التآكل والأكسدة والصدأ عمليات مترابطة ولكنها متمايزة. التآكل هو التآكل التدريجي للمواد، وخاصة المعادن، الناجم عن التفاعلات الكيميائية مع البيئة المحيطة بها. وتؤدي الأكسدة والتآكل والتفاعلات الكيميائية الأخرى إلى تغير لون المادة المكونة أو تشوهها أو تحولها. ومن ثم، فإن الاختلافات والعلاقات بين التآكل والأكسدة والصدأ ضرورية.

It aids in determining the preservation of the lifespan of materials, minimizing adverse economic effects, and increasing safety in various fields. Such an understanding provides industries with measures and strategies to reduce the degradation rate of the materials, thus enhancing the durability of critical components. This, in turn, decreases the costs of repair and replacement. Implementing corrosion prevention best practices globally could yield significant savings, estimated between 15-35% of the cost of damage, translating to US$375 billion to US$875 billion annually^[1]. It is essential to regulate these phenomena to prevent catastrophic failures that can endanger lives in necessary fields such as construction and transport. Additionally, this knowledge creates innovations, such as developing new materials that do not corrode easily. It assists in making better and more sustainable product formations, as it is an enabler of change.

تعريف التآكل

التآكل هو نوع من التدهور الذي يؤثر على مواد مثل المعادن بسبب التفاعل الكيميائي بين المادة وبيئتها، مما يؤدي إلى منتجات غير اقتصادية وغير آمنة وغير صحية. يمكن أن يحدث هذا التدهور من خلال عدة خطوات. وعادةً ما يؤدي إلى تكوين أكسيد أو هيدروكسيد أو مركبات مماثلة داخل المادة والتي تؤدي إلى انبعاج/دمر البناء الأصلي لتلك المادة.

أنواع التآكل

يمكن أن يحدث التآكل بأشكال مختلفة بناءً على البيئات والمواد الملامسة لعوامل التآكل. وتشمل الأنواع الأكثر شيوعاً ما يلي:

1. التآكل الجلفاني

يحدث عندما يتصل معدنان مختلفان كهربائياً في بيئة رطبة. يتدهور المعدن الأنودي بمعدل أسرع من المعدن الموجود بشكل مستقل، بينما يتدهور المعدن الكاثودي بمعدل أبطأ. ويُعد فرق الجهد بين الفلزين أمراً بالغ الأهمية في التآكل الجلفاني ويتضمن معادلة نيرنست:

E_الخلية=E⁰_{القطب السالب}-E⁰_أنود-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_الخلية=جهد الخلية، E⁰=إمكانات القطب القياسية, R=ثابت الغاز =ثابت الغاز, T= درجة الحرارة، ن=عدد الإلكترونات المنقولة، و F هو ثابت فاراداي.

2. التآكل الناجم عن التنقر

التآكل الحفري هو نوع من التآكل الموضعي الذي يُحدث ثقوبًا صغيرة وعميقة في المادة. وهو خطير بشكل خاص لأنه يمكن أن يؤدي إلى فشل سريع للمادة، حتى مع الحد الأدنى من فقدان المواد بشكل عام. يُستخدم عامل التنقر في تقييم تأثير التآكل النقر. عندما يكون عامل التنقر أعلى، فهذا يشير إلى أن التآكل الناقر شديد.

عامل التنقر=(عمق الحفرة الأكثر عمقًا)/متوسط فقدان السماكة بسبب التآكل

3. تآكل الشقوق

يتضمن هذا النوع من التآكل خلايا تركيز الأكسجين التي تتطور في الحفر أو الشقوق أو الترسبات السفلية. وبالتالي، يمكن أن يركد المحلول الموضعي مسبباً تآكل موضعي. ويحدث التآكل الشقوق، على سبيل المثال، حول درز صفيحة معدنية حيث يتصل المعدن بحشية أو عند استخدام البراغي والصواميل. يعتمد معدل التآكل الشقوق على عوامل مثل تركيز أيونات الكلوريد ([Cl^-] ودرجة حموضة المحلول داخل الشق:

معدل التآكل ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

في هذه المعادلة Δج هو التغيُّر في طاقة جيبس الحرة, R ثابت الغاز، و T هي درجة الحرارة.

المواد المعرضة للتآكل

تعتمد مقاومة التآكل على تركيب المادة وبنيتها والبيئة التي تكون فيها المادة المعدنية أو غير المعدنية. الحديد والصلب معرضان بشكل خاص للصدأ لأنهما يتأكسدان بسرعة، خاصةً عندما يتلامسان مع الرطوبة والأكسجين. على الرغم من أن الألومنيوم يطور طبقة أكسيد سلبية، إلا أنه يتعرض أيضًا للتآكل الناتج عن التنقر والتآكل الشقوق في الظروف التي تحتوي على الكلوريد. النحاس وسبائكه عرضة للتآكل الجلفاني. وينطبق ذلك بشكل خاص عندما تكون على تماس مع معادن مثل الألومنيوم أو الفولاذ ومفتوحة على بيئة مائية. وباعتباره عضوًا في مجموعة الأنودات المفيدة في الحماية الكاثودية، يعمل الزنك كأنود في نماذج الحماية الجلفانية للتآكل مع الحفاظ على المعدن الفعلي.

التأثير الصناعي للتآكل

The effects of corrosion are shared across the industrial value chain, across most, if not all, industries that use metals. The impact of this menace on economies is that industries lose several billion dollars every year due to corrosion. The global cost of corrosion is estimated at US$2.5 trillion, equivalent to 3.4% of the global Gross Domestic Product (GDP) in 2013, with some estimates suggesting it now exceeds US$3 trillion annually^[1]. The loss includes the cost of maintenance and replacement of structures experiencing corrosion, production loss due to corrosion, and other related effects. Deteriorated safety, reliability, and durability are some of the impacts of corrosion. Corrosion can cause sudden failure of structures, transport, and utilities like bridges, pipelines, and aircraft. Structural integrity diminishes under corrosion owing to the high risk of sudden failure.

Regarding the physical environment, corrosion leads to hazards such as releasing hazardous material from corroded pipelines and storage tanks and reinforcement concrete structures in civil engineering structures. This effect has subsequent dangers to the physical and human environment. To address these challenges, engineers use various methods of corrosion control. Such methods include a selection of anti-corrosive materials and coatings, cathodic protection applications, and corrosion inhibitors, all requiring corrosion knowledge. The market for corrosion protective coatings, a key mitigation strategy, was valued at USD 20.59 billion in 2023 and is projected to grow to USD 33.28 billion by 2030 at a CAGR of 7.4% ^[2].

فهم الأكسدة

الأكسدة هي تفاعل كيميائي أساسي حاسم في العديد من العمليات في الطبيعة والصناعة. تستلزم الأكسدة في الأساس منح أو مشاركة الإلكترونات مع الأنواع الأخرى حيث يوجد ميل عام لفقد الإلكترونات من مادة ما، غالباً ما تكون فلزاً، واكتساب إلكترونات من مواد أخرى، عادةً ما تكون الأكسجين.

الأكسدة هي عملية كيميائية عامة يمكن أن تحدث بشكل مستقل عن التآكل. وفي حين أنها يمكن أن تؤدي إلى تآكل المعادن، فإن الأكسدة ليست ضارة دائمًا ويمكن أن تكون مفيدة، كما هو الحال في تكوين طبقات أكسيد واقية على معادن مثل الألومنيوم.

عملية التفاعل الكيميائي للأكسدة

الأكسدة هي عملية كيميائية تفقد فيها الذرة أو الجزيء إلكترونًا واحدًا أو عدة إلكترونات. وتتضمن هذه العملية عادةً الاختزال حيث تأخذ مادة أخرى الإلكترونات التي تطلقها أو تفقدها المادة المؤكسدة. كلتا هاتين العمليتين هما تفاعلات الأكسدة والاختزال (الأكسدة والاختزال). يمكن أن تمثل المعادلة التالية الشكل العام لتفاعل الأكسدة:

م → مⁿ⁺+ن^–

المكان M هو المعدن أو المادة التي تخضع للأكسدة. Mⁿ⁺ هو الصورة المؤكسدة للمادة (كاتيون في حالة الفلزات).n يمثل عدد الإلكترونات المفقودة. على سبيل المثال، في أكسدة الحديد، يكون التفاعل هو:

في →في²⁺+2e^–

عادة ما يكون الأكسجين هو العامل المؤكسد في معظم عمليات الأكسدة. وهذا يعني أنه هو الذي يكتسب الإلكترونات التي يفقدها المعدن أو أي مادة أخرى. وهذا يمكن أن يؤدي إلى تكوين أكاسيد، مثل

4Fe+3O₂→2فول الصوديوم₂O₃

في هذه المعادلة، يتفاعل الحديد (Fe) مع الأكسجين (O₂) لتكوين أكسيد الحديد (Fe₂O₃)، وهو الصدأ.

أمثلة شائعة للأكسدة في الحياة اليومية

الأكسدة هي عملية منتشرة في كل مكان تحدث في العديد من المواقف اليومية، وغالبًا ما يكون لها تأثيرات ملحوظة:

صدأ الحديد والصلب:

عندما يتعرض الحديد أو الفولاذ للأكسجين والرطوبة، فإنه يتفاعل ليشكل مادة بنية مائلة إلى الحمرة تسمى الصدأ، والتي تتكون في المقام الأول من أكسيد الحديد. هذه هي الحالة النموذجية للأكسدة التي تؤدي إلى تدمير العناصر المعدنية مثل الأدوات والمركبات والهياكل.

تلطيخ الفضة:

تُعد أدوات المائدة والحلي الفضية من المنتجات الأخرى التي يمكن أن تصدأ بسبب الأكسدة. ويرجع ذلك إلى أنه عند التعرض للهواء، تتفاعل الفضة مع مركبات الكبريت، مما يؤدي إلى تكوين كبريتيد الفضة الذي يكون أسود اللون ويلتصق بسطح المعدن.

2أغ+هـ₂ق → زئبق₂س + هـ₂

الفرق بين الأكسدة والتآكل

من الضروري التفريق بين الأكسدة والتآكل، على الرغم من أنهما مترادفان عادةً. الأكسدة هي نوع من التفاعلات الكيميائية التي يفقد فيها المركب الإلكترونات، وغالبًا ما يكون ذلك في وجود الأكسجين. ويمكن أن يحدث في كل من المركبات العضوية وغير العضوية. إنها عملية أوسع نطاقًا يمكن أن تكون مفيدة، على سبيل المثال، في عملية الاحتراق التي تؤدي إلى الطاقة أو في تكوين طبقات الأكسيد على بعض المعادن مثل الألومنيوم.

من ناحية أخرى، التآكل هو تدهور المادة، خاصةً المعادن، من خلال العمل الكيميائي مع البيئة المحيطة. من المهم ملاحظة أنه في حين أن الأكسدة هي أحد أنواع التآكل، على سبيل المثال، صدأ الحديد، هناك أنواع أخرى من التآكل، بما في ذلك تأثيرات الأحماض والقواعد والرطوبة والأملاح. وبالإضافة إلى ذلك، يرتبط التآكل بآثار غير مرغوب فيها مثل فشل المواد والخسائر والمخاطر المحتملة. تُعد معرفة الأكسدة والتآكل أمرًا بالغ الأهمية في مجالات التطبيق المختلفة لأنها تساعد في التوصل إلى طرق للتخفيف من تدهور المواد.

الاختلافات الرئيسية وتأثيرات الأكسدة والتآكل

على الرغم من ارتباط الأكسدة والتآكل، إلا أنهما عمليتان مختلفتان لهما تأثيرات مختلفة على المواد. الأكسدة هي عملية كيميائية تفقد فيها المادة الإلكترونات، وعادةً ما تتضمن الأكسجين، ويمكن أن تحدث في كل من المواد العضوية وغير العضوية. إنها عملية أكثر شمولاً يمكن أن تكون بناءة، كما هو الحال في عمليات الاشتعال أثناء الاحتراق أو تشكيل طبقة من الأكسيد على المعادن مثل الألومنيوم.

غير أنه يختلف عن التآكل. التآكل هو تآكل المواد، وخاصة المعادن، من خلال التفاعل الكيميائي مع البيئة المحيطة بها. نظرًا لأن الأكسدة هي أحد أشكال التآكل، مثل صدأ الحديد، فإن التآكل يشمل أنواعًا أخرى من التفاعلات، بما في ذلك تلك التي تحدث بسبب الأحماض والقواعد والرطوبة والأملاح. للتآكل عمومًا آثار ضارة تؤدي إلى تدهور المواد والخسائر المالية والمخاطر على السلامة والصحة. من الضروري فهم الفرق بين الأكسدة والتآكل في العديد من مجالات الدراسة، حيث يساهم ذلك في صياغة طرق فعالة للتغلب على تدهور المواد.

ما هو الصدأ؟

الصدأ هو نوع من التآكل يؤثر على الحديد والسبائك ذات الصلة مثل الفولاذ. وهو مادة متقشرة بنية مائلة إلى الحمرة تترسب على سطح الحديد بسبب تفاعل كيميائي بين الحديد والأكسجين والرطوبة. والصدأ شائع في العديد من الاستخدامات الصناعية واليومية لأنه يضر بقوة وجمالية المنتجات القائمة على الحديد.

عملية تكوين الصدأ

تكوين الصدأ عبارة عن مادة كيميائية تستغرق خطوات مختلفة حتى تكتمل. تتضمن الخطوة الأولى تكوين أكاسيد الحديد بمساعدة الماء والأكسجين وأكسدة الحديد. وتتم العملية العامة على النحو التالي:

تفاعل الأكسدة

يفقد الحديد (Fe) الإلكترونات ويتفاعل مع الأكسجين (O₂) في وجود الماء (H₂O) لتكوين أيونات الحديد (2) (Fe²⁺O).

في →في²⁺+2e^–

تكوين هيدروكسيد الحديد: تتفاعل أيونات Fe²⁺ مع الماء والأكسجين لتكوين هيدروكسيد الحديد الثنائي (Fe(OH)₂).

في²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

أكسدة هيدروكسيد الحديد: ويتأكسد هيدروكسيد الحديد (II) كذلك لتكوين هيدروكسيد الحديد (III) (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O →4Fe(OH)₃

تشكيل الصدأ: يجف هيدروكسيد الحديد (III) لتكوين هيدروكسيد أكسيد الحديد (III) (FeO(OH))، والمعروف باسم الصدأ. الصدأ هو خليط معقد من أكاسيد الحديد والهيدروكسيدات.

4Fe(OH)₂→فول الصوديوم₂O₃ .3H₂O

الظروف التي تؤدي إلى الصدأ

يعتمد تكوين الصدأ وعوامل أخرى على بعض العوامل الأساسية. وتشمل هذه العوامل توافر الرطوبة، والتعرض للأكسجين والشوارد، والظروف البيئية، ودرجة الحرارة، والملوثات الموجودة على السطح.

الماء ضروري لتكوين الصدأ لأنه إلكتروليت. ويوفر الماء بيئة لتفاعلات الأكسدة والاختزال اللازمة للصدأ، حيث تكون الرطوبة العالية أو الأمطار المباشرة أكثر خطورة.

يعد الأكسجين أيضًا شرطًا أساسيًا لتكوين الصدأ. المناطق ذات التهوية الجيدة أو الكثير من الأكسجين، مثل الهياكل المعدنية والسيارات والآلات، معرضة للصدأ. يمكن أن يرتفع معدل الصدأ باستخدام الأملاح والأحماض التي تزيد من النشاط الكهروكيميائي للمعدن. تنشأ هذه المشكلة من استخدام مياه البحر لتحسين التوصيل.

على سبيل المثال، تسرّع البيئة شديدة الحموضة من تكوّن الصدأ لأن الأكسدة تتسارع في الظروف الحمضية (درجة حموضة منخفضة). تعزز الظروف القلوية أيضًا الصدأ ولكن بشكل أقل قوة من الظروف الحمضية.

تلعب درجة الحرارة دوراً حيث أن درجات الحرارة المرتفعة تزيد من معدلات الصدأ عن طريق زيادة معدلات التفاعلات الكيميائية. ومع ذلك، يمكن أن يحدث الصدأ في درجات الحرارة المنخفضة في حالة وجود الرطوبة والأكسجين.

وأخيرًا، من الناحية الكيميائية، فإن تلوث السطح بمواد مثل الأوساخ أو الزيت يعيق إزالة الرطوبة بعيدًا عن المعدن، مما يعرض المناطق الموضعية للصدأ.

المواد المتأثرة بشكل شائع

الحديد، والحديد، والحديد الزهر، وسبائك الصلب هي المواد الأكثر شيوعاً التي يصيبها الصدأ. الحديد هو الأكثر عرضة للصدأ لأنه يشكل تفاعلاً كيميائياً مع كل من الأكسجين والرطوبة حيث يكون مفتوحاً. يتكون الصلب الكربوني بشكل أساسي من الحديد، مع نسبة صغيرة من الكربون وعناصر أخرى. في حين أنه يمكن أن يصدأ بسهولة أيضًا، إلا أن الكربون وعناصر السبائك تلك قد تعزز معدل الصدأ أو تغير خصائص الصدأ. كل نوع من أنواع الحديد قادر على الصدأ. ومع ذلك، فإن الحديد المطاوع يصدأ أسرع من الفولاذ أو الحديد الزهر لأن الأخير يحتوي على نسبة أعلى من الكربون وسيشكل صدأ أكثر مسامية وقشورًا.

يوفر الفولاذ منخفض الكربون وسبائك الفولاذ متوسط الكربون مستوى معين من الحماية ضد الصدأ ولكنه عرضة للصدأ في ظروف معينة. أما المواد مثل الكروم والفولاذ المقاوم للصدأ فهي أكثر مقاومة بسبب طبقة الأكسيد السلبية المتكونة على سطحها، والتي تعيق تكوين الصدأ.

الاختلافات الرئيسية بين التآكل والأكسدة والصدأ

الخاتمة

يُعد الوعي بالاختلافات بين التآكل والأكسدة والصدأ أمرًا بالغ الأهمية عند حماية البنية التحتية والآلات من التآكل والتلف المبكر. وتؤدي المواد المبتكرة، التي تشمل الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم وسبائك التيتانيوم والطلاءات الواقية وأجهزة الاستشعار الذكية والمواد ذاتية الشفاء، دوراً حاسماً في معالجة هذه المشاكل.

تشمل الدراسات الإضافية نحو تطوير علم التآكل تطوير تكنولوجيا النانو، والذكاء الاصطناعي في التنبؤ بالتآكل، والمثبطات الخضراء. هذه المواد حيوية لتحسين خصائص المواد. إذا استمرت هذه الصناعات في رعاية هذه الابتكارات ودعمها، فيمكنها تحسين حماية الممتلكات وتقليل الخسائر وضمان السلامة والموثوقية في العديد من التطبيقات.

المراجع

[1] NACE International – International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies (IMPACT) study http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Corrosion Protective Coatings Market Size Report, 2030; [3] Grand View Research – Corrosion Inhibitors Market Size, Share | Industry Report 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market