زنگ زدن آهن چیست و چگونه می توان از آن جلوگیری کرد؟

زنگ زدن آهن چیست؟

زنگ آهن نامی متداول برای ترکیب علمی اکسید آهن با فرمول شیمیایی Fe2O3  است. آهن بسیار راحت با اکسیژن ترکیب می شود، در واقع آهن خالص به ندرت در طبیعت یافت می شود زیرا به سرعت با اکسیژن موجود در هوا واکنش می دهد. فرآیند زنگ زدن آهن را می توان در اکثر سازه های آهنی که در معرض آب و هوا قرار دارند مشاهده نمود، با استفاده از حلال زنگ آهن در مراحل اولیه می توان از تخریب فلزات جلوگیری کرد. در ادامه به بررسی این فرآیند، روش های جلوگیری از آن و در نهایت حلال های رایج برای از بین بردن زنگ آهن را بررسی خواهیم نمود:

زنگ زدن آهن (یا فولاد) یک نمونه از خوردگی فلزات است که یک فرآیند الکتروشیمیایی بوده و سه جزء اساسی دارد :

  1. آند : قطعه ای از فلز که به راحتی الکترون ها را از دست می دهد
  2. الکترولیت : مایع که به حرکت الکترونها کمک می کند
  3. کاتد: قطعه ای از فلز که به راحتی الکترون ها را قبول می کند

فرایند تشکیل زنگ آهن چگونه است ؟ 

هنگامی که یک قطعه از فلز دچار خوردگی می شود، الکترولیت به رسیدن اکسیژن به آند کمک می کند. در نتیجه وقتی اکسیژن با فلز ترکیب می شود، الکترون ها آزاد می شوند و آنها از طریق الکترولیت به کاتد جریان می یابند فلز آندی از بین می رود و یا تبدیل به کاتیون فلزی  می شود. برای اینکه آهن تبدیل  به اکسید آهن شود، سه چیز مورد نیاز است: آهن، آب و اکسیژن.

وقتی که یک قطره آب به یک قطعه از آهن می رسد بلافاصله دو اتفاق شروع به رخ دادن می کند :

  1. آب به الکترولیت خوبی تبدیل می شود و با کربن دی اکسید هوا ترکیب می شود و کربنیک اسید رقیقی را تشکیل می دهند که یک الکترولیت به مراتب بهتری محسوب می شود.
  2. با تشکیل شدن اسید و مصرف شدن آهن قسمتی از آب شروع به تجزیه شدن می نماید و به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می گردد. در این فرآیند(آزاد شدن الکترون ها) اکسیژن های آزاد شده و عناصر آهن حل شده با یکدیگر ترکیب شده و پیوند اکسید آهن را تشکیل می دهند و زنگ زدن آهن را پدید می آورند.
فرآیند تشکیل زنگ آهن

واکنش زنگ زدن آهن

هنگامی که یک قطره آب حاوی یک اکسیژن بر روی یک قطعه فولادی می افتد، آهن جامد یا یون آهن (Fe) در سطح تماس قطره ،فرآیند اکسید شدن زیر در آن اتفاق می افتد :

Fe(s) → Fe2+ (aq) + 2e

الکترون ها به سرعت توسط یون های هیدروژن از آب (H2O) و اکسیژن محلول در لبه قطره و مرز تماس آن برای تولید آب مصرف می شوند:

(4e + 4H+ (aq) + O2 (aq) → 2H2O (l

آب اسیدی بیشتر خوردگی را افزایش می دهد. اگر pH خیلی پایین باشد، یونهای هیدروژن به هر حال الکترون ها را مصرف می کنند و به جای آب تولید گاز هیدروژن می کنند:

(2H+ (aq) + 2e →   H2 (g

اما زنگ زدگی کجا اتفاق می افتد؟ معادلات بالا فقط بخش کوچکی از این فرایند را بیان می کند.یون های هیدروژن از طریق این فرآیند مصرف می شوند. به دلیل خورندگی آهن، pH در قطره ها افزایش می یابد.

یون های هیدروکسید (OH-) غلظت یون هیدروژن در آب  را بالا می برند. آنها با یون آهن (II) واکنش دهند تا هیدروکسید آهن (II) نامحلول یا زنگ سبز تولید کنند:

 (Fe2+ (aq) + 2OH(aq) → Fe (OH) 2(s)    (1

یونهای آهن (II) همچنین با یونهای هیدروژن و اکسیژن واکنش میدهند تا یونهای آهن (III) تولید کنند:

(4Fe2+ (aq) + 4H+ (aq) + O2 (aq) → 4Fe3+ (aq) + 2H2O (l

یون آهن (III) با هیدروکسید واکنش می دهد تا اکسید هیدراته آهن (III) به عنوان هیدروکسید آهن (III) شناخته شود را تولید کند :

Fe3+ (aq) + 3OH(aq) →   Fe (OH) 3(s)   (2)

هیدروکسیدهای تولید شده در مراحل (1) و (2) در نهایت دیهیدراته شده و Fe2O3 یا همان اکسید آهن تشکیل می شود. 

روش های جلوگیری از زنگ زدن آهن

برای جلوگیری از زنگ زدن، آهن را می توان برای جلوگیری از واکنش آن با اکسیژن و آب پوشش داد. یکی از این فرایند گالوانیزه نامیده می شود. گالوانیزه معمولا شامل یک پوشش آهن با یک لایه محافظ روی است. لایه روی کمک می کند تا آهن زیر را از واکنش با اکسیژن و آب جلوگیری کند تا زنگ زده شود.

آلیاژ کردن

 از آنجا که زنگ زنگ آهن یک فرایند شیمیایی است که به این دلیل اتفاق می افتد که فلز به حالت شیمیایی پایدار تر می رسد، آلیاژ (مخلوط کردن) آهن با سایر فلزات پایدار یا آلیاژ ها می تواند روند این فرایند غیر مفید را کاهش دهد.

گالوانیزه کردن

گالوانیزه فرایندی است که سال هاست برای محافظت از فولاد زنگ نزن استفاده می شود. در فرآیند گالوانیزه یک قطعه فولاد با روی مایع پوشش داده می شود. روی از فولاد به سه روش مختلف محافظت می کند. اول، پوشش روی به عنوان یک مانع از دسترسی اکسیژن و آب به فولاد عمل می کند. دوم، حتی اگر پوشش خراشیده شود، روی به حفاظت از کاتد کمک می کند تا از مناطق مرزی تماس با فلز محافظت کند. و سوم، زینک نسبت به اکسیژن بسیار واکنش نشان می دهد و به سرعت یک پوشش محافظ اکسید روی را ایجاد می کند که آهن را از اکسیداسیون بیشتری جلوگیری می کند.

فرآیند گالوانیزه کردن آهن

پوشش دهی و نقاشی

پوشش سطح یک شیء فلزی با یک لایه از رنگ یا وارنیش، تماس بین سطح اکسیژن و اتمسفر را از بین می برد و در نتیجه زنگ زدن آن را به تعویق می اندازد. رنگ آمیزی با حذف آب، الکترولیت ها و هوا از فلزات آهنی از زنگ جلوگیری می کند.

کنترل رطوبت

آب، وقتی به یک فلز می رسد دشمن شماره یک آن است، زیرا اکسیژن موجود در مولکول های آب است که با آهن ترکیب می شود تا اکسید آهن تولید شود. به همین دلیل است که فلزات خارج از منزل، مانند خودروها، درها یا مخازن نگهداری دچار این مشکل می شوند. اگر جسم در محيطي مرطوب مانند گاراژ يا زيرزمين قرار گيرد، حتما یک رطوبت گیر را در ان محل قرار دهید. هر نوع گل یا خاکی که در سطح اشیا قرار دارد، می تواند آب و رطوبت را حفظ کند، بنابراین مهم است که فلزات تمیز شوند.

حفاظت کاتدی

در این روش و توسط یک جریان الکتریکی و قرار دادن یک فلز قربانی شونده از خوردگی فلزات جلوگیری می شود. حفاظت کاتدی برای خطوط لوله چه در خشکی و چه در دریا بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.

حلال زنگ آهن :

شستشوی زنگ آهن از سطح فلزات به فرآیند اسید شویی موسوم است که در آن فلز بوسیله یک اسید معدنی شستشو می شود.در طی تماس این اسید معدنی با اکسید آهن یک کمپلکس تولید می شود که عوامل اکسید شونده را در خود حل کرده و بعد از آن می تواند بوسیله آب شستشو داده شود.اسید هایی همچون نیتریک اسید، اسید فسفریک، سولفوریک اسید و… برخی از حلال هایی هستند که می توان از آنها برای حل کردن زنگ آهن استفاده نمود. همچنین برای این کار در محیط های خانگی می توان از آب لیمو (اسید استیک) و سرکه (اسید استیک) بهره گیری کرد.

 

حلال زنگ آهن

منابع :

Helmenstine, A. M. (2018, June 16). How Rust and Corrosion Work. Retrieved March 13, 2019, from https://www.thoughtco.com/how-rust-works-608461

Contributors, H. (2018, March 08). How does rust work? Retrieved March 13, 2019, from https://science.howstuffworks.com/question445.htm

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

صنایع شیمیایی تهران
ارسال با a WhatsApp