קורוזיה לעומת חמצון לעומת חלודה: הבנת ההבדלים וההשפעות

בתחום מדעי החומרים וההנדסה, לרוב משתמשים במונחים קורוזיה, חמצון וחלודה. עם זאת, לתהליכים אלה, למרות שהם קשורים, יש מאפיינים והשפעות מובחנות. הבנת ההבדלים ביניהם היא קריטית לתעשיות שנעים בין בנייה לחלל, מכיוון שתופעות אלה יכולות להשפיע באופן משמעותי על אורך החיים ובטיחותם של חומרים ומבנים.

מהי קורוזיה?

קורוזיה היא השפלה הדרגתית של חומרים, בדרך כלל מתכות, הנגרמת כתוצאה מתגובות כימיות או אלקטרוכימיות. זה מחליש את החומר ומשפיע על שלמותו המבנית. קורוזיה יכולה להוביל לכישלון אם לא נבדקת.

השפלה של תכונות חומר

כאשר מתרחש קורוזיה, זה משנה את התכונות הפיזיות של החומר. זה כולל כוח, מראה ואפילו מוליכות. תגובות אלקטרוכימיות בין המתכת לסביבתו גורמות להשפלה זו.

סוגי קורוזיה

קורוזיה אינה זהה בכל תרחיש. סביבות וחומרים שונים מובילים לצורות שונות של קורוזיה. להלן כמה סוגים נפוצים:

• התקפה אחידה : זוהי הצורה הנפוצה ביותר של קורוזיה. זה מתרחש כאשר כל פני השטח של חומר נחשפים לסביבה מאכלת, וכתוצאה מכך אפילו הידרדרות.

• קורוזיה גלוונית : סוג זה של קורוזיה מתרחש כאשר שתי מתכות שונות שונות במגע זה עם זה בנוכחות אלקטרוליט. המתכת הפחות אצילית הופכת לאנודה ומשתתפת מהר יותר.

ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[red])

ECELL = פוטנציאל תאים, E0 = פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי, r = קבוע גז, t = טמפרטורה, n = מספר האלקטרונים שהועברו ו- F הוא קבוע הפארדיי.

• קורוזיה של נקיק : הוא מתרחש בחללים מוגבלים שבהם הסביבה המאכלת חמורה יותר מהסביבה. חללים, או נקיקים אלה, יכולים להיווצר על ידי תכנון או על ידי הצטברות פסולת.

קצב הקורוזיה ∝ [cl-] e (-בוע/rt)

במשוואה זו, ΔG ​​הוא השינוי באנרגיה חופשית של גיבס, R הוא קבוע הגז, ו- t הוא הטמפרטורה.

• בור : זוהי צורה מקומית של קורוזיה שמביאה לחורים קטנים או בורות על פני מתכת. זה יכול להיות קשה לאתר ויכול להוביל לכישלון מהיר.

• קורוזיה בין -גזעית : סוג זה של קורוזיה מתרחש לאורך גבולות התבואה של מתכת, לרוב בגלל משקעים של זיהומים או היווצרות שלבים שונים.

• קורוזיה של שחיקה : זה קורה כאשר נוזל מאכל נע על פני מתכת במהירות גבוהה, וגורם גם ללבוש מכני וגם לשפלות כימית.

• פיצוח קורוזיה מתח : זה מתרחש כאשר מתכת נתונה הן למתח מתיחה והן לסביבה מאכלת, מה שמוביל להיווצרות סדקים והפצת סדקים.

• שטיפה סלקטיבית : סוג זה של קורוזיה כרוך בהסרה סלקטיבית של אלמנט אחד מסגסוגת, ומשאיר אחריו מבנה נחלש ונקבובי.

חומרים המושפעים מקורוזיה

קורוזיה לא משפיעה רק על מתכות. גם חומרים אחרים יכולים להשפיל:

• מתכות : ברזל, אלומיניום, נחושת וסגסוגותיהם מושפעים בעיקר מקורוזיה.

• קרמיקה : אף על פי שהוא פחות נפוץ, קרמיקה יכולה להשפיל באמצעות תגובות כימיות בסביבתם.

• פולימרים : במקום להשחית, פולימרים משפילים. היחלשות זו יכולה להוביל לפיצוח, עיוות או שינוי צבע.

מהי חמצון?

חמצון הוא תהליך כימי בו חומר מאבד אלקטרונים, בדרך כלל מגיב עם חמצן. זה חלק מהכימיה היומיומית, לעתים קרובות וכתוצאה מכך שינויים גלויים כמו צבע או מרקם.

תהליך כימי הכרוך באובדן אלקטרונים

בחמצון, חומר מוותר על אלקטרונים לאחר. חמצן הוא בדרך כלל החומר המקבל אותם. תגובה זו יכולה להתרחש בחומרים אורגניים ואורגניים כאחד, ומשנה את תכונותיהם. ניתן לייצג תגובת חמצון כללית כ:

M → M⁺ + E⁻

כאן, 'm ' מייצג את החומר (לרוב מתכת) מאבד אלקטרונים, והופך ליון טעון חיובי (M⁺).

דוגמאות לחמצון בחיי היומיום

חמצון משפיע על חומרים שאנו משתמשים בכל יום. להלן כמה דוגמאות נפוצות:

• חלודה של ברזל ופלדה : כאשר ברזל מגיב עם חמצן ולחות, הוא יוצר חלודה. המשוואה הכימית להיווצרות חלודה היא:

  4FE + 3O₂ + 6H₂O → 4FE (OH) ₃

     שכבה חומה-אדמדמה זו מחלישה את המתכת.

• הכתמת כסף : כסף מגיב עם תרכובות גופרית באוויר ויוצר סולפיד כסף. המשוואה הכימית היא:

  2AG + H₂S → AG₂S + H₂

  שכבה שחורה זו מקהמת את הברק של תכשיטים מכסף או סכו'ם.

חמצון בחומרים אורגניים

חמצון קורה גם באורגניזמים חיים. אך בניגוד למתכות, ההשפעות יכולות להועיל:

• חיזוק בחילוף החומרים : בגופנו, חמצון עוזר לשרוף מזון לאנרגיה, מהירות חילוף חומרים.

• סיכון לסרטן נמוך יותר : תהליכי חמצון מסוימים בתאים עוזרים במניעת התפשטות רדיקלים חופשיים מזיקים, העלולים להוריד את הסיכון לסרטן.

מה זה חלודה?

חלודה היא סוג מסוים של קורוזיה הפוגעת בברזל וסגסוגותיו, כמו פלדה. זה מאופיין בצבע חום-אדמדם ומרקם רעוע.

צורה זו של קורוזיה מתרחשת כאשר ברזל נחשף ללחות וחמצן. תהליך היווצרות חלודה כולל מספר שלבים:

1. תגובת חמצון : ברזל מאבד אלקטרונים ומגיב עם חמצן בנוכחות מים ליצירת יוני ברזל (II).

   Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻

2. היווצרות הידרוקסיד ברזל : יוני Fe⊃2; ⁺ מגיבים עם מים וחמצן ליצירת ברזל (II) הידרוקסיד.

   Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → fe (OH) ₂

3. חמצון של הידרוקסיד ברזל : ברזל (II) הידרוקסיד מתחמצן עוד יותר ליצירת הידרוקסיד ברזל (III).

   4FE (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃

4. היווצרות חלודה : ברזל (III) הידרוקסיד מתייבשת ליצירת ברזל (III) תחמוצת-הידרוקסיד, הידועה בדרך כלל בשם חלודה. חלודה זו היא תערובת מורכבת של תחמוצות ברזל והידרוקסידים.

   4FE (OH) ₂ → FE₂O₃ · 3H₂O

   
   

מספר תנאים יכולים לקדם היווצרות חלודה:

• נוכחות של לחות : מים פועלים כאלקטרוליט, ומאפשרים את תגובות הפחתת החמצון הנחוצות לחלודה. לחות גבוהה או חשיפה ישירה לגשם יכולים להאיץ את התהליך.

• חשיפה לחמצן ואלקטרוליטים : חמצן חיוני להיווצרות חלודה. אזורים עם אוורור טוב או ריכוז חמצן גבוה מועדים יותר לחלודה. מלחים וחומצות יכולים גם להגביר את הפעילות האלקטרוכימית של המתכת, ולהאיץ את תהליך החלודה.

• גורמים סביבתיים : הטמפרטורה ממלאת תפקיד בהיווצרות חלודה. טמפרטורות גבוהות יותר יכולות להעלות את שיעורי התגובות הכימיות, מה שמוביל לחלודה מהירה יותר. מזהמים פני השטח כמו לכלוך או שמן יכולים ללכוד לחות על פני המתכת, ויוצרים אזורים מקומיים הפגיעים לחלודה.

הבדלים בין קורוזיה, חמצון, וחלודה

היבט	חלודה	חמצון	חמצון
הַגדָרָה	השפלה של חומרים כתוצאה מתגובות כימיות או אלקטרוכימיות עם הסביבה	תהליך כימי בו חומר מאבד אלקטרונים, לרוב מעורבים חמצן	צורה ספציפית של קורוזיה המשפיעה על סגסוגות ברזל וברזל
תְחוּם	המונח הרחב ביותר, המקיף צורות שונות של השפלה חומרית	סוג ספציפי של תגובה כימית	מוצר ספציפי של חמצון ברזל
חומרים שנפגעו	חומרים שונים כולל מתכות, קרמיקה ופולימרים	גם חומרים אורגניים וגם אורגניים	ספציפית ברזל וסגסוגותיו
גורמים סביבתיים	דורש אלקטרוליט	זקוק לחמצן או לחומר מחמצן אחר	דורש גם חמצן וגם לחות
מוצרים	יכול לגרום לתרכובות שונות	מייצר תחמוצות	יוצר תחמוצות ברזל והידרוקסידים
תהליך כימי	לעיתים קרובות כרוך בהעברת אלקטרונים בין חומר לסביבה	אובדן אלקטרונים, לעתים קרובות לחמצן	ברזל מגיב עם חמצן ומים
הוֹפָעָה	צורות שונות (למשל, בור, קנה מידה)	יכול להיות גלוי או בלתי נראה, תלוי בחומר	צבע חום-אדמדם-חום ייחודי
פְּגִיעָה	בדרך כלל מזיק לתכונות חומר	יכול להיות מועיל (למשל, שכבות מגן) או מזיק	תמיד מזיק לחומרים מבוססי ברזל
השפעה כלכלית	משמעותי בכל ענפים שונים	משתנה בהתאם להקשר	משמעותי בענפי השימוש בברזל

השפעת קורוזיה, חמצון וחלודה

לקורוזיה, חמצון וחלודה יש ​​השלכות מרחיקות לכת המשתרעות מעבר להשפלת החומרים. הם יכולים להוביל להפסדים כלכליים משמעותיים, להוות סיכוני בטיחות ואפילו לפגוע בסביבה.

השלכות כלכליות

העלויות הכרוכות בקורוזיה, חמצון וחלודה מדהימות. על פי מחקר שנערך על ידי Nace International, העלות העולמית של קורוזיה מוערכת כ -2.5 טריליון דולר בשנה, וזה שווה ל -3.4% מהתמ'ג בעולם.

עלויות אלה כוללות:

• עלויות ישירות של החלפת או תיקון חומרים ומבנים משוטטים

• עלויות עקיפות כמו אובדן ייצור, נזק סביבתי והתדיינות משפטית

• עלויות תחזוקה עבור אמצעי מניעה ובקרה של קורוזיה

תעשיות שנפגעו ביותר מקורוזיה כוללות:

• נפט וגז

• תחבורה (רכב, תעופה וחלל, רכבת וימית)

• תשתיות (גשרים, צינורות ובניינים)

• מפעלי ייצור ועיבוד

חששות בטיחותיים

קורוזיה, חמצון וחלודה יכולים לפגוע בשלמות המבנית של מבנים, כלי רכב ותשתיות. הידרדרות זו עלולה להוביל לכישלונות קטסטרופלים, ולסכן חיים בסיכון.

כמה דוגמאות לסכנות בטיחותיות הנגרמות כתוצאה מקורוזיה כוללות:

• קריסת גשרים או מבנים כתוצאה מתגבורת פלדה מוחלשת

• כישלון צינורות, מה שמוביל לשפכות נפט או נזילות גז

• לא תקין של רכיבים קריטיים בכלי טיס או בכלי רכב

• זיהום מי שתייה מצינורות משוטטים

השלכות סביבתיות

לקורוזיה, חמצון וחלודה יכולים להיות גם השלכות סביבתיות משמעותיות. כאשר מבנים משורשטים נכשלים, הם יכולים לשחרר חומרים מסוכנים לסביבה.

לְדוּגמָה:

• מיכלי אחסון משוטטים יכולים לדלוף כימיקלים או מוצרי נפט, מזוהמים אדמה ומי תהום

• פסולת מתכת חלודה יכולה להדליק מתכות כבדות למערכת האקולוגית

• השפלה של תשתיות עלולה להוביל לחוסר יעילות, ולהגדיל את פליטת גזי החממה

אסטרטגיות מניעה והפחתה

מניעה ומקלה קורוזיה, חמצון וחלודה דורשת גישה מרובת פנים. זה כרוך בבחירת חומרים מדוקדקת, שיקולי תכנון, טיפולי מגן, בקרת סביבה ומעקב קבוע.

בחירה ועיצוב חומרים

אחת הדרכים היעילות ביותר למניעת קורוזיה היא באמצעות חומרים העמידים אליו מטבעו. כמה דוגמאות לסגסוגות עמידות בפני קורוזיה כוללות:

• נירוסטה

• אֲלוּמִינְיוּם

• טִיטָן

• סגסוגות נחושת-ניקל

חומרים אלה יוצרים שכבת תחמוצת מגן על פני השטח שלהם, המסייעת במניעת קורוזיה נוספת.

העיצוב ממלא גם תפקיד מכריע במזעור הקורוזיה. מהנדסים צריכים:

• הימנע מפינות חדות ונקיקים שבהם חומרים מאכלים יכולים להצטבר

• להבטיח ניקוז נכון למניעת מים עומדים

• השתמש במפרקים מרותכים במקום חיבורים בורג או מסמרת במידת האפשר

ציפויים וטיפולים מגנים

החלת ציפויים וטיפולים מגנים על פני חומר יכולה לסייע במניעת קורוזיה. כמה שיטות נפוצות כוללות:

• צבעים ושמנים : אלה יוצרים מחסום בין המתכת לסביבה, ומונעים חשיפה לסוכנים מאכלים.

• גלוון : זה כרוך בציפוי ברזל או פלדה עם שכבה של אבץ, אשר מקריבים את ההקרבה כדי להגן על המתכת הבסיסית.

• אלקטרוליטי : זה מפקיד שכבה דקה של מתכת עמידה בפני קורוזיה יותר, כמו כרום או ניקל, על פני מתכת אחרת.

• אנודיזציה : תהליך זה יוצר שכבת תחמוצת עבה ומגנה על פני המתכות כמו אלומיניום.

• פסיבציה : זה כרוך בטיפול במשטח המתכת עם תמיסה כימית לשיפור היווצרות שכבת תחמוצת מגן.

בקרה סביבתית

שליטה בסביבה יכולה לסייע במזעור החשיפה לסוכני קורוזיביות. אסטרטגיות מסוימות כוללות:

• שמירה על רמות לחות נמוכות להפחתת הלחות באוויר

• ויסות הטמפרטורה כדי למנוע תנודות קיצוניות שיכולות להאיץ קורוזיה

• באמצעות מסדרי לחות, מזגנים או תנורי חימום כדי לשלוט בסביבה

• אחסון חומרים באזורים יבשים ומאודדים הרחק מחומרים מאכלים

ניטור ובדיקה של קורוזיה

ניטור ובדיקה קבועים יכולים לסייע באיתור קורוזיה מוקדם, ומאפשר התערבות בזמן. זה כרוך:

• בדיקת ויזואלית של משטחים לסימני קורוזיה, כמו שינוי צבע, בור או מתקלף

• שימוש בשיטות בדיקה לא הרסניות, כגון מדידת עובי קולי או רדיוגרפיה, כדי להעריך את מידת הקורוזיה מבלי לפגוע בחומר

• שמירה על רישומים מפורטים של תוצאות בדיקה כדי לעקוב אחר התקדמות הקורוזיה לאורך זמן

התקדמות במניעת קורוזיה וטכנולוגיה

ככל שהקרב נגד קורוזיה נמשך, חוקרים ומהנדסים מפתחים פתרונות חדשניים למניעה והפחתת השפעותיו. התקדמות זו נעה בין ציפויים בעלי ביצועים גבוהים ועד מערכות ניטור בזמן אמת וחומרים חדשים.

פיתוח ציפויים בעלי ביצועים גבוהים

תחום אחד של התקדמות משמעותית הוא פיתוח ציפוי מגן מתקדם. ציפויים אלה מספקים עמידות מעולה לקורוזיה, בלאי והתקפה כימית. כמה דוגמאות בולטות כוללות:

• ציפוי אפוקסי ופוליאוריטן : אלה מציעים הידבקות, עמידות ועמידות מצוינות ללחות וכימיקלים. הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים וימיים.

• ציפוי פלואורופולימר : ידוע בזכות ההתנגדות הכימית יוצאת הדופן שלהם ותכונות החיכוך הנמוכות, ציפוי פלואורופולימר, כמו PTFE (טפלון), הם אידיאליים לסביבות קשות.

• ציפויים עם ריפוי עצמי בהשראת ביו : ציפויים חדשניים אלה מחקים את התכונות לריפוי עצמי של אורגניזמים חיים. הם מכילים כמוסות מיקרוסקופיות מלאות בסוכני ריפוי שמשתחררים כאשר הציפוי נפגע, ומאפשרים לו לתקן את עצמו.

הגנה קתודית וטכנולוגיות מעכבי קורוזיה

הגנה קתודית היא שיטה מבוססת למניעת קורוזיה במבני מתכת. זה כרוך ביישום זרם חשמלי קטן על המתכת, מה שהופך אותו לקתודה בתא אלקטרוכימי. זה מונע את המתכת להתפלל.

מעכבי קורוזיה הם חומרים שכאשר הם מתווספים לסביבה מאכלת, מקטינים את קצב הקורוזיה. הם פועלים על ידי יצירת סרט מגן על פני המתכת או על ידי שינוי הכימיה של הסביבה.

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות אלה כוללות:

• מערכות הגנה קתודיות עכשוויות הרשימות המשתמשות בכוח סולארי או במקורות אנרגיה מתחדשים אחרים

• מעכבי קורוזיה אורגנית הנגזרים מתמציות צמחים ומקורות ידידותיים לסביבה אחרים

• ציפויים חכמים המשלבים מעכבי קורוזיה ומשחררים אותם בעת הצורך

ניטור קורוזיה בזמן אמת ומערכות אזהרה מוקדמות

איתור קורוזיה מוקדם הוא קריטי למניעת כישלונות קטסטרופלים. מערכות ניטור בזמן אמת משתמשות בחיישנים כדי למדוד ברציפות פרמטרים שונים הקשורים לקורוזיה, כגון:

• פוטנציאל אלקטרוכימי

• זרם קורוזיה

• גורמים סביבתיים (טמפרטורה, לחות, pH)

מערכות אלה יכולות להתריע למפעילים כאשר שיעורי הקורוזיה עולים על רמות מקובלות, ומאפשרות התערבות בזמן. מערכות מתקדמות מסוימות אפילו משתמשות באלגוריתמים למידת מכונות כדי לחזות שיעורי קורוזיה על בסיס נתונים היסטוריים.

חומרים וטכניקות חדשות למניעת קורוזיה בסביבות ימיות

סביבות ימיות מאתגרות במיוחד כשמדובר במניעת קורוזיה. השילוב של מי מלח, עיכוב ביולוגי ולחץ מכני יכול להשפיל במהירות אפילו את החומרים החזקים ביותר.

החוקרים מפתחים חומרים וטכניקות חדשות לטיפול באתגרים אלה, כגון:

• סגסוגות עמידות בפני קורוזיה המכילות רמות גבוהות של כרום, ניקל ומוליבדן

• חומרים מורכבים המשלבים את חוזק המתכות עם עמידות בפני קורוזיה של פולימרים

• ציפויים ננו-מבניים היוצרים משטח סופר-הידרופובי, ומונעים מהדבקות במים וחומרים מאכלים אחרים למתכת

• שיטות בקרת קורוזיה אלקטרוכימית, כגון הגנה קתודית נוכחית ואנודות הקרבה

מַסְקָנָה

קורוזיה, חמצון וחלודה קשורים לתהליכים קשורים אך ברורים שיכולים להשפיע באופן משמעותי על חומרים ומבנים. בעוד שחמצון הוא תגובה כימית רחבה, קורוזיה משפילה באופן ספציפי חומרים, וחלודה משפיעה רק על ברזל וסגסוגותיו.

הבנת ההבדלים הללו היא קריטית לשמירה על בטיחותם ואריכות החיים של נכסים שונים. מחקר מתמשך במדעי קורוזיה נועד לפתח אסטרטגיות וטכנולוגיות מניעה חדשות למאבק באתגרים מתמשכים אלה.