التآكل، هو عملية طبيعية تقوم بتحويل المعدن المصقول إلى أكسيد

قبل الخوض في التفاصيل، التآكل، هو عملية طبيعية تقوم بتحويل المعدن المصقول إلى أكسيد أكثر استقرارًا كيميائيًا. وهو التدهور التدريجي للمواد (عادة المعادن) نتيجة تفاعل كيميائي أو كيميائي كهربائي مع البيئة المحيطة بها. هندسة التآكل هي المجال المخصص للسيطرة على التآكل ومنعه. وفيما يلي تفاصيل أوسع عن ذلك.

من جهة ثانية، يشير التآكل في الاستخدام الأكثر شيوعًا للكلمة إلى الأكسدة الكهروكيميائية للمعدن عند تفاعله مع مؤكسد مثل الأكسجين (O2، سواء كان غازيًا أو مذابًا)، أو أيونات H3O+ (أي H+، البروتونات المائية) الموجودة في محلول مائي. الصدأ، وهو تكوين أكاسيد الحديد الحمراء-البرتقالية، هو المثال الأكثر شهرة للتآكل الكهروكيميائي. هذا النوع من التآكل عادةً ينتج أكاسيد أو أملاح من المعدن الأصلي ويؤدي إلى ظهور لون مميز. كما يمكن أن يحدث التآكل في مواد غير المعادن، مثل السيراميك أو البوليمرات، على الرغم من أن مصطلح "التحلل" يكون أكثر شيوعًا في هذا السياق. يؤدي التآكل إلى تدهور الخصائص المفيدة للمواد والهياكل، بما في ذلك القوة الميكانيكية، والمظهر، ونفاذية السوائل والغازات. ويُميز بين "التآكل" و"التحليل الكيميائي": الأول يشير إلى التدهور الميكانيكي، والثاني إلى التدهور الكيميائي.

كذلك، كيمياء التآكل معقدة؛ ويمكن اعتبارها ظاهرة كهروكيميائية. أثناء التآكل في نقطة معينة على سطح جسم من الحديد، يحدث الأكسدة وتتصرف تلك النقطة كأنود. تتحرك الإلكترونات المنبعثة من هذه النقطة الأنودية عبر المعدن إلى نقطة أخرى على الجسم وتقوم بتقليل الأكسجين في تلك النقطة بوجود أيونات الهيدروجين (H+، والتي يُعتقد أنها متوفرة من حمض الكربونيك (H2CO3) الناتج عن ذوبان ثاني أكسيد الكربون الجوي أو أكاسيد حمضية أخرى في وجود بخار الماء). تتصرف هذه النقطة فيما بعد ككاثود.

ومن جهة أخرى، تتآكل الكثير من السبائك الهيكلية بمجرد تعرضها للرطوبة في الهواء، لكن يمكن أن يتأثر التآكل إلى حدّ كبير عند التعرض لبعض المواد. يمكن أن يتركز التآكل محليًا لتشكيل حفرة أو شق، أو يمكن أن يمتد على مساحة واسعة، مؤديًا إلى تآكل السطح بشكل أكثر أو أقل انتظامًا. وبما أن التآكل عملية تتحكم فيها الانتشار، فإنه يحدث على الأسطح المكشوفة. وبناءً على ذلك، فإن طرق تقليل نشاط السطح المكشوف، مثل التمرّد (التخميل) والتحويل بالكرومات، يمكن أن تزيد من مقاومة المادة للتآكل. ومع ذلك، فإن بعض آليات التآكل تكون أقل وضوحًا وأقل قابلية للتنبؤ.

التمرد

انظر كذلك
صدأ
انحلال انتقائي
تنقر
تآكل عند درجات الحرارة المرتفعة
روابط خارجية

إضافةً إلى ذلك، يشير التمرد إلى تكوّن طبقة رقيقة جدًا من نواتج التآكل على سطح المعدن بشكل تلقائي، تُعرف بالطبقة السلبية، والتي تعمل كحاجز يمنع المزيد من الأكسدة. التركيب الكيميائي والبنية المجهرية للطبقة السلبية يختلفان عن المعدن الأساسي. يتراوح سمك الطبقة السلبية النموذجية على الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك ضمن 10 نانومتر. تختلف الطبقة السلبية عن طبقات الأكسيد الناتجة عن التسخين، والتي تكون عادة في نطاق الميكرومتر – فالطبقة السلبية تتجدد إذا أزيلت أو تضررت، بينما طبقة الأكسيد لا تتجدد. يظهر التمرد في بيئات طبيعية مثل الهواء والماء والتربة عند درجة حموضة معتدلة في مواد مثل الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم والسيليكون.

من جهة ثانية، أظهرت الدراسات باستخدام مجهرية النفق المسحية الكهروكيميائية أنه أثناء تمرد الحديد، ينمو أكسيد Fe(III) من النوع n عند واجهة المعدن، مما يؤدي إلى تكوّن حاجز إلكتروني يعارض تدفق الإلكترونات ومنطقة نقص إلكترونية تمنع حدوث المزيد من تفاعلات الأكسدة. تشير هذه النتائج إلى آلية تسمى "التمرد الإلكتروني". كما توفر الخصائص الإلكترونية لهذه الطبقة شبه الموصلة تفسيرًا ميكانيكيًا للتآكل الذي يسببه الكلوريد، حيث يخلق حالات سطحية عند سطح الأكسيد تؤدي إلى اختراق إلكتروني، واستعادة التيارات الأنودية، وتعطيل آلية التمرد الإلكتروني.

علاوةً على ذلك، يحدد التمرد بشكل أساسي العوامل المعدنية والبيئية. ويتم تلخيص تأثير درجة الحموضة باستخدام مخططات بوربايكس، لكن هناك عوامل أخرى مؤثرة. بعض الظروف التي تعيق التمرد تشمل ارتفاع درجة الحموضة للألومنيوم والزنك، وانخفاض درجة الحموضة أو وجود أيونات الكلوريد للفولاذ المقاوم للصدأ، وارتفاع الحرارة للتيتانيوم (حيث يذوب الأكسيد في المعدن بدلًا من المحلول الإلكتروليتي)، وأيونات الفلوريد للسيليكون. من ناحية أخرى، يمكن أن تؤدي الظروف غير العادية إلى تمرد مواد عادة غير محمية، كما يحدث للصلب في البيئة القلوية للخرسانة. التعرض لمعدن سائل مثل الزئبق أو اللحام الساخن يمكن أن يتجاوز غالبًا آليات التمرد.

مقاومة التآكل

وفي السياق ذاته، بعض المعادن أكثر مقاومة للتآكل بطبيعتها من غيرها (لأمثلة، انظر السلسلة الجلفانية). هناك طرق مختلفة لحماية المعادن من التآكل (الأكسدة) تشمل الطلاء، والطلاء بالغمس الساخن، والحماية الكاثودية، أو مزيج من هذه الطرق.

إزالة التآكل

من جانب آخر، غالبًا ما يكون من الممكن إزالة نواتج التآكل كيميائيًا. مثلًا، يُستعمل حمض الفوسفوريك على شكل هلام بحري غالبًا على الأدوات أو الأسطح الحديدية لإزالة الصدأ. لا ينبغي الخلط بين إزالة التآكل والتلميع الكهربائي، الذي يزيل بعض طبقات المعدن الأساسي للحصول على سطح أملس. مثلًا، يمكن كذلك استخدام حمض الفوسفوريك في التلميع الكهربائي للنحاس، ولكنه في هذه الحالة يزيل النحاس نفسه وليس نواتج تآكل النحاس.

السلسلة الجلفانية

ومن ناحية أخرى، في أي بيئة معينة (وأحد الأمثلة القياسية هو ماء البحر المعرض للهواء عند درجة حرارة الغرفة)، يكون أحد المعادن إما أكثر نبلاً أو أكثر نشاطًا من الآخرين، بناءً على قوة ارتباط أيوناته بالسطح. وعندما يكون هناك تماس كهربائي بين معدنين، فإنهما يشتركان في الإلكترونات نفسها، بحيث يكون "شد الحبل" على كل سطح مشابهًا للتنافس على الإلكترونات الحرة بين المادتين. باستخدام المحلول الإلكتروليتيك كوسط لتدفق الأيونات في نفس الاتجاه، يأخذ المعدن النبيل الإلكترونات من المعدن النشط. يمكن قياس تدفق الكتلة الناتج أو التيار الكهربائي لتحديد ترتيب المواد في الوسط المعني. يُطلق على هذا الترتيب اسم السلسلة الجلفانية، وهي مفيدة في التنبؤ بالتآكل وفهمه.

الكيمياء الجوهرية

من جانب آخر، بعض المعادن لديها بطء طبيعي في سرعة التفاعل، حتى لو كان تآكلها ممكنًا من الناحية الحرارية. وتشمل هذه المعادن الزنك والمغنيسيوم والكادميوم. بينما يكون تآكل هذه المعادن مستمرًا، فإنه يحدث بمعدل بطيء مقبول. مثال متطرف هو الجرافيت، الذي يطلق كميات كبيرة من الطاقة عند الأكسدة، لكنه يتمتع بسرعات تفاعل بطيئة جدًا، مما يجعله عمليًا مقاومًا للتآكل الكهروكيميائي تحت الظروف العادية.

وعلى صعيد آخر، المواد الأكثر مقاومة للتآكل هي تلك التي يكون التآكل فيها غير مفضل من الناحية الحرارية. أي نواتج تآكل الذهب أو البلاتين تميل إلى التحلل تلقائيًا إلى معدن نقي، ولهذا السبب يمكن العثور على هذه العناصر في شكل معدني على الأرض وقد حظيت بقيمة عالية منذ زمن طويل. المعادن "الأساسية" الأكثر شيوعًا يمكن حمايتها فقط بوسائل مؤقتة أكثر.

التآكل الجلفاني

ومن جهة أخرى، يحدث التآكل الجلفاني عندما يكون هناك تماس جسدي أو كهربائي بين معدنين مختلفين ويتم غمرهما في محلول إلكتروليتيك مشترك، أو عندما يتعرض نفس المعدن لمحلول إلكتروليتيك بتركيزات مختلفة. في الزوج الجلفاني، يتآكل المعدن الأكثر نشاطًا (الأنود) بمعدل أسرع، بينما يتآكل المعدن الأكثر نبلاً (الكاثود) بمعدل أبطأ. وعند غمر كل معدن على حدة، يتآكل كل منهما بمعدل مستقل خاص به. يمكن تحديد نوع المعدن أو المعادن التي يجب استخدامها بسهولة عن طريق اتباع السلسلة الجلفانية. مثلًا، غالبًا ما يُستعمل الزنك كأنود تضحي به لحماية هياكل الصلب. ويُعتبر التآكل الجلفاني ذا أهمية كبيرة في الصناعات البحرية، وكذلك في أي مكان تتلامس فيه المياه (التي تحتوي على أملاح) مع الأنابيب أو الهياكل المعدنية.

إضافةً إلى ذلك، تؤثر عوامل مثل حجم الأنود النسبي، وأنواع المعادن، وظروف التشغيل (درجة الحرارة، الرطوبة، الملوحة، إلخ) على التآكل الجلفاني. تؤثر نسبة مساحة سطح الأنود إلى الكاثود مباشرةً على معدلات تآكل المواد. وغالبًا ما يُمنع التآكل الجلفاني باستخدام أنودات تضحية.

تآكل