خوردگی فلزات(آهن)

فلزات نجیب
در جدول پتانسیل کاهشی استاندارد، فلزات به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند:
• فلزات فعال: پتانسیل کاهشی منفی دارند (\(0 > E^{\circ }\)). تمایل به اکسایش داشته و به راحتی با اکسیژن و رطوبت واکنش می‌دهند (مثل سدیم، منیزیم، روی و آهن).
• فلزات نجیب: پتانسیل کاهشی مثبت دارند\(0 < E^{\circ }\). این فلزات اکسایش‌ناپذیرند یا تمایل بسیار کمی به از دست دادن الکترون دارند. طلا (\(Au\))، پلاتین (\(Pt\))، نقره (\(Ag\)) و مس (\(Cu\)) در این دسته قرار می‌گیرند.
• نکته کنکوری: فلزات نجیب (به‌ویژه طلا و پلاتین) در طبیعت به شکل آزاد (عنصری) یافت می‌شوند، زیرا در برابر اکسایش توسط اکسیژن هوا مقاوم‌اند و دچار خوردگی نمی‌شوند.
• این فلزات با اسیدهای معمولی واکنش نمی‌دهند و گاز هیدروژن (\(H_{2}\)) تولید نمی‌کنند (چون \(E^{\circ }\) آن‌ها از هیدروژن که صفر است، بیشتر است).

۲. فرایند خوردگی 

خوردگی یک فرایند طبیعی و خودبه‌خودی است که طی آن، فلزات در اثر واکنش با محیط پیرامون خود (اکسیژن، رطوبت، مواد شیمیایی) اکسید شده و به ترکیبات پایدارتری (مثل اکسیدها، هیدروکسیدها یا سولفیدها) تبدیل می‌شوند.

• از دیدگاه ترمودینامیکی، خوردگی در واقع تشکیل یک سلول گالوانی مینیاتوری و ناخواسته روی سطح فلز است.

• خوردگی باعث افت کیفیت، کاهش استحکام و تغییر ظاهر فلز می‌شود (مانند زنگ زدن آهن، تیره شدن نقره و زنگار سبز روی مس).

۳. خوردگی آهن (زنگ زدن)

آهن پرکاربردترین فلز در صنعت است، اما نقطه ضعف بزرگ آن تمایل بالا به اکسایش در محیط مرطوب است. خوردگی آهن یک فرایند الکتروشیمیایی است که نیازمند سه عامل است: آهن، اکسیژن و آب.

وقتی یک قطره آب روی سطح آهن قرار می‌گیرد، یک سلول گالوانی کوچک تشکیل می‌شود:

الف) ناحیه آندی (مرکز قطره):

در نقطه‌ای از سطح فلز که دچار آسیب یا تنش شده، اتم‌های آهن الکترون از دست داده و به شکل یون وارد قطره آب می‌شوند: \[Fe(s) \rightarrow Fe^{2+}(aq) + 2e^{-}(E^{\circ} = -0.44 V)\]   • الکترون‌های تولید شده در این واکنش، از طریق خود فلز آهن (که رساناست) به سمت لبه‌های قطره آب حرکت می‌کنند.
ب) ناحیه کاتدی (لبه‌های قطره):
در لبه‌های قطره که غلظت اکسیژن هوا بیشتر است، مولکول‌های \(O_{2}\)، آب و الکترون‌هایی که از آند آمده‌اند، با هم واکنش می‌دهند:\[O_{2}(g) + 2H_{2}O(l) + 4e^{-} \rightarrow 4OH^{-}(aq)(E^{\circ} = +0.40 V)\]پ) تشکیل رسوب (مرحله میانی):
یون‌های \(Fe^{2+}\) و \(OH^{-}\) در درون قطره به هم می‌رسند و رسوب سبز رنگ آهن(II) هیدروکسید را می‌سازند:\[Fe^{2+}(aq) + 2OH^{-}(aq) \rightarrow Fe(OH)_{2}(s)\]ت) تشکیل زنگ آهن (مرحله نهایی):
ترکیب \(Fe(OH)_{2}\) ناپایدار است و توسط اکسیژن هوای محلول در آب، بیشتر اکسایش می‌یابد تا به آهن(III) هیدروکسید یا همان زنگ آهن (قهوه‌ای متمایل به قرمز) تبدیل شود:\[4Fe(OH)_{2}(s) + O_{2}(g) + 2H_{2}O(l) \rightarrow 4Fe(OH)_{3}(s)\](نکته: \(Fe(OH)_{3}\) در واقع ساختار ساده شده‌ای از زنگ آهن با فرمول \(Fe_{2}O_{3} \cdot nH_{2}O\) است).

 تذکر مهم : در فرایند زنگ زدن، خودِ فلز آهن نقش آند و همچنین نقش سیم رابط (مدار بیرونی) برای انتقال الکترون را بازی می‌کند. قطره آب نیز نقش الکترولیت را بر عهده دارد.

۴. عوامل تشدیدکننده خوردگی آهن

چرا ماشین‌ها در شهرهای ساحلی یا مناطقی که در زمستان نمک‌پاشی می‌شوند، سریع‌تر زنگ می‌زنند؟ عوامل زیر سرعت واکنش الکتروشیمیایی خوردگی را به‌شدت افزایش می‌دهند:

1. حضور نمک‌ها (یون‌ها): آب خالص رسانای ضعیفی است. وجود نمک‌های محلول (مثل \(NaCl\)) تعداد یون‌های متحرک در قطره آب را افزایش می‌دهد. این یعنی مقاومت الکتریکی الکترولیت کاهش می‌یابد و یون‌ها سریع‌تر بین آند و کاتد جابه‌جا می‌شوند (دقیقاً مثل نقش پل نمکی).

2. محیط اسیدی (کاهش pH): در محیط اسیدی، غلظت یون‌های  \(H^{+}\) زیاد است. یون هیدروژن خودش می‌تواند به عنوان یک اکسنده عمل کند یا واکنش کاتدی را تسریع بخشد. (اسیدها لایه محافظ نازک روی فلزات را نیز در خود حل می‌کنند).

3. افزایش دما: مانند اکثر واکنش‌های شیمیایی، با افزایش دما سرعت واکنش خوردگی و نفوذ اکسیژن افزایش می‌یابد.

4. ناخالصی‌ها و تماس با فلزات ضعیف‌تر: اگر آهن در تماس با فلزی باشد که پتانسیل کاهشی بالاتری دارد (مثل مس)، آهن به عنوان آندِ فداشونده عمل کرده و با سرعت بیشتری خورده می‌شود.