چرا آلومینیوم راحت تر از آهن زنگ می زند؟

هنگام بحث در مورد خوردگی فلز، بسیاری از مردم تصور می‌کنند که آهن سریع‌تر از آلومینیوم زنگ می‌زند – در نهایت، اشیاء آهنی مانند میخ‌های قدیمی یا ابزار باغبانی به سرعت زنگ‌زدگی پوسته‌دار و قهوه‌ای مایل به قرمز ایجاد می‌کنند، در حالی که به نظر می‌رسد محصولات آلومینیومی (مانند قوطی‌های نوشابه یا قاب پنجره‌ها) برای سال‌ها براق می‌مانند. با این حال، از دیدگاه شیمیایی، آلومینیوم در واقع راحت تر از آهن زنگ می زند (خورده می شود). این سردرگمی از ماهیت منحصر به فرد محصول خوردگی آلومینیوم ناشی می شود که در مقایسه با آهن از آن محافظت طولانی مدت بالاتری می دهد. برای درک این پارادوکس، باید علم اکسیداسیون فلزات را تجزیه کنیم، واکنش‌های آلومینیوم و آهن را با اکسیژن مقایسه کنیم و بررسی کنیم که چرا نتایج زنگ‌زدگی آن‌ها به شدت متفاوت است.

1. علم 'زنگ زدن': اکسیداسیون به عنوان یک فرآیند طبیعی

سرعت اکسیداسیون به 'واکنش پذیری' یک فلز بستگی دارد - معیاری برای اینکه چقدر آسان الکترون ها را به مواد دیگر (مانند اکسیژن) اهدا می کند. در جدول تناوبی، فلزات بر اساس واکنش پذیری رتبه بندی می شوند: پتاسیم و سدیم بسیار واکنش پذیر هستند (آنها فوراً در آب اکسید می شوند)، در حالی که طلا و پلاتین غیر فعال هستند (به ندرت خورده می شوند). آلومینیوم و آهن در وسط سقوط می کنند، اما آلومینیوم به طور قابل توجهی واکنش پذیرتر از آهن است. این واکنش پذیری بالاتر به این معنی است که اتم های آلومینیوم تمایل قوی تری به پیوند با اکسیژن دارند که منجر به اکسیداسیون اولیه سریع تر می شود.

2. آلومینیوم سریعتر اکسید می شود: واکنش پذیری آهن را شکست می دهد

واکنش پذیری بالاتر آلومینیوم دلیل اصلی زنگ زدگی آن نسبت به آهن است. در اینجا دلیل آن است:

در مقابل، آهن کندتر با اکسیژن واکنش نشان می دهد. یک میخ آهنی جدید ممکن است ساعت ها در هوای خشک روشن بماند و حتی در شرایط مرطوب، زنگ قابل مشاهده (اکسید آهن، Fe2O3·nH2O) ساعت ها یا روزها طول می کشد تا تشکیل شود. این واکنش اولیه کندتر به همین دلیل است که آهن در ابتدا کمتر مستعد زنگ زدگی به نظر می رسد - اما لایه اکسیدی آن محافظت طولانی مدتی ارائه نمی دهد و در طول زمان منجر به آسیب بدتر می شود.

3. 'سپر نامرئی' محافظ: چرا زنگ آلومینیوم آن را از بین نمی برد

اگر آلومینیوم سریعتر اکسید می شود، چرا مانند آهن زنگ زده از هم نمی پاشد؟ پاسخ در ساختار و خواص اکسید آلومینیوم (Al2O3)، 'زنگ' که بر روی آلومینیوم ایجاد می شود، نهفته است. بر خلاف اکسید آهن که متخلخل، پوسته پوسته و مخرب است، اکسید آلومینیوم یک لایه نازک، متراکم و نفوذ ناپذیر ایجاد می کند که به عنوان یک مانع در برابر خوردگی بیشتر عمل می کند.

لایه اکسید آلومینیوم چگونه کار می کند:

نازکی و چگالی

 هنگامی که آلومینیوم اکسید می شود، یک لایه اکسید آلومینیوم را تشکیل می دهد که ضخامت آن تنها 2-3 نانومتر است (حدود 1/100000 ضخامت موی انسان). این لایه آنقدر نازک است که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست و آلومینیوم را براق نگه می دارد. مهمتر از آن، بسته بندی محکم (بسته به شرایط، آمورف یا کریستالی) است و هیچ شکافی ندارد - اکسیژن و آب نمی توانند به آن نفوذ کنند تا به آلومینیوم تازه زیر آن برسند.

توانایی خوددرمانی

اگر لایه اکسید خراشیده یا آسیب ببیند (مثلاً در اثر ضربه یا خراش)، آلومینیوم تازه ای که در محل خراش قرار گرفته است بلافاصله با اکسیژن واکنش می دهد و اکسید آلومینیوم جدید تشکیل می دهد. در عرض چند ثانیه، خراش با یک لایه محافظ جدید مهر و موم می شود و از خوردگی بیشتر جلوگیری می کند.

در مقابل، اکسید آهن یک فاجعه برای فلز است

تخلخل و پوسته پوسته شدن

 زنگ (اکسید آهن) یک ماده سست و متخلخل است که به سطح آهن محکم نمی‌چسبد. آب و اکسیژن از میان شکاف های لایه زنگ نشت می کند و به واکنش با آهن زیر ادامه می دهد. با تشکیل زنگ بیشتر، منبسط می شود (6 تا 7 برابر بیشتر از آهن اصلی حجم می گیرد)، که باعث پوسته پوسته شدن زنگ و نمایاندن فلز تازه می شود. این یک چرخه خوردگی مداوم ایجاد می کند - زنگ باعث ایجاد زنگ بیشتر می شود تا زمانی که جسم آهنی فرو بریزد.

بدون محافظت از خود

بر خلاف اکسید آلومینیوم، اکسید آهن نمی تواند خود را ترمیم کند. هنگامی که یک خراش یا تراشه رخ می دهد، آهن زیرین سریعتر زنگ می زند، زیرا رطوبت و اکسیژن مستقیماً به فلز محافظت نشده دسترسی دارند.

4. اثبات واقعی: دوام آلومینیوم در استفاده روزمره

تضاد بین رفتار خوردگی آلومینیوم و آهن در زندگی روزمره قابل مشاهده است:

نتیجه: آلومینیوم سریعتر زنگ می زند، اما ماندگاری بیشتری دارد

این ایده که «آلومینیوم راحت‌تر از آهن زنگ می‌زند» یک افسانه نیست، این یک واقعیت شیمیایی است که ریشه در واکنش‌پذیری بالاتر و اکسیداسیون سریع‌تر آلومینیوم دارد. با این حال، لایه اکسید منحصر به فرد آلومینیوم این 'ضعف' را به یک نقطه قوت تبدیل می کند: در حالی که به سرعت در سطح زنگ می زند، محافظ اکسید متراکم و خود ترمیم شونده از خوردگی بیشتر جلوگیری می کند و آلومینیوم را در دراز مدت بسیار بادوام تر از آهن می کند.

این ویژگی به همین دلیل است که آلومینیوم ماده انتخابی برای کاربردهایی است که مقاومت در برابر خوردگی مهم است - از روکش های درب کابینت و ظروف آشپزخانه گرفته تا قطعات هواپیما و سازه های بیرونی. این یک مثال عالی از این است که چگونه درک علم مواد می تواند به ما کمک کند درک کنیم که چرا برخی از فلزات بهتر از سایرین عمل می کنند، حتی زمانی که رفتار اولیه آنها غیرمعمول به نظر می رسد.