خوردگی

خوردگی(Corrosion)، تخریب و از بین رفتن ماده در اثر واکنش با محیط پیرامون خود می باشد. انتخاب مواد برای کاربردهای مورد نظر، بستگی به فاکتورهای مختلفی داشته که یکی از آنها مقاومت مواد در برابر پدیده خوردگی می باشد. در اکثر کاربردهای مهندسی که مقاومت شیمیایی بالایی مورد نیاز است، علاوه بر قیمت و رفتار مکانیکی ماده، مقاومت به خوردگی یکی از مهمترین فاکتورها بوده که خود متاثر از عوامل متالورژیکی می باشد.

چرا باید رخداد پدیده خوردگی در مواد را بررسی کرد؟

یکی از مباحث بسیار مهم علمی، فنی و اقتصادی که نزدیک به 100 سال است که مورد توجه دانشمندان و محققان قرار گرفته و تحقیقات بسیاری روی آن صورت گرفته است، موضوع خوردگی و به ویژه خوردگی فلزات می باشد.

خوردگی پدیده مخرب و هزینه آفرینی بوده که هر ساله موجب هدر رفتن مبالغ هنگفتی از سرمایه کشورها می شود. مصرف روز افزون مواد شیمیایی خورنده همراه با فرایندهای مختلف و بحرانی در واحدهای صنعتی، موجب افزایش رو به رشد زیان های مالی و جانی شده است.

هزینه های تحمیلی و ضررهای اقتصادی ناشی از خوردگی می تواند مستقیم و غیر مستقیم باشد.

برخی از هزینه های اعمالی مستقیم عبارتند از:

• هزینه های سرمایه ای: تعویض قطعات اتومیبل،
• هزینه های کنترل: تعمیر و نگهداری،
• هزینه طراحی: پوشش های محافظ، ممانعت کننده های خوردگی و هزینه های اضافی ناشی از استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی

علاوه بر رخداد پدیده خوردگی در صنایع و قطعات و تجهیزات صنعتی، سلامت و ایمنی انسان نیز تحت الشعاع این پدیده قرار داشته و خوردگی در قطعاتی که به سلامت و ایمنی انسان ها مربوط می باشد،به هیچ عنوان مجاز نبوده و نمی توان از آن چشم پوشید. حتی خوردگی در بخش هایی که غیر مستقیم به سلامتی انسان ها مربوط می شود نیز می بایست کنترل شود.

با توجه به رشد سریع جمعیت و نیاز روزافزون بشر به تولیدات صنعتی، مصرف مواد اولیه افزایش یافته و در پی آن، استخراج  و تولید مواد نیز روند صعودی داشته است. این در حالی ست که محدودیت ذخایر جهانی و کاهش تدریجی آنها به علت استخراج بی رویه، موجب افزایش قیمت و از بین رفتن منابع طبیعی شده که نگرانی ها و مخاطرات بسیاری را در آینده نه چندان دور، در پی خواهد داشت. لذا، جلوگیری از اتلاف مواد و کاهش منابع ذخیره آنها، بسیار ضروری به نظر می رسد.

امروزه که بحث انرژی، حفاظت محیط زیست و صرفه جویی مواد در صدر اولویت های ملی و جهانی قرار دارد، موضوع پایداری شیمیایی مواد در واحدهای صنعتی و قطعات مصرفی اهمیت خاصی داشته و مورد توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است که در پی آن، دانشمدان با بکارگیری روش ها و تکنولوژی های متفاوت و انتخاب مناسب مواد در طراحی ها، درصدد یافتن راه حل های مناسب جهت نیل به این هدف هستند.

واکنش های خوردگی

خوردگی، فرایندی الکتروشیمیایی بوده و این بدان معناست که پدیده خوردگی معمولا با واکنش مستقیم فلز با محیطش رخ نمی دهد بلکه ناشی از واکنش های نیم سل-دوتایی الکتروشیمیایی می باشد.

• نیم واکنش:

در یک نیم واکنش ، الکترون ها در یکی از جهت های واکنش قرار می گیرند:

اگر الکترون ها جز محصولات باشند (جهت راست واکنش)، به این نیم واکنش سلولی، نیم واکنش اکسیداسیون می گویند.

اگر الکترون ها جز واکنش دهنده ها باشند ( جهت چپ واکنش)، این نیم واکنش، نیم واکنش احیایی می باشد.

• نیم واکنش آندی

کاهش وزن در واکنش آندی رخ می دهد که نمونه های آن در ذیل آمده است:

Fe(s) → Fe²⁺ (aq) + 2e^-

Al (s) → Al³⁺(aq) + 3e^-

2Cu (s) + H₂O (l) → Cu₂O(s) + 2H⁺(aq) + 2e^-

(s): جامد

(aq): آبی

(l) : مایع

هر سه نوع این واکنش ها به دلایل زیر از نوع اکسیداسیون هستند :

1- افزایش عدد اکسیداسیون

2- تولید الکترون توسط واکنش

• نیم واکنش کاتدی

در واکنش کاتدی:

1- کاهش عدد اکسیداسیون

2- الکترون ها توسط واکنش مصرف می شوند

مثالی در مورد واکنش کاتدی، احیا دو یون هیدروژن و تبدیل شدن به دو مول گاز هیدروژن می باشد.

2H⁺ (aq) + 2e^- → H₂(g)

این واکنش غالب در محیط های اسیدی می باشد. شکل زیر شماتیک واکنش احیایی فوق را نشان می دهد.

واکنش کاتدی معمول دیگر، احیا اکسیژن محلول به یون هیدروکسیل بوده که در محلول های بازی و خنثی رخ می دهد:

O₂(g) + 2H₂O +4e^- → 4OH^-

• واکنش الکتروشیمیایی دو طرفه

روی سطح فلزی، واکنش های آندی و کاتدی در مکان های مختلف رخ می دهد. شکل زیر، رفتار سطح آهنی غوطه ور در محیط محلول اسید را نشان می دهد. اتم های آهن به شکل Fe2+ وارد محلول شده، دو الکترون تولیدی توسط این نیم واکنش در جای دیگر روی سطح مصرف شده و دو یون هیدروژن را به مولکول H2 تبدیل می کند.

واکنش آندی: Fe → Fe²⁺ + 2e^-

واکنش کاتدی: H⁺ + 2e^- → 2H₂

____________________________________

واکنش کلی: Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂

سه نکته مهم در بررسی خوردگی الکتروشیمیایی

1- pH

اندازه گیری میزان اسیدیته (یا درجه قلیایی بودن) یک محلول را گویند که به صورت رابطه زیر بیان می شود:

pH = -log[H⁺] = log1/[H⁺]

که [H⁺] غلظت یون هیدروژن در محلول است. محلول های خنثی pH برار 7.0 داشته در حالیکه محلول های اسیدی  کمتر از 7.0 بوده و محلول های قلیایی (باز)، pH بزرگتر از 7 دارند. بیشتر محلول ها، pH بین 0 تا 14 داشته اما مقادیر کمتر و بیشتر نیز ممکن می باشد. به عنوان مثال pH اسید هیدروکلریک 12 مولار برابر با 1.1 - است.

غلظت یون هیدروژن و یون هیدروکسیل در محلول های آبی با واکنش زیر مرتبط است:

K_w = [H⁺][OH^-] = 1.0 × 10

که K_w ثابت یونیزاسیون آب است.

2- قانون فارادی Faraday’ Law

پدیده خوردگی شامل انتقال بار یا جرم در فصل مشترک فلز-محلول می باشد. واحد بار کلمب ، واحد جرم، گرم بوده که از تعداد اکی والان گرم های فلز از دست رفته و وزن اکی والان فلز بدست می آید:

F = 96500C/ equivalent

بنابر قانون فاراده، جرم فلز خورده شده برابر است با :

W = ItA/nF

I = جریان بر حسب آمپر

t= زمان بر حسب ثانیه

A = وزن اتمی فلز

n= تعداد اکی والان منتقل شده بر حسب مول فلز

3- واحدهای بیان سرعت خوردگی

واحدهای معمول بیان دانسیته جریان خوردگی، عبارتند از میکرو آمپر بر سانتی متر مربع، میلی آمپر بر سانتی متر مربع و امپر بر مترمربع. گاهی سرعت خوردگی را به صورت نرخ نفوذ یکنواخت بیان می کنند. واحدهای آن برابر است با ipy( اینچ در سال)، ، اینچ در ماه، و مایل در سال (1 مایل = 0.001 اینچ).

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

E.E. Stansbury, R.A. Buchanan, Fundamentals of Electrochemical Corrosion, ASM International,2000

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است