التآكل الجلفاني: الآليات والأمثلة والحماية - كيمياء - 2026

و كلفاني التآكل أو الكهروكيميائية هو عملية يتم بموجبها معدن أو سبيكة يحط مقارنة أكثر اندفاعا للأكسدة التقليدية. يمكن القول إنها أكسدة متسارعة ، وحتى يتم تعزيزها عن قصد ؛ كما يحدث في الخلايا أو البطاريات.

هذا يحدث في ظل عدد من الشروط. أولاً ، يجب أن يكون هناك معدن نشط يسمى الأنود. أيضًا ، وثانيًا ، يجب أن يكون هناك معدن نبيل منخفض التفاعل يسمى الكاثود. الشرطان الثالث والرابع هما وجود وسيط تنتشر فيه الإلكترونات ، مثل الماء ، وأنواع أيونية أو إلكتروليتات.

تاج من الحديد الصدئ. المصدر: Pixnio.

يمكن ملاحظة التآكل الجلفاني بشكل خاص في البيئات البحرية أو على شواطئ الشواطئ. ترفع تيارات الهواء كتلًا من بخار الماء ، والتي بدورها تحمل بعض الأيونات ؛ ينتهي الأخير بالالتصاق بطبقة رقيقة من الماء أو قطرات توضع على سطح المعدن.

تساعد ظروف الرطوبة والملوحة هذه على تآكل المعدن. أي أن التاج الحديدي مثل التاج الموجود في الصورة أعلاه سوف يصدأ بسرعة أكبر إذا تعرض بالقرب من البحر.

يمكن قياس مدى سهولة أكسدة معدن مقارنة بآخر كميًا من خلال إمكانات الاختزال ؛ الجداول التي تحتوي على هذه الإمكانات كثيرة في كتب الكيمياء ، فكلما كنت سلبيًا ، زاد ميلك إلى الصدأ.

وبالمثل ، إذا كان هذا المعدن في وجود معدن آخر مع إمكانية اختزال إيجابية للغاية ، وبالتالي وجود ΔE كبير ، فإن أكسدة المعدن التفاعلي ستكون أكثر عدوانية. العوامل الأخرى ، مثل الأس الهيدروجيني والقوة الأيونية والرطوبة ووجود الأكسجين والعلاقة بين مناطق المعدن الذي يتأكسد والتي يتم تقليلها ، مهمة أيضًا.

الآليات

المفاهيم وردود الفعل

قبل معالجة الآليات الكامنة وراء التآكل الجلفاني ، يجب توضيح مفاهيم معينة.

في تفاعل الأكسدة والاختزال ، يفقد أحد الأنواع الإلكترونات (يتأكسد) بينما يكتسبها نوع آخر (يقلل). يسمى القطب الذي تحدث فيه الأكسدة بالقطب الموجب ؛ والذي يحدث فيه الاختزال ، الكاثود (في اللغة الإنجليزية ، عادةً ما تستخدم قاعدة الذاكرة الحمراء لتذكرها).

وهكذا ، بالنسبة لقطب كهربائي (قطعة ، لولب ، إلخ) لمعدن M ، إذا تأكسد ، يُقال إنه الأنود:

M => M ⁿ + ne ^-

عدد الإلكترونات المحررة سيكون مساوياً لحجم الشحنة الموجبة للكاتيون الناتج M ^{n +}.

ثم قطب كهربائي آخر أو معدن R (يجب أن يكون كلا المعدنين على اتصال بطريقة ما) ، يستقبل الإلكترونات المحررة ؛ لكن هذا لا يخضع لتفاعل كيميائي إذا اكتسبت إلكترونات ، حيث إنها ستجريها فقط (تيار كهربائي).

لذلك ، يجب أن يكون هناك نوع آخر في المحلول يمكنه قبول هذه الإلكترونات رسميًا ؛ بسهولة تقليل أيونات المعادن ، على سبيل المثال:

R ^{n +} + ne ^- => R

أي أن طبقة من المعدن R سوف تتشكل وبالتالي يصبح القطب الكهربائي أثقل ؛ بينما يفقد المعدن M الكتلة بسبب ذوبان ذراته.

مزيلات الاستقطاب

ماذا لو لم يكن هناك كاتيونات معدنية يمكن اختزالها بسهولة كافية؟ في هذه الحالة ، ستأخذ الأنواع الأخرى الموجودة في الوسط الإلكترونات: مزيلات الاستقطاب. ترتبط هذه ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحموضة: O ₂ و H ⁺ و OH ^- و H ₂ O.

يكتسب الأكسجين والماء إلكترونات في تفاعل معبر عنه بالمعادلة الكيميائية التالية:

O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- => 4OH ^-

بينما يتم تحويل أيونات H ⁺ إلى H ₂:

2H ⁺ 2e ^- => H ₂

أي أن أنواع OH ^- و H ₂ هي منتجات شائعة للتآكل الجلفاني أو الكهروكيميائي.

حتى لو لم يشارك المعدن R في أي تفاعل ، فإن حقيقة أنه أكثر نبلاً من M تعزز تأكسده ؛ وبالتالي ، سيكون هناك زيادة في إنتاج OH ^- أو غاز الهيدروجين. لأنه ، بعد كل شيء ، هو الفرق بين إمكانات الاختزال ، ΔE ، أحد المحركات الرئيسية لهذه العمليات.

تآكل الحديد

آلية تآكل الحديد. المصدر: ويكيبيديا.

بعد التوضيحات السابقة ، يمكن تناول مثال تآكل الحديد (الصورة العلوية). افترض أن هناك طبقة رقيقة من الماء يذوب فيها الأكسجين. بدون وجود معادن أخرى ، فإن مزيلات الاستقطاب هي التي ستحدد نغمة التفاعل.

وبالتالي ، يفقد الحديد بعض الذرات من سطحه ليذوب في الماء مثل كاتيونات Fe ²⁺:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

سوف ينتقل الإلكترونان عبر قطعة الحديد لأنها موصل جيد للكهرباء. لذلك يُعرف مكان الأكسدة أو موقع الأنود ؛ ولكن ليس حيث سيستمر الاختزال أو موقع الموقع الكاثودي. يمكن أن يكون موقع الكاثود في أي مكان ؛ وكلما كبرت مساحته الممكنة ، كلما كان المعدن أسوأ.

افترض أن الإلكترونات وصلت إلى نقطة كما هو موضح في الصورة أعلاه. هناك على حد سواء الأكسجين والماء الخضوع رد فعل سبق وصفها، الذي OH ^- يتم تحريرها. هذه OH ^- الأنيونات يمكن أن تتفاعل مع الحديد ²⁺ لتشكيل الحديد (OH) ₂ ، والتي رواسب ويمر بها لاحقا الأكسدة التي تحول في النهاية إلى الصدأ.

في غضون ذلك ، يتشقق موقع الأنود أكثر وأكثر

أمثلة

في الحياة اليومية ، أمثلة التآكل الجلفاني عديدة. لا يتعين علينا الإشارة إلى التاج الحديدي: يمكن لأي قطعة أثرية مصنوعة من المعادن أن تخضع لنفس العملية في وجود البيئات الرطبة والمالحة.

بالإضافة إلى الشاطئ ، يمكن أن يوفر الشتاء أيضًا ظروفًا مثالية للتآكل ؛ على سبيل المثال ، عند جرف الأملاح في الثلج على الطريق لمنع السيارات من الانزلاق.

من الناحية الفيزيائية ، يمكن الاحتفاظ بالرطوبة في الوصلات الملحومة لمعدنين ، كونها مواقع نشطة للتآكل. وذلك لأن كلا المعدنين يتصرفان مثل قطبين ، حيث يفقد الآخر الأكثر تفاعلًا إلكتروناته.

إذا كان إنتاج OH ^- أيونات هو كبير، ويمكن حتى تآكل الطلاء للسيارة أو الجهاز في السؤال.

مؤشرات انوديك

يمكن للمرء أن يبني نماذجه الخاصة من التآكل الجلفاني باستخدام جداول جهد الاختزال. ومع ذلك ، سيتم اختيار جدول مؤشر انوديك (المبسط في حد ذاته) لتوضيح هذه النقطة.

مؤشرات Anodic لمختلف المعادن أو السبائك. المصدر: ويكيبيديا.

لنفترض على سبيل المثال أننا أردنا بناء خلية كهروكيميائية. المعادن الموجودة في الجزء العلوي من جدول مؤشر انوديك أكثر كاثودية ؛ وهذا يعني أنه يتم تقليلها بسهولة وبالتالي سيكون من الصعب الحصول عليها في الحل. بينما المعادن الموجودة في القاع تكون أكثر انودية أو تفاعلية ، وتتآكل بسهولة.

إذا اخترنا الذهب والبريليوم ، فلن يكون كلا المعدنين معًا لفترة طويلة ، حيث سيتأكسد البريليوم بسرعة كبيرة.

ومن ناحية أخرى ، إذا كان لدينا محلول من أيونات Ag ⁺ وقمنا بغمر قضيب من الألومنيوم فيه ، فسوف يذوب في نفس الوقت الذي تترسب فيه جزيئات الفضة المعدنية. إذا تم توصيل هذا الشريط بإلكترود من الجرافيت ، فإن الإلكترونات ستنتقل إليه لترسب الفضة عليه كغشاء فضي.

وإذا كان مصنوعًا من النحاس بدلاً من قضيب الألومنيوم ، فإن المحلول سيتحول إلى اللون الأزرق بسبب وجود أيونات النحاس ²⁺ في الماء.

الحماية من التآكل الكهروكيميائي

الطلاءات القربانية

افترض أنك تريد حماية صفائح الزنك من التآكل في وجود معادن أخرى. سيكون أبسط خيار هو إضافة المغنيسيوم ، والذي من شأنه أن يغطي الزنك بحيث أنه بمجرد أكسدة الإلكترونات المنبعثة من المغنيسيوم ستقلل من الكاتيونات Zn ²⁺ مرة أخرى.

ومع ذلك ، فإن فيلم MgO الموجود على الزنك سينتهي به الأمر إلى التصدع عاجلاً وليس آجلاً ، مما يوفر مواقع أنود عالية الكثافة الحالية ؛ أي أن تآكل الزنك سوف يتسارع بشكل حاد عند تلك النقاط فقط.

تُعرف تقنية الحماية من التآكل الكهروكيميائي باسم استخدام الطلاءات القربانية. وأشهرها الزنك المستخدم في التقنية الشهيرة التي تسمى الجلفنة. في نفوسهم ، المعدن M ، وخاصة الحديد ، مغطى بالزنك (Fe / Zn).

مرة أخرى ، يتأكسد الزنك ويعمل أكسيده على تغطية الحديد ونقل الإلكترونات إليه مما يقلل Fe ²⁺ الذي يمكن تكوينه.

الطلاءات النبيلة

افترض مرة أخرى أنك تريد حماية نفس ورقة الزنك ، لكنك الآن ستستخدم الكروم بدلاً من المغنيسيوم. الكروم هو أكثر نبلاً (أكثر كاثودية ، انظر جدول الأرقام الأنودية) من الزنك ، وبالتالي يعمل كطلاء نبيل.

تكمن مشكلة هذا النوع من الطلاء في أنه بمجرد تشققه ، فإنه سيزيد من عملية أكسدة المعدن تحته ويسرعها ؛ في هذه الحالة ، يتآكل الزنك أكثر من تغطيته بالمغنيسيوم.

وأخيرًا ، هناك طلاءات أخرى تتكون من الدهانات والبلاستيك ومضادات الأكسدة والدهون والراتنجات ، إلخ.

تجربة للأطفال

صفيحة حديدية في إذابة أملاح النحاس

يمكن استنباط تجربة بسيطة من نفس جدول مؤشرات الأنود. إذابة كمية معقولة (أقل من 10 جرام) من CuSO ₄ · 5H ₂ O في الماء ، يُطلب من الطفل أن يغطس في صفيحة حديدية مصقولة. يتم التقاط صورة ويسمح للعملية أن تتكشف لمدة أسبوعين.

يكون المحلول في البداية مزرقًا ، لكنه سيبدأ في التلاشي بينما تتحول الصفيحة الحديدية إلى لون نحاسي. هذا يرجع إلى حقيقة أن النحاس هو أكثر نبلاً من الحديد ، وبالتالي سيتم تقليل كاتيوناته Cu ²⁺ إلى نحاس معدني من الأيونات الناتجة عن أكسدة الحديد:

Fe => Fe ²⁺ + 2e ^-

النحاس ²⁺ + 2 هـ ^- => نحاس

تنظيف أكسيد الفضة

تتحول الأجسام الفضية إلى اللون الأسود بمرور الوقت ، خاصة إذا كانت على اتصال بمصدر لمركبات الكبريت. يمكن إزالة الصدأ عن طريق غمر الجسم في حوض من الماء مع صودا الخبز ورقائق الألومنيوم. يوفر البيكربونات الإلكتروليتات التي تسهل نقل الإلكترونات بين الجسم والألمنيوم.

نتيجة لذلك ، سيقدر الطفل أن الكائن يفقد بقعه السوداء وسيتوهج بلونه الفضي المميز ؛ بينما يتآكل ورق الألومنيوم ليختفي.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
2. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.
3. ويكيبيديا. (2019). التآكل الجلفاني. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
4. ستيفن لور. (16 يونيو 2019). التآكل الكهروكيميائي. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
5. الجامعة المفتوحة. (2018). 2.4 عمليات التآكل: التآكل الجلفاني. تم الاسترجاع من: open.edu
6. خدمة العملاء الفنية Brush Wellman Inc. (سادس). دليل للتآكل الجلفاني. فرشاة ويلمان المواد الهندسية.
7. جورجيو كاربوني. (1998). تجارب في الكيمياء الكهربائية. تم الاسترجاع من: funsci.com