كيف يتكون صدأ الحديد

الحديد

يُعدّ الحديد (بالإنجليزيّة: Iron) أحد فلزات عناصر المجموعة الثامنة في الجدول الدوري، والذي يحمل العدد الذري 26، وهو أرخص الفلزات ، وأكثرها استخداماً، والذي يشكّل نسبة 5% من القشرة الأرضية، كما يحتل المركز الثاني بين الفلزات في الوفرة، ويبلغ متوسط كمية الحديد في جسم الإنسان 4.5 جراماً تقريباً يتمثل حوالي 65% منها في صورة هيموجلوبين الدم ، والذي يلعب دوراً كبيراً في جسم الإنسان كنقل جزيئات الأكسجين من الرئتين إلى جميع أجزاء الجسم.

يشكّل الحديد العديد من المركبات كالأكاسيد، والتي تكون على ثلاثة مركبات أكسيد الحديدوز ذو اللون الأخضر المائل للسواد، والذي يُستخدم بشكل أساسي في صبغ النظارات، وأكسيد فيرو فيريريك، والذي يوجد كبلورات سوداء وحمراء اللون، ويتميز بامتلاكه للخصائص المغناطيسية، وأكسيد الحديديك الذي يكون على شكل مسحوق بني محمر إلى أسود، ويعدّ أساساً لسلسلة أصباغ تتراوح بين اللون الأصفر إلى اللون الأحمر البندقي، ويكون عدداً من الهيدرات ذات التراكيب والبنيات المتغيرة كصدأ الحديد .

صدأ الحديد وتكوّنه

يشير مفهوم الصدأ (بالإنجليزيّة: Rust) تحديداً إلى أكاسيد الحديد أو سبائكه كالفولاذ، والذي يتشكل بلونه الأحمر الشائع عند تفاعل الأكسجين مع الحديد بوجود الماء، كما قد يظهر بعدة ألوان أخرى كالبني، والأصفر، والبرتقالي، والأخضر أيضاً، ولا يحدث صدأ الحديد في الهواء الجاف على الرغم من أنّه يتكون من 20% تقريباً من الأكسجين، بل يتطلب وجود الهواء الرطب لإتمام ذلك.

تعدّ عملية تكوّن الصدأ مثالاً على التآكل (بالإنجليزيّة: corrosion) الذي يشكل عمليةً كهروكيميائية تتكون من مصعد anode، وهو قطعة معدنية سهلة التخلي عن إلكتروناتها، ومهبط Cathode وهو قطعة من المعدن تستقبل الإلكترونات بسهولة، بالإضافة إلى الإلكتروليت (بالإنجليزيّة:electrolyte)، والذي يشكل السائل المُساعد على تحريك الإلكترونات ، فعندما يتآكل المعدن يساعد الإلكتروليت على تزويد المصعد بالأكسجين، والذي يتفاعل معه مُطلقاً الإلكترونات التي تنتقل خلال الإلكتروليت لتصل إلى المهبط، مما يؤدي إلى تحلل واختفاء المعدن المكوَن للمصعد من خلال التدفق الكهربائي، أو تحويله إلى أيونات موجبة cations معدنية على صورة الصدأ.

في تكوّن صدأ الحديد يتفاعل الماء (الذي يشكّل إلكرتوليتاً جيداً) مع ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء لتكوين حمض الكربونيك carbonic acid الضعيف، والذي يعدّ إلكتروليتاً أفضل، وعند تحلل الحديد، وتكوّن الحمض يتحلل بعض الماء إلى مكوناته الأساسية وهي الأكسجين والهيدروجين، فيرتبط الأكسجين الحر مع الحديد لتشكيل أكسيد الحديد في عملية تحرر الإلكترونات من المصعد المكوّن من الحديد، والتي تنتقل إلى المهبط الذي قد يكون معدناً آخر أقل تفاعلاً كهربائياً، أو نقطةً أخرى توجد على نفس قطعة الحديد، وتعدّ المركبات الكيميائية التي تحتوي عليها السوائل المختلفة كالمطر الحمضي ، ومياه البحر محاليل إلكتروليتية أفضل من الماء النقي، حيث يساهم وجودها في تسريع تكوّن صدأ الحديد، أو الأشكال الأخرى من التأكل للمعادن المختلفة،وتتمثل التفاعلات الكهروكيميائية المكوّنة للصدأ في ما يأتي:

• أكسدة الحديد في محلول مائي، والذي يتمثل في المعادلة: (-2Fe→ 2Fe2 4e).
• اختزال المهبط للأكسجين المُذاب في الماء كما في المعادلة: (-O2 2H2O 4e - → 4OH).
• تفاعل أيونات الحديد والهيدروكسيد لتكوين هيدروكسيد الحديد كما في المعادلة: (2Fe2 4OH- → 2Fe(OH)2).
• تفاعل أكسيد الحديد مع الأكسجين لتكوين الصدأ ذو اللون الأحمر (Fe2O3.H2O).

حماية الحديد من الصدأ

يُمكن حماية الحديد من الصدأ باتباع العديد من الطرق، ومنها ما يأتي:

• الكلفنة: تُعرف الجلفنة أو الكلفنة (بالإنجليزيّة: Galvanization) بأنها العملية التي يتم من خلالها طلاء الفولاذ وتغليفه بطبقة رقيقة من معدن آخر، ويعدّ الزنك المعدن الشائع الاستخدام في الجلفنة؛ نظراً لالتصاقه المُحكم بالفولاذ، وكونه رخيصاً، وسهل الصقل، والذي يُشكل عند استخدامه أكسيداً يعمل كعازل لمنع أكسدة السطح.
• الحماية المهبطية: تعد الحماية المهبطية أو الكاثودية (بالإنجليزيّة: cathodic protection) إحدى تقنيات حماية الحديد من الصدأ، والتي يشكل الحديد فيها المهبط، بينما يشكل أحد المعادن الأخرى، والذي يكون عادةً الزنك أو المغنيسيوم المصعد، حيث يتم وضعه قريباً من الحديد، وعند وجود الماء وملامسته للحديد فإنه سيلامس الزنك أو المغنسيسوم أيضاً، مما يؤدي إلى تدفق تيار الإلكترونات بين القطبين، وبالتالي فإن الزنك أو المغنيسيوم سيتآكل، ويبقى الحديد سليماً.
• التسويد: يعدّ التسويد (بالإنجليزيّة: Bluing) إحدى التقنيات المُستخدمة لمقاومة الصدأ بشكل محدود في المواد الفولاذية الصغيرة كالأسلحة النارية.
• التخميل: يعرف التخميل أو كبت الفاعلية (بالإنجليزيّة: Passivation) بأنه عملية تغليف الحديد بطبقة غير متفاعلة صلبة تمنع تآكله، وتتكون هذه الطبقة عادةً من الأكاسيد، أو النيترويد تحت الظروف الطبيعية من الرقم الهيدروجيني، وتركيز الأكسجين، وتكون هذه الطبقة رقيقة بحيث لا تُخفي لمعان الحديد، ويمكن إعادة تكوينها مرةً أخرى عند خدشها، كما أنها تكون غير منفذة للماء والهواء، ويُستخدم التخميل لتحويل الفولاذ إلى فولاذ مقاوم للصدأ، بالإضافة إلى حماية العديد من المواد الأخرى كالمغنيسيوم، والنحاس، والزنك، والتيتانيوم، والألمنيوم، والسيليكون.
• الطلاء: يمكن استخدام الطلاء لعزل المعادن عن الظروف البيئية.
• الوقاية: يُمكن اتخاذ احتياطات الوقاية لحماية الحديد من تكوّن الصدأ كالحفاظ على نظافة السيارات من الأوساخ والمخلفات التي قد تحجز الرطوبة، وتجفيفها بعد غسلها، ووضعها في الشمس لبضع ساعات في فصل الشتاء لضمان تعرضها للهواء الجاف.
• التشحيم: يمكن استخدام زيوت التشحيم لطلاء الأجزاء القابلة للتآكل في الهياكل الكبيرة كالسفن والسيارات، والتي قد تحتوي على مواد كيميائية تمنع تكوّن الصدأ، وتشكّل حاجزاً لحماية الحديد.