الصدأ

عندما يلامس الحديد الماء والأكسجين، فإنه يصدأ. ^{[ 5 ]} في حال وجود الملح ، كما في مياه البحر أو رذاذ الملح ، يميل الحديد إلى الصدأ بسرعة أكبر نتيجةً للتفاعلات الكيميائية. لا يتأثر الحديد المعدني نسبيًا بالماء النقي أو بالأكسجين الجاف. وكما هو الحال مع المعادن الأخرى، كالألومنيوم، تحمي طبقة أكسيد متماسكة، تُعرف بطبقة التخميل ، الحديد من المزيد من الأكسدة. وينتج تحول طبقة أكسيد الحديدوز المُخَمِّلة إلى صدأ عن التأثير المشترك لعاملين، عادةً الأكسجين والماء.

من المحاليل الأخرى المسببة للتآكل ثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكربون في الماء. في ظل هذه الظروف المسببة للتآكل، تتشكل مركبات هيدروكسيد الحديد . على عكس أكاسيد الحديدوز، لا تلتصق الهيدروكسيدات بالمعدن الأساسي. ومع تشكلها وانفصالها عن السطح، ينكشف حديد جديد، وتستمر عملية التآكل حتى يُستهلك كل الحديد أو يُزال كل الأكسجين والماء وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت من النظام أو يُستهلك. ^{[ 6 ]}

عندما يصدأ الحديد، تشغل الأكاسيد حجماً أكبر من حجم المعدن الأصلي؛ ويمكن أن يُولّد هذا التمدد قوى هائلة تُلحق الضرر بالمنشآت المصنوعة من الحديد. انظر إلى الأثر الاقتصادي لمزيد من التفاصيل.

يُعدّ صدأ الحديد عملية كيميائية كهربائية تبدأ بانتقال الإلكترونات من الحديد إلى الأكسجين. ^{[ 7 ]} يعمل الحديد كعامل مُختزل (يفقد الإلكترونات) بينما يعمل الأكسجين كعامل مؤكسد (يكتسب الإلكترونات). يتأثر معدل التآكل بالماء، ويتسارع بوجود الإلكتروليتات ، كما يتضح من تأثير ملح الطرق على تآكل السيارات. التفاعل الرئيسي هو اختزال الأكسجين.

O₂ + ⁴ e⁻ + ₂ H₂O → 4 OH⁻_​^​   

نظرًا لتكوين أيونات الهيدروكسيد ، تتأثر هذه العملية بشدة بوجود الحمض. وبالمثل، يتسارع تآكل معظم المعادن بفعل الأكسجين عند انخفاض الرقم الهيدروجيني . ويتم توفير الإلكترونات اللازمة للتفاعل المذكور أعلاه من خلال أكسدة الحديد، والتي يمكن وصفها كما يلي:

Fe → Fe ²⁺ + 2 e ⁻ 

يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال التالي أيضًا في وجود الماء وهو أمر بالغ الأهمية لتكوين الصدأ:

4  Fe ²⁺ + O ₂ → 4  Fe ³⁺ + 2  O ²⁻

بالإضافة إلى ذلك، تؤثر تفاعلات الحمض والقاعدة متعددة الخطوات التالية على مسار تكوين الصدأ:

Fe²⁺ + 2 ^H₂O ⇌ _Fe (OH) ^₂ ₊ 2 H⁺  

Fe³⁺ + 3 H₂O _⇌ ^Fe (OH) ^₃ ₊ 3 H⁺  

وكذلك توازنات الجفاف التالية :

Fe ₍ OH) ₂ _⇌ FeO + H₂O

Fe ₍ OH) _₃ ⇌ FeO(OH) + H₂O

2  FeO(OH) ⇌ Fe ₂ O ₃ + H ₂ O

يتضح من المعادلات السابقة أن نواتج التآكل تتحدد بتوافر الماء والأكسجين. ففي ظل محدودية الأكسجين المذاب، تُفضَّل المواد المحتوية على الحديد الثنائي، بما في ذلك أكسيد الحديد الثنائي (FeO) _{والمغناطيس} الأسود أو المغنتيت ( Fe3O4 ) _. أما في ظل تركيزات الأكسجين العالية، فتُفضَّل _{المواد الحديدية الثلاثية ذات الصيغة الاسمية Fe(OH)3−xOx⁄2} . _وتتغير طبيعة الصدأ _{بمرور الوقت} ، _مما يعكس بطء معدلات تفاعلات المواد الصلبة. ^{[ 5 ]}

علاوة على ذلك، تتأثر هذه العمليات المعقدة بوجود أيونات أخرى، مثل Ca ²⁺ ، والتي تعمل كإلكتروليتات تعمل على تسريع تكوين الصدأ، أو تتحد مع هيدروكسيدات وأكاسيد الحديد لترسيب مجموعة متنوعة من أنواع Ca وFe وO وOH.

يمكن أيضًا الكشف عن بداية الصدأ في المختبر باستخدام محلول مؤشر الفيروكسيل . يكشف هذا المحلول عن أيونات الحديد الثنائي (Fe²⁺ ⁾ وأيونات الهيدروكسيل. ويُشير ظهور بقع زرقاء إلى تكوّن أيونات الحديد الثنائي، ^بينما يُشير ظهور بقع وردية إلى تكوّن أيونات الهيدروكسيل.

يشكّل الفولاذ المقاوم للصدأ ^طبقة تخميل من أكسيد الكروم (III) . ^{[ 8 ] [ 9 ]} ويحدث سلوك تخميل مماثل مع المغنيسيوم والتيتانيوم والزنك وأكاسيد الزنك والألومنيوم والبولي أنيلين وغيرها من البوليمرات الموصلة النشطة كهربائياً . [ ^{10 ]}

تصدأ سبائك الفولاذ المقاومة للعوامل الجوية ، مثل فولاذ كورتن، بمعدل أبطأ بكثير من الفولاذ العادي، لأن الصدأ يلتصق بسطح المعدن مكونًا طبقة واقية. يجب أن تتضمن التصاميم التي تستخدم هذا الفولاذ تدابير لتجنب أسوأ الظروف المناخية، حيث يستمر الفولاذ في الصدأ ببطء حتى في ظل ظروف شبه مثالية. ^{[ 11 ]}

تتضمن عملية الجلفنة تطبيق طبقة من الزنك المعدني على الجسم المراد حمايته، إما بالغمس الساخن أو بالطلاء الكهربائي . يُستخدم الزنك تقليديًا لرخص ثمنه، والتصاقه الجيد بالفولاذ، وتوفيره حماية كاثودية لسطح الفولاذ في حال تلف طبقة الزنك. في البيئات الأكثر تآكلًا (مثل المياه المالحة)، يُفضل استخدام طلاء الكادميوم بدلًا من المعدن الأساسي المحمي. تُستهلك طبقة الزنك الواقية في هذه العملية، وبالتالي توفر الجلفنة حماية لفترة محدودة فقط.

تُضاف طبقة من الألومنيوم إلى الطلاءات الحديثة على شكل زنك-ألومنيوم ؛ حيث ينتقل الألومنيوم ليغطي الخدوش، موفرًا بذلك حمايةً تدوم لفترة أطول. تعتمد هذه الطرق على حماية أكاسيد الألومنيوم والزنك للسطح المخدوش، بدلًا من تأكسدها كقطب تضحية كما في الطلاءات المجلفنة التقليدية. في بعض الحالات، كالبيئات شديدة التآكل أو عند طول عمر التصميم، يُستخدم كل من الزنك والطلاء معًا لتعزيز الحماية من التآكل.

تتكون عملية الجلفنة النموذجية للمنتجات الفولاذية المعرضة للعوامل الجوية اليومية في البيئة الخارجية من طبقة زنك مغموسة ساخنة بسمك 85 ميكرومتر . في ظل الظروف الجوية العادية، تتدهور هذه الطبقة بمعدل 1 ميكرومتر سنويًا، مما يوفر حماية لمدة 85 عامًا تقريبًا. ^{[ 12 ]}  

الحماية الكاثودية هي تقنية تُستخدم لمنع التآكل في المنشآت المدفونة أو المغمورة، وذلك بتوفير شحنة كهربائية تُثبط التفاعل الكهروكيميائي. عند تطبيقها بشكل صحيح، يمكن إيقاف التآكل تمامًا. في أبسط صورها، تُحقق هذه التقنية بربط مصعد تضحية، مما يجعل الحديد أو الفولاذ بمثابة المهبط في الخلية المتكونة. يجب أن يُصنع مصعد التضحية من مادة ذات جهد قطبي سالب أعلى من الحديد أو الفولاذ، وعادةً ما تكون الزنك أو الألومنيوم أو المغنيسيوم. سيتآكل مصعد التضحية تدريجيًا، ويتوقف عن أداء وظيفته الوقائية ما لم يتم استبداله في الوقت المناسب.

يمكن أيضًا توفير الحماية الكاثودية باستخدام تيار كهربائي مطبق. ويُعرف هذا النوع حينها باسم الحماية الكاثودية بالتيار المفروض (ICCP). ^{[ 13 ]}

يمكن التحكم في تكوّن الصدأ باستخدام طلاءات ، مثل الدهانات والورنيش واللك أو أشرطة الشمع [ ^{14 ] التي} تعزل الحديد عن البيئة المحيطة. ^{[ 15 ]} غالبًا ما تُحقن في الهياكل الكبيرة ذات المقاطع الصندوقية المغلقة، كالسفن والسيارات الحديثة، مادة شمعية (تُعرف تقنيًا باسم "زيت التشحيم"). تحتوي هذه المعالجات عادةً على مثبطات للصدأ. يوفر تغطية الفولاذ بالخرسانة بعض الحماية له نظرًا لبيئة الرقم الهيدروجيني القلوي عند سطح التماس بين الفولاذ والخرسانة. مع ذلك، يظل صدأ الفولاذ داخل الخرسانة مشكلة، إذ يمكن أن يتسبب الصدأ المتمدد في تشقق الخرسانة من الداخل. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

كمثال وثيق الصلة، استُخدمت مشابك حديدية لربط كتل الرخام خلال محاولة ترميم البارثينون في أثينا، اليونان ، عام ١٨٩٨، لكنها تسببت في أضرار جسيمة للرخام نتيجة الصدأ وتورم الحديد غير المحمي. كان البناؤون اليونانيون القدماء قد استخدموا نظام تثبيت مماثلًا لكتل ​​الرخام أثناء البناء، إلا أنهم صبوا أيضًا الرصاص المنصهر فوق وصلات الحديد لحمايتها من الصدمات الزلزالية والتآكل. نجحت هذه الطريقة مع هذا الصرح الذي يبلغ عمره ٢٥٠٠ عام، ولكن في أقل من قرن، أصبحت هذه الترميمات البدائية مُعرَّضة لخطر الانهيار الوشيك. ^{[ ١٨ ]} عندما تكون هناك حاجة إلى حماية مؤقتة فقط للتخزين أو النقل، يمكن وضع طبقة رقيقة من الزيت أو الشحم أو خليط خاص مثل الكوزمولين على سطح الحديد. تُستخدم هذه المعالجات على نطاق واسع عند " تخزين " السفن الفولاذية أو السيارات أو غيرها من المعدات لفترات طويلة.

تتوفر خلطات خاصة مضادة للتآكل تُستخدم على الخيوط المعدنية والأسطح الأخرى المصنعة بدقة لحمايتها من الصدأ. تحتوي هذه المركبات عادةً على شحم ممزوج بمسحوق النحاس أو الزنك أو الألومنيوم، ومكونات أخرى خاصة. ^{[ 19 ]}

التزجيج هو أسلوب يمكن أن يوفر مقاومة محدودة للصدأ للأشياء الفولاذية الصغيرة، مثل الأسلحة النارية؛ ولكي ينجح، يتم فرك زيت طارد للماء على الفولاذ المزرق والفولاذ الآخر.

يمكن استخدام مثبطات التآكل، مثل المثبطات الغازية أو المتطايرة، لمنع التآكل داخل الأنظمة المغلقة. لكنها تفقد فعاليتها عندما يؤدي دوران الهواء إلى تشتيتها ودخول الأكسجين والرطوبة.

يمكن تجنب الصدأ عن طريق التحكم في الرطوبة في الجو. ^{[ 20 ]} ومن الأمثلة على ذلك استخدام أكياس جل السيليكا للتحكم في الرطوبة في المعدات التي يتم شحنها عن طريق البحر.