راه های جلوگیری از خوردگی(حفاظت کاتدی)

برای جلوگیری از تماس آهن با اکسیژن و رطوبت (عوامل خوردگی)، دو رویکرد کلی وجود دارد: رویکرد فیزیکی (ایجاد سد) و رویکرد شیمیایی (حفاظت الکتروشیمیایی).

۱. روش‌های فیزیکی (ایجاد سد محافظ)

ساده‌ترین راه، پوشاندن سطح آهن با موادی است که اجازه نفوذ آب و اکسیژن را نمی‌دهند.

• روش‌ها: رنگ کردن، قیراندود کردن، گریس‌کاری، روغن‌کاری و روکش‌های پلاستیکی.

• نقطه ضعف بزرگ: این روش‌ها تا زمانی کارآمد هستند که روکش کاملاً سالم باشد. اگر حتی یک خراش کوچک روی رنگ ایجاد شود، رطوبت به سطح آهن می‌رسد و          سلول گالوانی زنگ زدن تشکیل می‌شود. بدتر از آن، زنگ زدن در زیر لایه رنگ پیشروی کرده و باعث پوسته‌پوسته شدن رنگ می‌شود (خوردگی پنهان).

۲. روش شیمیایی: حفاظت کاتدی 

برای رفع مشکل روش‌های فیزیکی، شیمیدان‌ها از خودِ الکتروشیمی کمک گرفتند!

ایده این است: آهن را در تماس با فلزی قرار دهیم که فعال‌تر از آهن باشد (پتانسیل کاهشی کمتری داشته باشد یا در سری پایینتر باشد).

• در این حالت، با تشکیل سلول گالوانی، فلز فعال‌تر نقش آند را بازی کرده و اکسید می‌شود، و آهن به زور در نقش کاتد قرار می‌گیرد.

• چون در کاتد عمل کاهش انجام می‌شود و نه اکسایش، آهن هرگز زنگ نمی‌زند. به این روش، «حفاظت کاتدی» و به فلز فداکار، «آند فداشونده» می‌گویند (معمولاً از    منیزیم یا روی برای حفاظت لوله‌های نفتی و بدنه کشتی‌ها استفاده می‌شود).

۳.مثال: آهن گالوانیزه (آهن سفید): یک قهرمان واقعی

آهن گالوانیزه، ورقه ای از آهن است که با لایه ای از فلز روی (\(Zn\)) پوشانده شده است.
• داده ها: \( E^{\circ}(Fe) = -0.44 V \) و \( E^{\circ}(Zn) = -0.76 V \)
• تحلیل در صورت خراشیدگی: اگر سطح آهن گالوانیزه خراش بردارد و هر دو فلز در معرض رطوبت قرار گیرند، یک سلول گالوانی تشکیل می شود. چون \( E^{\circ} \) روی از آهن کمتر است:
• آند (اکسایش): فلز روی \( Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-} \)
• کاتد (کاهش): فلز آهن در برابر اکسایش محافظت شده و واکنش کاهش آب و اکسیژن روی سطح آن انجام می شود.

• • نتیجه: تا زمانی که حتی مقدار کمی از فلز روی در تماس با آهن باقی مانده باشد، آهن زنگ نمی‌زند. روی خود را فدا می‌کند تا آهن سالم بماند. از آهن گالوانیزه در              ساخت سقف‌های شیروانی، تانکر آب و لوله‌های انتقال آب استفاده می‌شود.

۴. حلبی (آهن قلع‌اندود): مثال نقض و خطرناک!

حلبی، ورقه‌ای از آهن است که با لایه‌ای از فلز قلع (Sn) پوشانده شده است.

• داده‌ها: \( E^\circ(Sn) = -0.14V \) و \( E^\circ(Fe) = -0.44V \)
• حالت بدون خراش: تا زمانی که لایه قلع سالم است، دقیقاً مثل یک روکش فیزیکی (رنگ) عمل کرده و آهن را حفظ می‌کند.
• تحلیل در صورت خراشیدگی: فاجعه اینجاست! اگر حلبی خراش بردارد، سلول گالوانی تشکیل می‌شود، اما این بار \( E^\circ \) آهن کمتر از قلع است.
• آند (اکسایش): فلز آهن \( Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^- \)
• کاتد (کاهش): فلز قلع (واکنش کاهش اکسیژن روی آن انجام می‌شود).
• نتیجه: در صورت خراش، نه تنها قلع از آهن محافظت نمی‌کند، بلکه آهن به عنوان آند سلول با سرعتی به مراتب بیشتر از حالت عادی اکسید شده و زنگ می‌زند!
• بسیار مهم: چرا از حلبی استفاده می‌کنیم؟ از حلبی برای ساخت قوطی‌های کنسرو مواد غذایی استفاده می‌شود؛ زیرا فلز قلع بر خلاف روی و آهن، واکنش‌پذیری بسیار کمی با اسیدهای ضعیف موجود در مواد غذایی (مثل گوجه‌فرنگی و کمپوت‌ها) دارد و از طرفی، یون‌های قلع سمی نیستند. (اما شرط آن است که قوطی قر نشود و داخل آن خراش برندارد.)