فلزی مغناطیسی هستند. استفاده گسترده آنها به عنوان نانوجاذب با پتانسیل جداسازی سریع از محلول با استفاده از آهنربای خارجی تسهیل می شود. اکسیدهای آهن شامل هماتیت (Fe2O3)، ماگائمیت (ɣ-Fe2O3)، مگنتیت (Fe3O4)، لپیدوکروسیت (ɣ-FeO(O) ، گوتیت (α-FeO(OH) ، اکسید آهن دوپ شده با منگنز (MnFe2O4) و اکسیدهای آهن مخلوط برای جذب یون‌ های Pb2+، Cd2+ و Hg2+ از محلول ‌های آبی است.

نانوذرات اکسید آهن (IONPs) نیز برای تنظیم خواص هیدروژل های پلیمری استفاده می شود. غلظت بالاتر IONPs، پیوندهای عرضی بیشتری بین نانوذرات و پلیمر ایجاد کرد که منجر به هیدروژل‌ های نانوکامپوزیتی سفت ‌تر و سخت ‌تر می شود. اینها همچنین می ‌توانند رسانایی الکتریکی بهتری نسبت به IONP‌های کوچک تر که چگالی اتصال عرضی کمتری را نشان می‌ دهند، ارائه دهند.