תגובות כימיות בתהליך הקורוזיה

תגובות כימיות בתהליך הקורוזיה

קורוזיה היא אחת התופעות הכימיות הקשורות ביותר לחיי היומיום, אך השפעתה יכולה להיות עמוקה. החל מגדרות מחלידות ועד שלדות רכב מוחלשות ועד צינורות תעשייתיים דולפים - הכל יכול להתחיל בתהליך הקורוזיה. במילים פשוטות, ניתן להבין קורוזיה כהידרדרות של חומרים (במיוחד מתכות) עקב תגובות כימיות או אלקטרוכימיות עם הסביבה. למרות שלעתים קרובות נחשבת פשוט "חלודה", קורוזיה כוללת למעשה סדרה מורכבת של תגובות המושפעות ממים, חמצן, מלח, חומציות והבדלי פוטנציאל חשמליים על פני המתכת.

קורוזיה כתהליך אלקטרוכימי

ברוב המקרים, קורוזיה של מתכת מתרחשת באמצעות מנגנונים אלקטרוכימיים, כלומר התהליך כרוך בזרימת אלקטרונים הנובעת מהיווצרות תא מיקרו-אלקטרוכימי על פני המתכת. תא זה מורכב משני חלקים עיקריים: אזור האנודה ואזור הקתודה. למרות שהמתכת נראית הומוגנית, פני השטח שלה מכילים לעתים קרובות פגמים, מאמצים פנימיים, הבדלים במיקרו-הרכב או מגע עם מתכות אחרות הגורמים לחלק מהמשטח לשמש כאנודה ולחלק אחר כקתודה.

– באנודה, המתכת עוברת תהליך חמצון (שחרור אלקטרונים).
– בקתודה מתרחשת תגובת חיזור (קבלת אלקטרונים), שבדרך כלל כוללת יוני חמצן או מימן.

במילים אחרות, ניתן לראות קורוזיה כ"סוללה קטנה" שעובדת ברציפות על פני המתכת, כל עוד יש אלקטרוליט (למשל מים) כתווך להולכת יונים.

תגובות בסיסיות של קורוזיה של ברזל: מקורות חלודה

ברזל (Fe) הוא הדוגמה הנפוצה ביותר בדיונים על קורוזיה משום שהוא מחליד בקלות. חלודה היא תערובת מורכבת, בעיקר תחמוצות ברזל מיובשות (למשל, Fe₂O₃·nH₂O), אך היווצרותה מתחילה על ידי מספר שלבי תגובה.

1. תגובה אנודית: חמצון ברזל

באנודה, ברזל מתמוסס על ידי שחרור אלקטרונים:

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻

תגובה זו גורמת להיווצרות יוני Fe²⁺, מה שגורם למתכת לאבד מסה בנקודה האנודית. זוהי תחילתו של תהליך ה"קורוזיה" במתכת.

2. תגובה קתודית: חיזור חמצן

בסביבות ניטרליות או אלקליות (כגון מים רגילים), התגובה הקתודית הנפוצה ביותר היא חיזור של חמצן מומס:

O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)

אלקטרונים המשתחררים מהאנודה זורמים לאזור הקתודה ומשמשים להפחתת חמצן. נוכחות מים וחמצן הם שני גורמים מרכזיים.

3. יצירת תרכובת ביניים: Fe(OH)₂

יוני ה-Fe²⁺ הנוצרים באנודה יגיבו עם יוני ה-OH⁻ מהתגובה הקתודית וייצרו משקע:

Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)

משקעים אלה עדיין אינם חלודה סופית, אלא "תוצרי קורוזיה מוקדמים" שיכולים להשתנות עוד.

4. חמצון נוסף ל-Fe(OH)₃ ותחמוצת ברזל מיובשת

Fe(OH)₂ יכול להתחמצן על ידי חמצן ל-Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)

לאחר מכן, Fe(OH)₃ עובר התייבשות חלקית וארגון מחדש מבני לתחמוצת ברזל מיובשת שאנו מכירים כחלודה:

Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (מים)

תוצרי חלודה הם נקבוביים ואינם נדבקים היטב, ולכן אינם מגנים על שכבות המתכת שמתחת. לכן, קורוזיה של הברזל נוטה להימשך ולהחמיר.

השפעת האלקטרוליטים ויוני המלח

קורוזיה תהיה מהירה הרבה יותר בנוכחות אלקטרוליט טוב, כגון מי ים או מים המכילים מלח. יוני כלוריד (Cl⁻) הם אחד ממאיצי הקורוזיה המסוכנים ביותר. מלח מגביר את המוליכות של התמיסה, ובכך מגביר את הזרם האלקטרוכימי על פני המתכת. יתר על כן, כלוריד יכול לפגוע בשכבה הפסיבית במתכות מסוימות ולגרום לקורוזיה מקומית כגון קורוזיה בסדקים וקורוזיה גולמית.

בברזל, סביבה המכילה כלור⁻ יכולה גם לעודד היווצרות של תוצרי קורוזיה לא יציבים יותר ולהאיץ את היווצרותן של נקודות אנודה קטנות ועמוקות, וכתוצאה מכך נוצרים בורות קורוזיה שקשה לזהות מבחוץ.

קורוזיה בסביבות חומציות: הפחתת יוני מימן

בסביבה חומצית, התגובה הקתודית יכולה להשתנות. אם ריכוז ה-H⁺ גבוה, תגובת החיזור הדומיננטית היא היווצרות גז מימן:

2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)

בעוד שהתגובה האנודית נותרת המסת המתכת:

Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻

שילוב זה מאיץ את קצב המסת הברזל בחומצה. כתוצאה מכך, המתכת יכולה להישחק ללא נוכחות כמויות גדולות של חמצן מומס. זו הסיבה שצינורות או מיכלים החשופים לנוזלים חומציים נמצאים בסיכון גבוה יותר לקורוזיה מהירה אם הם אינם מצופים או שרמת החומציות שלהם אינה נשלטת.

קורוזיה גלוונית: כאשר שתי מתכות נפגשות

קורוזיה מושפעת לא רק מהסביבה אלא גם מהמתכות הנמצאות במגע. כאשר שתי מתכות שונות מחוברות חשמלית באלקטרוליט, נוצר תא גלווני. המתכת הפעילה יותר (המתכת מתחמצנת בקלות רבה יותר) משמשת כאנודה ומחלידה מהר יותר, בעוד שהמתכת האצילה יותר משמשת כקתודה ומוגנת יחסית.

לדוגמה, אם ברזל בא במגע עם נחושת בתנאים לחים, הברזל נוטה לפעול כאנודה ולהחליד מהר יותר. זאת בשל ההבדל בפוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי בין שתי המתכות, אשר קובע את כיוון זרימת האלקטרונים.

שכבות פסיביות וקורוזיה על מתכות אחרות

לא כל המתכות מתקלקלות כמו ברזל. אלומיניום ופלדת אל-חלד, לדוגמה, נוטים ליצור שכבת תחמוצת דקה, צפופה ודבוקה היטב הנקראת שכבה פסיבית. שכבה זו מעכבת את דיפוזיה של חמצן ומים אל פני המתכת, ובכך מפחיתה את קצב הקורוזיה. על אלומיניום, שכבת Al₂O₃ יציבה מאוד. בפלדת אל-חלד, השכבה הפסיבית נתמכת על ידי כרום, ויוצרת Cr₂O₃.

עם זאת, השכבה הפסיבית עלולה להינזק מתנאים מסוימים, כגון ריכוזי כלוריד גבוהים, תנאי מחסור בחמצן בפערים צרים, או הבדלים באוורור (תאי ריכוז חמצן). כאשר השכבה הפסיבית נשברת באזורים קטנים, קורוזיה מקומית עלולה להתרחש במהירות רבה ולהיות מסוכנת.

גורמים המשפיעים על תגובות קורוזיה

חלק מהגורמים העיקריים הקובעים את מהירות הקורוזיה כוללים:

1. זמינות מים וחמצן: מים משמשים כאלקטרוליט ותווך תגובה, בעוד שחמצן משמש כחומר חמצון בתגובה הקתודית.
2. pH סביבתי: סביבות חומציות מאיצות את המסת המתכות. סביבות אלקליות לעיתים מסייעות ביצירת שכבת מגן על מתכות מסוימות.
3. ריכוז יונים (במיוחד כלור⁻): מגביר את המוליכות וגורם לקורוזיה מקומית.
4. טמפרטורה: באופן כללי, קצב התגובות הכימיות עולה עם הטמפרטורה, ולכן קורוזיה נוטה להיות מהירה יותר בטמפרטורות גבוהות.
5. מהירות זרימת הנוזל: הזרימה עלולה לשחוק את השכבה המגנה ולהאיץ את אספקת החמצן, ולגרום לשחיקה-קורוזיה.
6. מגע בין-מתכתי: גורם לקורוזיה גלוונית אם יש הפרש פוטנציאלים.

סְגִירָה

קורוזיה היא למעשה סדרה של תגובות חמצון-חיזור המתרחשות באופן ספונטני כאשר מתכת מקיימת אינטראקציה עם סביבתה. בברזל, התהליך מתחיל בחמצון של Fe ל-Fe²⁺ באנודה ובחיזור של חמצן (או יוני מימן בתנאים חומציים) בקתודה. התוצר הסופי הוא תחמוצת ברזל מיובשת, המכונה חלודה. נוכחות מים, חמצן, מלח ותנאי pH קובעים באופן משמעותי את קצב התגובה הזו, כמו גם גורמי חומר כמו זיווג מתכות ויכולת ליצור שכבה פסיבית. על ידי הבנת התגובות הכימיות המעורבות בתהליך הקורוזיה, נוכל לתכנן אסטרטגיות מניעה מתאימות - החל מציפויים, שימוש במעכבים, הגנה קתודית ועד בחירת חומרים - כך שניתן יהיה להפחית משמעותית את ההפסדים עקב קורוזיה.