في عالم العلوم والهندسة المادية ، غالبًا ما يتم استخدام تآكل المصطلحات والأكسدة والصدأ بالتبادل. ومع ذلك ، فإن هذه العمليات ، على الرغم من أنها ذات الصلة ، لها خصائص وتأثيرات متميزة. يعد فهم خلافاتهم أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للصناعات التي تتراوح من البناء إلى الطيران ، حيث يمكن أن تؤثر هذه الظواهر بشكل كبير على طول طول وسلامة المواد والهياكل.
ما هو التآكل؟
التآكل هو التدهور التدريجي للمواد ، وعادة ما يكون المعادن ، الناجم عن التفاعلات الكيميائية أو الكهروكيميائية. يضعف المادة ويؤثر على سلامتها الهيكلية. يمكن أن يؤدي التآكل إلى الفشل إذا ترك دون رادع.
تدهور خصائص المواد
عندما يحدث التآكل ، فإنه يغير الخصائص الفيزيائية للمادة. وهذا يشمل القوة والمظهر وحتى الموصلية. تسبب التفاعلات الكهروكيميائية بين المعدن وبيئته هذا التحلل.
أنواع التآكل
التآكل ليس هو نفسه في كل سيناريو. بيئات ومواد مختلفة تؤدي إلى أشكال مختلفة من التآكل. فيما يلي بعض الأنواع الشائعة:
هجوم موحد : هذا هو الشكل الأكثر شيوعًا للتآكل. يحدث ذلك عندما يتعرض سطح المادة بأكمله لبيئة تآكل ، مما يؤدي إلى تدهور حتى.
التآكل الجلفاني : يحدث هذا النوع من التآكل عندما يكون اثنين من المعادن المتباينة على اتصال مع بعضهما البعض في وجود المنحل بالكهرباء. يصبح المعدن الأقل نبيلًا الأنود ويتآكل بشكل أسرع.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (RT/NF) LN ([OX]/[RED])
ECELL = إمكانات الخلية ، E0 = إمكانات القطب القياسي ، R = ثابت الغاز ، T = درجة الحرارة ، N = عدد الإلكترونات المنقولة ، و F هو ثابت Faraday.
معدل التآكل ∝ [cl-] e (-∆g/rt)
في هذه المعادلة ، ΔG هو التغير في الطاقة الخالية من Gibbs ، R هو ثابت الغاز ، و T هي درجة الحرارة.
Pitting : هذا شكل محلي من التآكل يؤدي إلى ثقوب صغيرة أو حفر على سطح المعدن. قد يكون من الصعب اكتشافه ويمكن أن يؤدي إلى فشل سريع.
التآكل بين الخلايا : يحدث هذا النوع من التآكل على طول حدود الحبوب للمعدن ، وغالبًا ما يكون بسبب هطول الشوائب أو تشكيل مراحل مختلفة.
تآكل التآكل : يحدث ذلك عندما يتحرك السائل التآكل فوق سطح معدني بسرعات عالية ، مما يسبب التآكل الميكانيكي والتدهور الكيميائي.
تصدع الإجهاد : يحدث هذا عندما يتعرض المعدن لكل من الإجهاد الشد وبيئة تآكل ، مما يؤدي إلى تكوين الشقوق وانتشارها.
الترشيح الانتقائي : يتضمن هذا النوع من التآكل الإزالة الانتقائية لعنصر واحد من سبيكة ، تاركًا وراءه بنية ضعيفة مسامية.
المواد المتأثرة بالتآكل
التآكل لا يؤثر فقط على المعادن. مواد أخرى يمكن أن تتحلل أيضًا:
المعادن : الحديد والألومنيوم والنحاس وسبائكهم يتأثرون بالتآكل.
السيراميك : على الرغم من أن السيراميك أقل شيوعًا ، يمكن أن تتحلل من خلال التفاعلات الكيميائية مع بيئتها.
البوليمرات : بدلاً من التآكل ، تتحلل البوليمرات. يمكن أن يؤدي هذا الضعف إلى تكسير أو توزيعات أو تلون.
ما هو الأكسدة؟
الأكسدة هي عملية كيميائية حيث تفقد المادة الإلكترونات ، وعادة ما تتفاعل مع الأكسجين. إنها جزء من الكيمياء اليومية ، مما يؤدي غالبًا إلى تغييرات مرئية مثل اللون أو الملمس.
العملية الكيميائية التي تنطوي على فقدان الإلكترونات
في الأكسدة ، تتخلى مادة عن الإلكترونات لآخر. الأوكسجين هو عادة المادة التي تقبلهم. يمكن أن يحدث هذا التفاعل في كل من المواد العضوية وغير العضوية ، وتغيير خصائصها. يمكن تمثيل تفاعل الأكسدة العامة على النحو التالي:
M → M⁺ + E⁻
هنا ، يمثل 'M ' المادة (في كثير من الأحيان معدن) الإلكترونات ، لتصبح أيونًا مشحونة بشكل إيجابي (M⁺).
أمثلة على الأكسدة في الحياة اليومية
يؤثر الأكسدة على المواد التي نستخدمها كل يوم. فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة:
هذه الطبقة البنية المحمر تضعف المعدن.
الأكسدة في المواد العضوية
يحدث الأكسدة أيضًا في الكائنات الحية. ولكن على عكس المعادن ، يمكن أن تكون الآثار مفيدة:
زيادة في التمثيل الغذائي : في أجسامنا ، يساعد الأكسدة في حرق الطعام من أجل الطاقة ، وسرعة التمثيل الغذائي.
انخفاض خطر الإصابة بالسرطان : تساعد بعض عمليات الأكسدة في الخلايا على منع انتشار الجذور الحرة الضارة ، والتي يمكن أن تقلل من خطر الإصابة بالسرطان.
ما هو الصدأ؟
الصدأ هو نوع محدد من التآكل الذي يؤثر على الحديد وسبائكه ، مثل الصلب. يتميز بلون محمر بني وملمس قشاري.
يحدث هذا الشكل من التآكل عندما يتعرض الحديد للرطوبة والأكسجين. تتضمن عملية تكوين الصدأ عدة خطوات:
تفاعل الأكسدة : يفقد الحديد الإلكترونات ويتفاعل مع الأكسجين في وجود الماء لتشكيل أيونات الحديد (II).
Fe → Fe⊃2 ؛ ⁺ + 2e⁻
تشكيل هيدروكسيد الحديد : يتفاعل أيونات Fe⊃2 بالماء والأكسجين لتشكيل هيدروكسيد الحديد (II).
fe⊃2 ؛ ⁺ + 2H₂O + O₂ → Fe (OH) ₂
أكسدة هيدروكسيد الحديد : هيدروكسيد الحديد (II) يتأكسد من أكسدة هيدروكسيد الحديد (III).
4FE (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
تشكيل الصدأ : الجفاف الحديد (III) الجفاف الهيدروكسيد لتشكيل الحديد (III) هيدروكسيد أكسيد ، والمعروف باسم الصدأ. هذا الصدأ هو مزيج معقد من أكاسيد الحديد والهيدروكسيدات.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
عدة شروط يمكن أن تعزز تكوين الصدأ:
وجود الرطوبة : يعمل الماء ككهرباء ، مما يتيح تفاعلات خفض الأكسدة اللازمة للصدأ. الرطوبة العالية أو التعرض المباشر للأمطار يمكن أن يسرع العملية.
التعرض للأوكسجين والكهارل : الأكسجين ضروري لتشكيل الصدأ. المناطق ذات التهوية الجيدة أو تركيز الأكسجين العالي أكثر عرضة للصدأ. يمكن للأملاح والأحماض أيضًا زيادة النشاط الكهروكيميائي للمعدن ، مما يسرع من عملية الصدأ.
العوامل البيئية : تلعب درجة الحرارة دورًا في تكوين الصدأ. درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تزيد من معدلات التفاعلات الكيميائية ، مما يؤدي إلى الصدأ بشكل أسرع. يمكن للملوثات السطحية مثل الأوساخ أو الزيت فخ الرطوبة على سطح المعدن ، مما يخلق مناطق محلية عرضة للصدأ.
الاختلافات بين التآكل الأكسدة ،
| وصدأ | التآكل | أكسدة | ، |
| تعريف | تدهور المواد بسبب التفاعلات الكيميائية أو الكهروكيميائية مع البيئة | العملية الكيميائية حيث تفقد المادة الإلكترونات ، وغالبًا ما تتضمن الأكسجين | شكل محدد من التآكل الذي يؤثر على سبائك الحديد والحديد |
| نِطَاق | أوسع مصطلح ، يشمل أشكال مختلفة من تدهور المواد | نوع محدد من التفاعل الكيميائي | منتج محدد لأكسدة الحديد |
| المواد المتضررة | مواد مختلفة بما في ذلك المعادن والسيراميك والبوليمرات | كل من المواد العضوية وغير العضوية | على وجه التحديد الحديد وسبائكها |
| العوامل البيئية | يتطلب المنحل بالكهرباء | يحتاج إلى أكسجين أو عامل مؤكسد آخر | يتطلب كل من الأكسجين والرطوبة |
| منتجات | يمكن أن يؤدي إلى مركبات مختلفة | ينتج أكاسيد | تشكل أكاسيد الحديد والهيدروكسيدات |
| العملية الكيميائية | غالبًا ما يتضمن نقل الإلكترون بين المواد والبيئة | فقدان الإلكترونات ، في كثير من الأحيان إلى الأكسجين | يتفاعل الحديد مع الأكسجين والماء |
| مظهر | أشكال مختلفة (على سبيل المثال ، الحفر ، التحجيم) | يمكن أن تكون مرئية أو غير مرئية اعتمادًا على المواد | لون بني محمر مميز |
| تأثير | عادة ما يضر بخصائص المواد | يمكن أن تكون مفيدة (على سبيل المثال ، طبقات واقية) أو ضارة | دائما ضارة للمواد القائمة على الحديد |
| التأثير الاقتصادي | مهم عبر مختلف الصناعات | يختلف حسب السياق | كبيرة في الصناعات التي تستخدم الحديد |
تأثير التآكل والأكسدة والصدأ
التآكل ، الأكسدة ، والصدأ لها عواقب بعيدة المدى التي تتجاوز تدهور المواد. يمكن أن تؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة ، وتشكل مخاطر السلامة ، وحتى تضر بالبيئة.
العواقب الاقتصادية
التكاليف المرتبطة بالتآكل والأكسدة والصدأ مذهلة. وفقًا لدراسة أجرتها Nace International ، تقدر التكلفة العالمية للتآكل بمبلغ 2.5 تريليون دولار سنويًا ، وهو ما يعادل 3.4 ٪ من الناتج المحلي الإجمالي في العالم.
وتشمل هذه التكاليف:
التكاليف المباشرة لاستبدال أو إصلاح المواد والهياكل المتآكلة
التكاليف غير المباشرة مثل فقدان الإنتاج والأضرار البيئية والتقاضي
تكاليف الصيانة لتدابير الوقاية من التآكل ومراقبة
تشمل الصناعات الأكثر تأثراً بالتآكل:
مخاوف السلامة
يمكن للتآكل ، الأكسدة ، والصدأ التنازل عن السلامة الهيكلية للمباني والمركبات والبنية التحتية. يمكن أن يؤدي هذا التدهور إلى إخفاقات كارثية ، مما يعرض الأرواح للخطر.
بعض الأمثلة على مخاطر السلامة الناتجة عن التآكل تشمل:
انهيار الجسور أو المباني بسبب ضعف تعزيزات الصلب
فشل خطوط الأنابيب ، مما يؤدي إلى انسكابات النفط أو تسرب الغاز
خلل في المكونات الحرجة في الطائرات أو المركبات
تلوث مياه الشرب من الأنابيب المتآكلة
الآثار البيئية
يمكن أن يكون للتآكل والأكسدة والصدأ عواقب بيئية كبيرة. عندما تفشل الهياكل المتآكلة ، يمكنهم إطلاق مواد خطرة في البيئة.
على سبيل المثال:
يمكن أن تسرب خزانات التخزين المتآكلة للمواد الكيميائية أو المنتجات البترولية ، والتربة الملوثة والمياه الجوفية
يمكن أن تفسد نفايات المعادن الصدئة المعادن الثقيلة في النظام البيئي
يمكن أن يؤدي تدهور البنية التحتية إلى عدم الكفاءة ، وزيادة انبعاثات غازات الدفيئة
استراتيجيات الوقاية والتخفيف
يتطلب منع التآكل والأكسدة والصدأ مقاربة متعددة الأوجه. يتضمن ذلك اختيار المواد الدقيقة ، واعتبارات التصميم ، وعلاجات الحماية ، والتحكم البيئي ، والمراقبة المنتظمة.
اختيار المواد والتصميم
واحدة من أكثر الطرق فعالية لمنع التآكل هي استخدام مواد مقاومة لها بطبيعتها. بعض الأمثلة على السبائك المقاومة للتآكل تشمل:
تشكل هذه المواد طبقة أكسيد واقية على سطحها ، مما يساعد على منع مزيد من التآكل.
يلعب التصميم أيضًا دورًا مهمًا في تقليل التآكل. يجب على المهندسين:
تجنب الزوايا الحادة والشقوق حيث يمكن أن تتراكم المواد المسببة للتآكل
ضمان الصرف السليم لمنع المياه الدائمة
استخدم المفاصل الملحومة بدلاً من الاتصالات المزعجة أو المنشورة عند الإمكان
الطلاء والعلاجات الواقية
يمكن أن يساعد تطبيق الطلاء الواقي والعلاجات على سطح المادة في منع التآكل. تشمل بعض الطرق الشائعة:
الدهانات والزيوت : هذه تخلق حاجزًا بين المعدن والبيئة ، مما يمنع التعرض للعوامل المسببة للتآكل.
الجلفنة : يتضمن ذلك طلاء الحديد أو الصلب بطبقة من الزنك ، والتي تآكل تضحيا لحماية المعدن الأساسي.
الطلاء الكهربائي : يودع طبقة رقيقة من المعدن الأكثر مقاومة للتآكل ، مثل الكروم أو النيكل ، على سطح معدن آخر.
أنود : تخلق هذه العملية طبقة أكسيد واقية سميكة على سطح المعادن مثل الألومنيوم.
التخميل : يتضمن علاج سطح المعدن بمحلول كيميائي لتعزيز تكوين طبقة أكسيد واقية.
الرقابة البيئية
يمكن أن يساعد التحكم في البيئة في تقليل التعرض للعوامل المسببة للتآكل. بعض الاستراتيجيات تشمل:
الحفاظ على مستويات الرطوبة المنخفضة لتقليل الرطوبة في الهواء
تنظيم درجة الحرارة لتجنب التقلبات الشديدة التي يمكن أن تسرع التآكل
باستخدام مزيل الرطوبة أو مكيفات الهواء أو السخانات للتحكم في البيئة
تخزين المواد في المناطق الجافة والمنسقة بعيدًا عن المواد المسببة للتآكل
مراقبة التآكل والتفتيش
يمكن أن تساعد المراقبة والتفتيش المنتظمين في اكتشاف التآكل في وقت مبكر ، مما يسمح بالتدخل في الوقت المناسب. هذا ينطوي على:
تفقد الأسطح بصريًا لعلامات التآكل ، مثل التغير أو الحفر أو التقشير
باستخدام طرق الاختبار غير المدمرة ، مثل قياس سماكة الموجات فوق الصوتية أو التصوير الشعاعي ، لتقييم مدى التآكل دون إتلاف المادة
الحفاظ على سجلات مفصلة لنتائج التفتيش لتتبع تقدم التآكل مع مرور الوقت
التقدم في الوقاية من التآكل والتكنولوجيا
مع استمرار المعركة ضد التآكل ، يقوم الباحثون والمهندسون بتطوير حلول مبتكرة لمنع آثارها وتخفيفها. تتراوح هذه التطورات من الطلاء عالي الأداء إلى أنظمة المراقبة في الوقت الفعلي والمواد الجديدة.
تطوير الطلاء عالي الأداء
أحد مجالات التقدم الكبير هو تطوير الطلاء الواقي المتقدم. توفر هذه الطلاء مقاومة فائقة للتآكل والارتداء والهجوم الكيميائي. بعض الأمثلة البارزة تشمل:
الطلاء الايبوكسي والبولي يوريثان : توفر هذه الالتصاق الممتاز والمتانة والمقاومة للرطوبة والمواد الكيميائية. يتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية والبحرية.
الطلاءات الفلوروليمرات : معروفة بمقاومة كيميائية استثنائية وخصائص الاحتكاك المنخفضة ، تعتبر الطلاءات الفلورية البوليمرية ، مثل PTFE (TEFLON) ، مثالية للبيئات القاسية.
الطلاءات ذاتية الشفاء الذاتي المستوحاة من الحيوي : هذه الطلاءات المبتكرة تحاكي خصائص الشفاء الذاتي للكائنات الحية. أنها تحتوي على كبسولات مجهرية مملوءة بعوامل الشفاء التي يتم إطلاقها عند تلف الطلاء ، مما يسمح له بإصلاح نفسه.
تقنيات مثبط الحماية الكاثودية وتآكل
تعد الحماية الكاثودية طريقة راسخة لمنع التآكل في الهياكل المعدنية. يتضمن تطبيق تيار كهربائي صغير على المعدن ، مما يجعله الكاثود في خلية كهروكيميائية. هذا يمنع المعدن من التآكل.
مثبطات التآكل هي مواد ، عند إضافتها إلى بيئة تآكل ، تقلل من معدل التآكل. إنهم يعملون من خلال تشكيل فيلم واقٍ على سطح المعدن أو عن طريق تعديل كيمياء البيئة.
تشمل التطورات الحديثة في هذه التقنيات:
أنظمة حماية الكاثودية الحالية التي تستخدم الطاقة الشمسية أو غيرها من مصادر الطاقة المتجددة
مثبطات التآكل العضوية المستمدة من مستخلصات النباتات وغيرها من مصادر الصديقة للبيئة
الطلاء الذكي الذي يتضمن مثبطات التآكل ويطلقها عند الحاجة
مراقبة التآكل في الوقت الحقيقي وأنظمة الإنذار المبكر
يعد اكتشاف التآكل مبكرًا أمرًا بالغ الأهمية لمنع الفشل الكارثي. تستخدم أنظمة المراقبة في الوقت الفعلي أجهزة استشعار لقياس المعلمات المختلفة المتعلقة بالتآكل باستمرار ، مثل:
يمكن لهذه الأنظمة تنبيه المشغلين عندما تتجاوز معدلات التآكل مستويات مقبولة ، مما يسمح بالتدخل في الوقت المناسب. حتى أن بعض الأنظمة المتقدمة تستخدم خوارزميات التعلم الآلي للتنبؤ بمعدلات التآكل بناءً على البيانات التاريخية.
مواد وتقنيات جديدة للوقاية من التآكل في البيئات البحرية
البيئات البحرية صعبة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بالوقاية من التآكل. مزيج من المياه المالحة ، والتلوث البيولوجي ، والإجهاد الميكانيكي يمكن أن يتحلل بسرعة حتى المواد الأكثر قوة.
يقوم الباحثون بتطوير مواد وتقنيات جديدة لمواجهة هذه التحديات ، مثل:
سبائك مقاومة للتآكل تحتوي على مستويات عالية من الكروم والنيكل والموليبدينوم
المواد المركبة التي تجمع بين قوة المعادن ومقاومة التآكل للبوليمرات
الطلاءات النانوية التي تخلق سطحًا فائقًا من الهيدروف ، مما يمنع الماء والمواد التآكل الأخرى من الالتزام بالمعدن
طرق التحكم في التآكل الكهروكيميائي ، مثل الحماية الكاثودية الحالية والأنودات الذبيحة
خاتمة
ترتبط التآكل ، الأكسدة ، والصدأ ، ولكن عمليات مميزة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على المواد والهياكل. في حين أن الأكسدة هي تفاعل كيميائي واسع ، فإن التآكل يحط من المواد على وجه التحديد ، والصدأ يؤثر فقط على الحديد وسبائكه.
فهم هذه الاختلافات أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة وطول الأصول المختلفة. يهدف البحث المستمر في علوم التآكل إلى تطوير استراتيجيات وتقنيات الوقاية الجديدة لمكافحة هذه التحديات المستمرة.
