زنگ زدن آهن زنگ زدن آهن زنگ زدن آهن به تشکیل زنگ، مخلوطی از اکسیدهای آهن، بر روی سطح اجسام یا سازه های آهنی اشاره دارد. این زنگ از واکنش ردوکس بین اکسیژن و آهن در محیطی حاوی آب (مانند هوای حاوی سطوح بالایی از رطوبت) به وجود می آید. زنگ زدگی آهن با تشکیل لایه ای از یک ماده قرمز و پوسته پوسته مشخص می شود که به راحتی به پودر تبدیل می شود. این پدیده یک مثال عالی از خوردگی فلزات است که در آن سطوح فلزات به اکسیدهای شیمیایی پایدار تری تبدیل می شوند. با این حال، اصطلاح زنگ زدگی معمولاً برای اشاره به خوردگی اجسام ساخته شده از آهن یا آلیاژهای آهن استفاده می شود. شیمی پشت زنگ زدن آهن چیست؟ قرار گرفتن آهن (یا آلیاژ آهن) در برابر اکسیژن در مجاورت رطوبت منجر به تشکیل زنگ می شود. این واکنش آنی نیست، به طور کلی در یک بازه زمانی قابل توجهی ادامه می یابد. اتم های اکسیژن با اتم های آهن پیوند می خورند و در نتیجه اکسیدهای آهن تشکیل می شود. این امر باعث تضعیف پیوندهای بین اتم های آهن در جسم/ساختار می شود. واکنش زنگ زدگی آهن شامل افزایش حالت اکسیداسیون آهن است که با از دست دادن الکترون همراه است. زنگ عمدتاً از دو اکسید مختلف آهن تشکیل شده است که در حالت اکسیداسیون اتم آهن متفاوت است. این اکسیدها عبارتند از: اکسید آهن (II) یا اکسید آهن. حالت اکسیداسیون آهن در این ترکیب +2 و فرمول شیمیایی آن FeO است. اکسید آهن (III) یا اکسید آهن، که در آن اتم آهن حالت اکسیداسیون +3 را نشان می دهد. فرمول شیمیایی این ترکیب Fe2O3 است. اکسیژن یک عامل اکسید کننده بسیار خوب است در حالی که آهن یک عامل کاهنده است. بنابراین، اتم آهن وقتی در معرض اکسیژن قرار می گیرد، به راحتی الکترون ها را از دست می دهد. واکنش شیمیایی توسط: Fe → Fe2+ + 2e– در صورت وجود آب، حالت اکسیداسیون آهن توسط اتم اکسیژن بیشتر می شود. 4Fe2+ + O2 → 4Fe3+ + 2O2- اکنون، واکنش های اسید-باز زیر بین کاتیون های آهن و مولکول های آب رخ می دهد. Fe2+ + 2H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2H+ Fe3+ + 3H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3H+ هیدروکسیدهای آهن نیز از واکنش مستقیم بین کاتیونهای آهن و یونهای هیدروکسید به وجود می آیند. O2 + H2O + 4e– → 4OH– Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2 Fe3+ + 3OH– → Fe(OH)3 هیدروکسیدهای حاصل از آهن در حال حاضر دچار کم آبی می شوند تا اکسیدهای آهنی تولید کنند که زنگ می زند. این فرآیند شامل واکنش های شیمیایی بسیاری است که برخی از آنها در زیر ذکر شده است. Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O 4Fe(OH)2 + O2 + xH2O → 2Fe2O3.(x+4)H2O Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O یک شباهت بین تمام واکنش های شیمیایی ذکر شده در بالا این است که همه آنها به وجود آب و اکسیژن وابسته هستند. بنابراین، زنگ زدگی آهن را می توان با محدود کردن میزان اکسیژن و آب اطراف فلز کنترل کرد. چرا زنگ زدن یک پدیده نامطلوب است؟ زنگ زدگی باعث پوسته پوسته شدن و ضعیف شدن آهن می شود و قدرت، ظاهر و نفوذپذیری آن را کاهش می دهد. آهن زنگ زده خواص مطلوب آهن را ندارد. زنگ زدگی آهن می تواند به خودروها، نرده ها، کوره ها و بسیاری از سازه های آهنی دیگر آسیب برساند. فروریختن پل نقره ای در سال 1967 و پل رودخانه میانوس در سال 1983 به خوردگی اجزای فولادی/آهنی پل نسبت داده می شود. بسیاری از ساختمان های ساخته شده از بتن مسلح نیز در مدت طولانی به دلیل زنگ زدگی دچار شکست های سازه ای می شوند. آهن زنگ زده می تواند محل رشد باکتری هایی باشد که باعث کزاز می شوند. بریدگی این اشیاء که پوست را سوراخ می کند می تواند خطرناک باشد. از آنجایی که زنگ زدگی در شرایط مرطوب با سرعت زیاد اتفاق می افتد، داخل لوله ها و مخازن آب به آن حساس است. این باعث می شود که لوله ها آب قهوه ای یا سیاه حاوی مقدار ناایمن اکسید آهن را حمل کنند. عوامل موثر بر زنگ زدن آهن عوامل زیادی زنگ زدگی آهن را تسریع می کنند، مانند رطوبت محیط و PH منطقه اطراف. برخی از این عوامل در زیر ذکر شده است. رطوبت: خوردگی آهن محدود به در دسترس بودن آب در محیط است. قرار گرفتن در معرض باران شایع ترین دلیل زنگ زدگی است. اسید: اگر PH محیط اطراف فلز پایین باشد، فرآیند زنگ زدگی تسریع می شود. زنگ زدن آهن زمانی که در معرض باران های اسیدی قرار می گیرد سرعت بیشتری می گیرد. PH بالاتر از خوردگی آهن جلوگیری می کند. نمک: آهن به دلیل وجود املاح مختلف در دریا سریعتر زنگ می زند. آب شور حاوی یون های زیادی است که فرآیند زنگ زدگی را از طریق واکنش های الکتروشیمیایی سرعت می بخشد. ناخالصی: آهن خالص در مقایسه با آهن حاوی مخلوطی از فلزات، کندتر زنگ می‌زند. اندازه جسم آهنی نیز می تواند بر سرعت فرآیند زنگ زدگی تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، یک جسم بزرگ آهنی احتمالاً در نتیجه فرآیند ذوب کمبودهای کوچکی دارد. این کمبودها بستری برای حملات محیطی به فلز هستند.
زنگ زدن آهن زنگ زدن آهن زنگ زدن آهن به تشکیل زنگ، مخلوطی از اکسیدهای آهن، بر روی سطح اجسام یا سازه های آهنی اشاره دارد. این زنگ از واکنش ردوکس بین اکسیژن و آهن در محیطی حاوی آب (مانند هوای حاوی سطوح بالایی از رطوبت) به وجود می آید. زنگ زدگی آهن با تشکیل لایه ای از یک ماده قرمز و پوسته پوسته مشخص می شود که به راحتی به پودر تبدیل می شود. این پدیده یک مثال عالی از خوردگی فلزات است که در آن سطوح فلزات به اکسیدهای شیمیایی پایدار تری تبدیل می شوند. با این حال، اصطلاح زنگ زدگی معمولاً برای اشاره به خوردگی اجسام ساخته شده از آهن یا آلیاژهای آهن استفاده می شود. شیمی پشت زنگ زدن آهن چیست؟ قرار گرفتن آهن (یا آلیاژ آهن) در برابر اکسیژن در مجاورت رطوبت منجر به تشکیل زنگ می شود. این واکنش آنی نیست، به طور کلی در یک بازه زمانی قابل توجهی ادامه می یابد. اتم های اکسیژن با اتم های آهن پیوند می خورند و در نتیجه اکسیدهای آهن تشکیل می شود. این امر باعث تضعیف پیوندهای بین اتم های آهن در جسم/ساختار می شود. واکنش زنگ زدگی آهن شامل افزایش حالت اکسیداسیون آهن است که با از دست دادن الکترون همراه است. زنگ عمدتاً از دو اکسید مختلف آهن تشکیل شده است که در حالت اکسیداسیون اتم آهن متفاوت است. این اکسیدها عبارتند از: اکسید آهن (II) یا اکسید آهن. حالت اکسیداسیون آهن در این ترکیب +2 و فرمول شیمیایی آن FeO است. اکسید آهن (III) یا اکسید آهن، که در آن اتم آهن حالت اکسیداسیون +3 را نشان می دهد. فرمول شیمیایی این ترکیب Fe2O3 است. اکسیژن یک عامل اکسید کننده بسیار خوب است در حالی که آهن یک عامل کاهنده است. بنابراین، اتم آهن وقتی در معرض اکسیژن قرار می گیرد، به راحتی الکترون ها را از دست می دهد. واکنش شیمیایی توسط: Fe → Fe2+ + 2e– در صورت وجود آب، حالت اکسیداسیون آهن توسط اتم اکسیژن بیشتر می شود. 4Fe2+ + O2 → 4Fe3+ + 2O2- اکنون، واکنش های اسید-باز زیر بین کاتیون های آهن و مولکول های آب رخ می دهد. Fe2+ + 2H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2H+ Fe3+ + 3H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3H+ هیدروکسیدهای آهن نیز از واکنش مستقیم بین کاتیونهای آهن و یونهای هیدروکسید به وجود می آیند. O2 + H2O + 4e– → 4OH– Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2 Fe3+ + 3OH– → Fe(OH)3 هیدروکسیدهای حاصل از آهن در حال حاضر دچار کم آبی می شوند تا اکسیدهای آهنی تولید کنند که زنگ می زند. این فرآیند شامل واکنش های شیمیایی بسیاری است که برخی از آنها در زیر ذکر شده است. Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O 4Fe(OH)2 + O2 + xH2O → 2Fe2O3.(x+4)H2O Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O یک شباهت بین تمام واکنش های شیمیایی ذکر شده در بالا این است که همه آنها به وجود آب و اکسیژن وابسته هستند. بنابراین، زنگ زدگی آهن را می توان با محدود کردن میزان اکسیژن و آب اطراف فلز کنترل کرد. چرا زنگ زدن یک پدیده نامطلوب است؟ زنگ زدگی باعث پوسته پوسته شدن و ضعیف شدن آهن می شود و قدرت، ظاهر و نفوذپذیری آن را کاهش می دهد. آهن زنگ زده خواص مطلوب آهن را ندارد. زنگ زدگی آهن می تواند به خودروها، نرده ها، کوره ها و بسیاری از سازه های آهنی دیگر آسیب برساند. فروریختن پل نقره ای در سال 1967 و پل رودخانه میانوس در سال 1983 به خوردگی اجزای فولادی/آهنی پل نسبت داده می شود. بسیاری از ساختمان های ساخته شده از بتن مسلح نیز در مدت طولانی به دلیل زنگ زدگی دچار شکست های سازه ای می شوند. آهن زنگ زده می تواند محل رشد باکتری هایی باشد که باعث کزاز می شوند. بریدگی این اشیاء که پوست را سوراخ می کند می تواند خطرناک باشد. از آنجایی که زنگ زدگی در شرایط مرطوب با سرعت زیاد اتفاق می افتد، داخل لوله ها و مخازن آب به آن حساس است. این باعث می شود که لوله ها آب قهوه ای یا سیاه حاوی مقدار ناایمن اکسید آهن را حمل کنند. عوامل موثر بر زنگ زدن آهن عوامل زیادی زنگ زدگی آهن را تسریع می کنند، مانند رطوبت محیط و PH منطقه اطراف. برخی از این عوامل در زیر ذکر شده است. رطوبت: خوردگی آهن محدود به در دسترس بودن آب در محیط است. قرار گرفتن در معرض باران شایع ترین دلیل زنگ زدگی است. اسید: اگر PH محیط اطراف فلز پایین باشد، فرآیند زنگ زدگی تسریع می شود. زنگ زدن آهن زمانی که در معرض باران های اسیدی قرار می گیرد سرعت بیشتری می گیرد. PH بالاتر از خوردگی آهن جلوگیری می کند. نمک: آهن به دلیل وجود املاح مختلف در دریا سریعتر زنگ می زند. آب شور حاوی یون های زیادی است که فرآیند زنگ زدگی را از طریق واکنش های الکتروشیمیایی سرعت می بخشد. ناخالصی: آهن خالص در مقایسه با آهن حاوی مخلوطی از فلزات، کندتر زنگ می‌زند. اندازه جسم آهنی نیز می تواند بر سرعت فرآیند زنگ زدگی تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، یک جسم بزرگ آهنی احتمالاً در نتیجه فرآیند ذوب کمبودهای کوچکی دارد. این کمبودها بستری برای حملات محیطی به فلز هستند.
