עריכה : אינג' ב. אילן
החלודה בברזל היא תופעה איתה מנסה האדם להתמודד מאז שחר האנושות ועד ימנו . מאז ומתמיד השקיע האדם משאבים רבים בניסיון להתגבר על בעיה זו ונחל לא מעט אכזבות ותסכולים .
כדי להתמודד בצורה מיטבית עם החלודה צריך להבין למה זה קורה ? אם נבין את המנגנון ,יש סיכוי טוב שנוכל למנוע אותה ,ומניעה זו השיטה הכי טובה להתמודד עם הרבה בעיות ולא רק עם חלודה .
ראשית נכיר מספר חוקי טבע בסיסיים שאותם נקבל כעובדות .
1. בטבע ישנם כמות מוגבלת של חומרים הקרויים יסודות כימיים . היסודות הכימיים הם כול החומרים הבסיסיים הידועים לנו . מהשילובים ביניהם נבנים כול התוצרים הקיימים בטבע . לדוגמה : מים עשויים משילוב של היסודות חמצן ומימן. ישנם יסודות במצב מוצק (ברזל , ניקל , נחושת ) . ישנם במצב נוזל (ברום ) וגז (חמצן ,הליום , ניאון , מימן ) .
2. כול החומרים בטבע ולא משנה באיזה חומר מדובר עשויים מחלקיקים זעירים בלתי נראים בעין , הקרויים אטומים . האטומים צמודים זה לזה בכוחות משיכה וכך למעשה נוצר מבנה של חומר יסוד כלשהו . גז חמצן עשוי אטומים של חמצן, וברזל עשוי אטומים של ברזל . ישנם גם שילובים של יסודות שונים זה עם זה . שילובים הכוונה שאטום של יסוד אחד מתחבר לאטום של יסוד שני או מספר יסודות ומתקבל חומר חדש (לדוגמה : סוכר עשוי מאטומי חמצן ,מימן, ופחמן ) . השילובים עשויים להתרחש באופן ספונטאני בטבע או באופן מכוון במעבדה . כך למעשה ניתן לקבל אינספור חומרים ומוצרים , ולשפר מוצרים קיימים . יש לדעת שתהליך החיבור יכול להיות תהליך שעלול לגרום גם נזק .
3. באופן עקרוני האטום אינו ניתן לחלוקה אבל הוא עצמו מורכב מחלקיקים חשובים . ישנו גרעין האטום ומסביבו יש מעטפת נעים חלקיקים קטנים אלקטרונים (מזכיר את צורתו של פרי עם גרעין כמו אפרסק או שזיף ) . מה מחזיק את האלקטרונים בתנועה סביב גרעין האטום ? משיכה חשמלית . יש לזכור שלאלקטרון יש מטען חשמלי שלילי והגרעין הוא בעל מטען חשמלי חיובי . ועל פי חוקי החשמל, השלילי נמשך לחיובי וההיפך בדומה למגנט . האטומים של היסודות שונים זה מזה בכמות האלקטרונים הנעים סביב הגרעין . לכול יסוד יש מספר אלקטרונים אחר, הנעים סביב הגרעין וזה גם מה שקובע את התכונות של היסוד . בתנאים מסוימים יכולים חלק מהאלקטרונים להשתחרר מכוח המשיכה של הגרעין , לעזוב את האטומים ולזרום חופשי בתוך החומר . החומר דרכו זורמים האלקטרונים יכול להיות גז, או נוזל או מוצק כמו ברזל . תכונה זו של אלקטרונים חופשיים מניעה הרבה תהליכים חשובים בטבע . לדוגמה כאשר אלקטרונים משתחררים מהאטום וזורמים בחומר נקבל זרם חשמלי .
4. כפי שראינו חיבור היסודות בטבע אחד עם השני הוא דבר מאוד מעניין ונעשה לרוב באמצעות שיתוף האלקטרונים של האטומים של החומרים השונים . לדוגמה מימן וחמצן מתחברים ע"י שיתוף האלקטרונים שלהם וכך נוצרים מים .
5. כעת נציין עובדה מאד מרשימה : בטבע ישנה מלחמה תמידית בין יסודות שונים על אותם אלקטרונים . מדובר על מלחמה של ממש . ברגע ששני יסודות שונים נפגשים אחד מהם ימשוך אליו אלקטרונים מחברו . ההסבר המדעי הוא שזה קשור ליציבות אנרגטית. יש יסודות עם נטייה חזקה יותר למשוך אלקטרונים לעומת יסודות אחרים .
6. חמצן , ופלואור לדוגמה הם יסודות בעלי יכולת הכי חזקה למשוך אלקטרונים במגע עם יסודות מסוימים . גם בתוך קבוצת המתכות ,ישנם חזקים יותר וחזקים פחות במשיכת אלקטרונים , כך שלדוגמה במגע בין מגנזיום לברזל בתנאים מסוימים הברזל ימשוך אלקטרונים מהמגנזיום . אף חומר אינו אוהב לוותר על האלקטרונים שלו אבל מי שיפעיל כוח משיכה חזק יותר הוא זה שימשוך את האלקטרונים אליו.
7. תהליך משיכת האלקטרונים ( איבוד האלקטרונים) נקרא חמצון . המנצח בתחרות משיכת האלקטרונים מבין שני החומרים נקרא "מחמצן" .
8. החמצון בהרבה מקרים אינו תהליך חיובי . תהליך זה יכול להיות הרסני לחומרים רבים, כיוון שברגע שהאטום , שהיה קשור לפני כן לחומר עצמו , מאבד אלקטרונים הוא משנה צורה ואף מתנתק מהחומר . במילים אחרות החומר שמאבד אלקטרונים מזדקן .
כעת נבין ביתר קלות את תופעת החלודה :
החלודה בעצם היא התחמצנות של הברזל – איבוד אלקטרונים של אטומי הברזל . אז איך התהליך קורה בפועל ? :
– האוויר סביבנו רווי בחמצן וגם באדי מים . אדי מים או טיפות מים מגיעים לאותו מקום שבו הברזל חשוף , נניח מקום בו הצבע התקלף או נקודה חלשה במעטפת על פני הברזל .
– לחמצן שנמצא באוויר יש יכולת לחדור לתוך המים ולהתמוסס בתוך המים (הדגים הרי נושמים את החמצן שנמצא במים ) . במקרה שלנו החמצן שחודר מהאוויר לטיפת המים הוא המחמצן והוא מושך אלקטרונים מהברזל . האלקטרונים נעים מהברזל לתוך טיפת המים .
– ברגע שאטומי הברזל מאבדים אלקטרונים הם נחלשים וניתקים מהברזל ואז מתחיל בעצם תהליך של חירור הברזל והתמוססות שלו באותה נקודה .
– בזאת התהליך לא הסתיים .לחמצן שמשך אליו אלקטרונים יש כעת את היכולת להתחבר לברזל המומס וחיבור זה בעצם היא החלודה .
– כלומר החמצן מכה פעמיים : פעם אחת מושך אלקטרונים מהברזל בסיוע המים ופעם שנייה משתמש במים להתחבר לחלקיקי הברזל המוחלשים שהתנתקו מהברזל ושטים כעת במים , כדי להפוך אותם לאותו חומר שנקרא חלודה או תחמוצת הברזל .
אם כן , המסקנות ברורות :
1. ברזל חמצן ומים יוצרים תהליך בלתי נשלט של החלדה כיוון שזהו תהליך שמניע את עצמו ומתחיל ברצון של החמצן לקבל אלקטרונים מהברזל .
2. כדי למנוע חלודה מספיק לנטרל את אחד המחוללים שלה כלומר או להרחיק מהברזל את המים או להרחיק את החמצן או להרחיק את שניהם יחד .
רוצים דוגמאות על השפעת חמצן ומים על חלודה ? בבקשה : נמצא שצינורות ברזל ואלמנטים מברזל שנמצאים במי הים העמוקים מחלידים בקצה מאד איטי . אם נעמיד ברזל על פני מי הים וברזל אחר עמוק בתוך מי הים האחרון ישרוד הרבה יותר שנים . הסיבה לכך היא שכמות החמצן המומס בעומק הים קטנה יותר מאשר במים הרדודים .
כך גם מתכות שנמצאות באזורי יבש כמו מדבר ,מחלידות בקצב הרבה יותר איטי לעומת מתכות בסביבה לחה וזאת כמובן בגלל המחסור של המים באותה סביבה מדברית .
החלודה או בשמה הכימי תחמוצת הברזל היא חומר רך חלש מתפורר ומתקלף בקלות ומתרחשת רק על פני המתכת . כיוון שכך , התהליך הולך ומפשט . שככול שהזמן חולף החלודה נוצרת ,מתפוררת וחושפת שטחים גדולים יותר על פני המתכת למים וחמצן וכך התהליך ממשיך ומתפשט וככול שהזמן עובר עוביו של הברזל הבריא הולך וקטן עד שבסופו של דבר ,אם לא נגן עליו ,כולו יתפורר.
חשוב לציין שלא רק הברזל מחליד . אפשר לומר שכול המתכות מחלידות אך יש כאלה שכמעט ואינן מתחמצנות כמו במקרה של כסף , זהב ופלטינה וזה כמובן קשור למבנה האטומי שלהן. יש מתכות שהתחמוצות הנוצרות עליהן דווקא מגנות מפני המשך ההתחמצנות (ההחלדה) .
ניקח לדוגמה את האלומיניום .אם חשבתם שהיא מתכת שאינה מחלידה ,הרי זו טעות . גם האלומיניום מחליד אך בגלל מבנה האטום של האלומיניום השונה מהברזל ,החלודה שנוצרת על פניו היא קשה מאד להסרה וקילוף . כלומר תחמוצת האלומיניום (הנקראת גם אלומינה ) הנוצרת על פניו היא כל כך חזקה ואטומה שבעצם מים וחמצן לא יכולים לחדור דרכה ולכן כאן התהליך נעצר ולא ממשיך כמו אצל הברזל . דוגמה מעניינת נוספת לתחמוצת המגנה על המתכת מפני החלדה זו ה"פטינה". זה קורה במתכות מסוג ברונזה גם כאן התחמוצת הנוצרת פני המתכת חזקה ואטומה באופן שאינו מאפשר פגיעה בשכבות העמוקות יותר של המתכת . את התחמוצת שצבע ירקרק ניתן לראות על הרבה פסלים עשויים ברונזה כדוגמת פסל החירות בניו יורק או פסלים עתיקים ברחבי אירופה .
הברזל לדאבוננו אינו מתנהג כמו אלומיניום וגם לא כמו ברונזה ומחייב התערבות חיצונית שלנו על מנת להגן עליו מחלודה .
אחרי שהבנו מה גורם לחלודה נוכל לחפש שיטות הגנה שיבודדו את הברזל ממים ואוויר (החמצן שבאוויר כמובן) .
מהם השיטות המקובלות להגנה על הברזל ?
מהו גלוון ?
מהי פסיבציה ?
למה בכול זאת מופיעה חלודה אחרי טיפול בגלוון או צביעה ?
למה ליד הים הברזל מחליד בקצב מחיר יותר? מה הפיתרון לכך ?
על כך במאמר הבא.
