خوردگی آهن چرا و چگونه ؟ | علت زنگ زدن آهن به زبان ساده

خوردگی آهن و فولاد یا همان زنگ زدن آهن به زبان ساده، تخریب یا فاسد شدن یک ماده در اثر واکنش با محیطی که در آن قرار دارد تعریف می‌شود. فلزات زمانی که با ماده دیگری مانند اکسیژن، هیدروژن، جریان الکتریکی یا حتی کثیفی و باکتری واکنش نشان می دهند، خورده می‌شوند یا به اصطلاح عامیانه زنگ زدن آهن اتفاق می افتد.

خوردگی آهن علاوه بر عامل محیطی، همچنین می‌تواند زمانی اتفاق بیفتد که فلزاتی مانند فولاد تحت فشار بیش از حد قرار می‌گیرند و این باعث ترک خوردن آنها می‌شود. یکی از شناخته شده ترین خوردگی در فلزات که به آن زنگ زدن هم گفته میشود، خوردگی آهن است که در ادامه به بحث پیرامون آن، چرایی و علت زنگ زدن آهن در هوای مرطوب و چگونگی حفاظت از خوردگی فولاد ها خواهیم پرداخت.

خوردگی آهن؛ چرا و چگونه؟

خوردگی آهن در واقع، تخریب یک ماده فلزی حاوی عنصر آهن (Fe) در اثر واکنش‌های الکتروشیمیایی با اکسیژن (O_۲) و آب در محیط اطراف است. خوردگی فولاد عموماً با تشکیل زنگ زدگی ناشی از فرآیند الکتروشیمیایی در حضور آب، اکسیژن و محلول نمک الکترولیتی مشخص می‌شود.

بنابراین، اصلاح یک یا همه این منابع واکنش دهنده موجود در فرآیند خوردگی فولاد می‌تواند در کاهش نرخ خوردگی آهن موثر واقع شود. فرآیند زنگ زدن آهن به زبان ساده به این گونه است که هنگامی که آهن با آب و اکسیژن واکنش می‌دهد، هیدروکسید آهن (II) تشکیل می‌شود. هیدروکسید آهن (II) با اکسیژن و آب بیشتری واکنش می‌دهد و سپس اکسید آهن هیدراته (III) را تشکیل می‌دهد که به در اصطلاح عامیانه به عنوان زنگ آهن شناخته می‌شود.

علت زنگ زدن آهن در هوای مرطوب

همانطور که گفته شد حداقل نیاز برای واکنش الکتروشیمیایی خوردگی فولاد، یک الکترولیت (به عنوان مثال، ذرات آب) و محیطی با اکسیژن کافی است. بنابراین سه بخش اصلی زنگ زدن آهن به زبان ساده در هوای مرطوب عبارتست از: آب، اکسیژن و آهن

در هوای خشک از آنجائیکه مولکولهای آب بسیار کم هستند خوردگی آهن بسیار آهسته و در طی سالیان دراز اتفاق می افتد اما به این معنا نیست که اصلا زنگ زدن رخ نمیدهد.

آلاینده ها فرآیند خوردگی را تسریع می کنند. زمانی که آهن ریزدانه (Refined Iron) و آلیاژهای آن به ترکیبات شیمیایی پایدار آهن تبدیل می شوند، فرایند خوردگی فولاد به طور طبیعی اتفاق می‌افتد. برای فلز ریزدانه، فرآیند تخریب تدریجی است. این واکنش ماهیت الکتروشیمیایی یا شیمیایی در طبیعت دارد.

خوردگی فولاد و شرایط ایجاد آن

عوامل زیادی در زنگ زدن آهن نقش دارند، از جمله میزان رطوبت هوا و PH محیط اطراف. در ادامه به تعدادی از این عناصر اشاره خواهیم کرد.

• رطوبت: در دسترس بودن آب در محیط، خوردگی آهن را محدود می‌کند. شایع ترین علت زنگ زدن قرار گرفتن در معرض باران است.
• اگر pH محیط اطراف آهن پایین باشد، فرآیند خوردگی فولاد را تسریع می شود. وقتی آهن در معرض باران اسیدی قرار می‌گیرد، سریعتر زنگ می‌زند. خوردگی آهن با pH بالاتر کند می شود.
• به دلیل وجود املاح مختلف در آب، آهن زودتر زنگ می‌زند. بسیاری از یون‌های موجود در آب شور فرآیند خوردگی فولاد را از طریق فرآیندهای الکتروشیمیایی سرعت می‌بخشند.
• ناخالصی: در مقایسه با آهنی که دارای انواع فلزات است، آهن خالص کندتر زنگ می‌زند. اندازه جسم آهنی نیز می تواند بر سرعت زنگ زدگی آن تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، یک جسم بزرگ آهنی به دلیل فرآیند ذوب احتمالاً دارای عیوب جزئی است. این عیوب بستری را برای حملات محیطی به فلز فراهم می کند.

واکنش شیمیایی زنگ زدن یا خوردگی آهن

اگرچه زنگ‌زدگی نتیجه یک واکنش اکسیداسیون در نظر گرفته می‌شود، اما شایان ذکر است که همه اکسیدهای آهن زنگ زده نیستند. زنگ زمانی ایجاد می‌شود که اکسیژن با آهن واکنش می‌دهد، اما کنار هم قرار دادن آهن و اکسیژن کافی نیست. اگرچه حدود ۲۱ درصد هوا از اکسیژن تشکیل شده است، اما زنگ زدگی در هوای خشک اتفاق نمی‌افتد بلکه در هوای مرطوب و در آب رخ می‌دهد. زنگ برای تشکیل شدن به سه ماده شیمیایی نیاز دارد: آهن، اکسیژن و آب.

اکسید آهن هیدراته (III) →  آهن + آب + اکسیژن 

 این نمونه‌ای از یک واکنش الکترو شیمیایی و زنگ زدن آهن است. در خوردگی آهن دو واکنش الکتروشیمیایی متمایز رخ می دهد. انحلال آندی یا اکسیداسیون آهن در محلول آبی (آب) بدین صورت وجود وجود دارد:

2Fe → 2Fe^۲+ + 4e-

احیا یا حفاظت کاتدی اکسیژن محلول در آب نیز رخ می دهد:

O_۲ + 2H_۲O + 4e^– → 4OH^–  

یون آهن و یون هیدروکسید واکنش داده و هیدروکسید آهن را تشکیل می دهند:

2Fe^۲+ + 4OH^– →2Fe (OH)_۲

اکسید آهن با اکسیژن واکنش می دهد تا زنگ قرمز، Fe_۲O_۳.H_۲O ایجاد کند، زیرا به دلیل ماهیت الکتروشیمیایی واکنش، الکترولیتهای محلول در آب به واکنش کمک میکنند. خوردگی آهن در آب شور سریعتر از آب خالص رخ می‌دهد. به خاطر داشته باشید که گاز اکسیژن (O_۲) تنها منبع اکسیژن هوا یا آب نیست.

دی اکسید کربن (CO_۲) نیز حاوی اکسیژن است. دی اکسید کربن و آب واکنش داده و اسید کربنیک ضعیف تشکیل می‌دهند. اسید کربنیک الکترولیت بهتری نسبت به آب خالص است. با حمله اسید به آهن، آب به هیدروژن و اکسیژن تبدیل می‌شود. اکسیژن آزاد و آهن محلول اکسید آهن را تشکیل می‌دهند و الکترون‌هایی آزاد می‌کنند که می‌توانند به قسمت دیگری از فلز سرازیر شده و بدین ترتیب خوردگی آهن شروع شده و ادامه پیدا می‌کند.

خوردگی آهن و آسیب‌های آن

خوردگی آهن که با زنگ زدگی پدیدار می‌شود، یک لایه نفوذپذیر و نرم را ایجاد می‌کند که به راحتی با لیز خوردن و جدا شدن از سطح یک جسم آهنی زنگ زده، آهن زیر آن نیز شروع به زنگ زدن می‌کند و این فرآیند تا زمانی که شرایط لازم برای خوردگی فولاد فراهم باشد، تا انهدام فلز ادامه خواهد داشت.

در نتیجه، خوردگی فولاد ها یک فرآیند ثابت است که در طول زمان اقلام آهنی را از بین می‌برد و آنها را بی ارزش می‌کند. خوردگی آهن در طول زمان باعث آسیب قابل توجهی می‌شود زیرا برای ساختن طیف وسیعی از سازه‌ها و کالاها از جمله پل‌ها، کوره‌ها، نرده‌ها، گیت‌ها و بدنه اتومبیل‌ها، اتوبوس‌ها، کامیون‌ها و کشتی‌ها استفاده می‌شود.

بنابراین خوردگی فولاد در طول زمان خسارات زیادی را به همراه خواهد داشت که باید راهی برای جلوگیری از زنگ زدن آهن ارائه شود. پیشگیری از رنگ زدن آهن و کاهش سرعت از بین رفتن اجسام آهنی در اثر زنگ زدگی تاثیر اقتصادی زیادی دارد که در ادامه به راه حل‌های مختلف آن خواهیم پرداخت.

چرا خوردگی آهن یک پدیده نامطلوب است؟

همانطور که گفنه شد خوردگی آهن و زنگ زدگی باعث پوسته پوسته شدن و ضعیف شدن آهن می شود و استحکام، ظاهر و نفوذپذیری آن را کاهش می‌دهد. آهن زنگ زده خواص مطلوب آهن را حفظ نمی کند. زنگ زدن آهن می تواند به خودروها، نرده‌ها، کوره‌ها و بسیاری از سازه‌های آهنی دیگر آسیب برساند.

فروریختن پل نقره‌ای (Silver Bridge) در سال ۱۹۶۷ و پل رودخانه میانوس (Mianus River) در سال ۱۹۸۳ به خوردگی اجزای فولادی/آهنی پل نسبت داده می‌شود. بسیاری از ساختمان‌های ساخته شده از بتن مسلح نیز در مدت طولانی به دلیل خوردگی فولاد دچار شکست‌های سازه‌ای می شوند.

آهن زنگ زده می‌تواند محل رشد باکتری‌هایی باشد که باعث بروز کزاز می‌شوند. بریدگی این اشیاء که پوست را خراش می‌دهد می تواند خطرناک باشد. از آنجایی که خوردگی آهن در شرایط مرطوب با سرعت زیاد اتفاق می افتد، داخل لوله‌ها و مخازن آب به آن حساس است. این باعث می شود که لوله‌ها آب قهوه‌ای یا سیاه حاوی مقدار ناایمن اکسید آهن را حمل کنند. یکی از راه های محافظت در برابر خوردگی لوله ها، حفاظت کاتدی است.

راه های جلوگیری از زنگ زدن آهن به زبان ساده

برای جلوگیری از زنگ زدن آهن، از تکنیک‌های مختلفی استفاده می‌شود. برای بیرون نگه داشتن هوا و آب و جلوگیری از تشکیل الکترولیت، بهترین راه پوشاندن قطعه آهن  و جلوگیری از دسترسی عوامل خوردگی به سطح فولاد است. در زیر برخی از رایج ترین راه های جلوگیری از خوردگی آهن آورده شده است.

• خوردگی آهن را می توان با رنگ آمیزی جلوگیری کرد. پوشاندن سطح آهن با رنگ رایج‌ترین راه برای جلوگیری از خوردگی فولاد است. هنگامی که رنگ روی سطح یک جسم آهنی قرار می‌گیرد، از تماس هوا و رطوبت با جسم و در نتیجه از زنگ زدگی جلوگیری می‌کند. برای جلوگیری از زنگ زدگی، پنجره‌ها، نرده‌ها، پل‌های آهنی، واگن‌های راه آهن و بدنه خودروها، اتوبوس‌ها و کامیون ها و از جمله موارد دیگر، همه به طور منظم رنگ آمیزی می‌شوند.
• با استفاده از روغن یا گریس می توان از خوردگی آهن جلوگیری کرد. هنگامی که گریس یا روغن روی سطح یک جسم آهنی قرار می گیرد، هوا و رطوبت با آن تماس پیدا نمی‌کند و از خوردگی جلوگیری می‌شود. برای مثال ابزارآلات آهنی و فولادی و قطعات ماشین آلات برای جلوگیری از خوردگی به گریس یا روغن آغشته می‌شوند.
• با گالوانیزه کردن می توان از خوردگی فولاد جلوگیری کرد. گالوانیزه کردن قطعاتی که در معرض رطوبت بیش از حد هستند، مانندپروفیل های گالوانیزه، ورق‌های سقف و خطوط لوله، در برابر زنگ زدگی محافظت می کند. گالوانیزه تکنیکی است که برای جلوگیری از زنگ زدگی، لایه نازکی از روی، روی فولاد و آهن اعمال می شود. روی نسبت به آهن واکنش‌پذیرتر است، بنابراین در حضور رطوبت، با اکسیژن واکنش می‌دهد و یک لایه محافظ از اکسید روی تولید می‌کند که از آن در برابر زنگ‌زدگی بیشتر محافظت می‌کند.
• آبکاری فولاد یکی دیگر از روش های جلوگیری از خوردگی فولاد و البته یکی از ۱۱ روش تقویت میلگرد در برابر خوردگی است. در این روش، فلزات غیرخورنده شامل قلع، نیکل و کروم روی آهن آبکاری می شوند. همچنین با آلیاژ کردن آهن برای ساخت فولاد ضد زنگ می توان از خوردگی آهن جلوگیری کرد.

در این مطلب سعی شد در مورد روش های تخریب محیطی و به اصطلاح علمی آن خوردگی آن یا همان زنگ زدن آهن به زبان ساده بیان شود. اگر نکته یا سوال دیگری دارید که در این مقاله به آن پاسخ داده نشد، زیر همین مقاله از ما بپرسید.