الكيمياء الجامعية — السنة الثانية · Bachelor Year 2

12التآكل والحماية

اترك قطرة من الماء المالح على قطعة نظيفة من الفولاذ. بعد يوم يكون الفلز منقورًا في مركز القطرة، بينما يتكوّن الصدأ حلقةً قرب حافتها، حيث يذوب أكسجين الهواء. فالحديد يذوب حيث يكون الأكسجين أقل، ويُختزل الأكسجين حيث يكون أكثر: فالقطرة خلية لم يبنها أحد، مقصورة الدارة عبر الفلز نفسه. يقرأ هذا الفصل التآكل على منحنيات شدة التيار–الجهد، ويفسر لماذا لا تصدأ صفيحة مجلفنة مخدوشة بينما تصدأ علبة مقصدرة مخدوشة، ويصمم حماية خط أنابيب مدفون.

ما تعرفه من قبل

مجلد السنة الأولى: مخططات الجهد–pH للفلزات ومناطق المناعة والتآكل والتخميل فيها («وكون الطبقة واقيةً مسألة حركية»). الفصل 10: منحنيات شدة التيار–الجهد، والتيارات الحدية. الفصل 11: الجهد المختلط. والمجلد المدرسي: التآكل، والصدأ، والجلفنة.

جسر سكة حديدية قديم مبرشم. تسيل خطوط الصدأ من المسامير والوصلات، حيث يبقى الماء والأكسجين أطول مدة ويتلف الطلاء أولًا.

12.1 التآكل الرطب خليةً مقصورة الدارة

في ماء يحوي أكسجينًا مذابًا يتأكسد الحديد، $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ ، وتؤخذ الإلكترونات على قطعة الفلز نفسها باختزال ثنائي الأكسجين، $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ (وفي الوسط الحمضي أيضًا بالتفاعل $\ce{2H+ + 2e- -> H2}$ ). وتلتقي أيونات الحديد(II) وأيونات الهيدروكسيد في الماء، ويحوّل تأكسد إضافي بالهواء راسبها إلى صدأ، وهو أكسيد حديد(III) مميَّه.

تعريف 12.1 (التآكل المنتظم)

التآكل المنتظم تآكل فلز تجري أكسدته واختزال المؤكسد فيه عند مواقع موزعة بانتظام على سطحه. وجهد التآكل هو الجهد المختلط الذي يأخذه الفلز عندئذ، وتيار التآكل هو التيار المصعدي لأكسدة الفلز عند ذلك الجهد.

مخطط إيفانز للحديد في ماء متعادل مهوّى (منحنيات نموذجية). ويُرسم المنحنى المهبطي لثنائي الأكسجين أيضًا معكوسًا نحو الأعلى (متقطعًا): فجهد التآكل هو حيث يلاقي المنحنى المصعدي للحديد. ولأن اختزال ثنائي الأكسجين قد بلغ هناك استواء انتشاره، يساوي تيار التآكل التيار الحدي للأكسجين: فتحريك الماء أو تهويته يجعل الحديد يتآكل أسرع.

قضية 12.2 (سرعة التآكل)

الفلز ذو الكتلة المولية $M$ والكثافة $\rho$ ، المتأكسد مع $n$ إلكترونًا لكل ذرة تحت كثافة تيار تآكل $j_{\text{تآكل}}$ (التيار لكل وحدة مساحة)، يفقد لكل وحدة مساحة ووحدة زمن الكتلة $j_{\text{تآكل}}M/(nF)$ ، أي سمكًا

\frac{de}{dt} = \frac{j_{\text{تآكل}}\,M}{nF\rho} .

برهان. حسب القضية 10.3، تؤكسد كثافة التيار المصعدي $j_{\text{تآكل}}$ مقدار $j_{\text{تآكل}}/(nF)$ مولًا من الفلز لكل وحدة مساحة ووحدة زمن؛ نضرب في $M$ للحصول على الكتلة ونقسم على $\rho$ للحصول على السمك. ∎

مثال 12.3 (الحديد عند $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ )

مع $j = 0.10\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ ، و $M = 55.845\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، و $n = 2$ ، و $\rho = 7.87\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ : $de/dt = 0.10 \times 55.845/(2 \times 96\,485 \times 7.87 \times 10^6) = 3.7 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ، أي $0.12\,\mathrm{mm}$ في السنة.

12.2 التآكل التفاضلي

تعريف 12.4 (التآكل التفاضلي)

التآكل التفاضلي تآكل تنفصل فيه المواقع المصعدية عن المهبطية، فيتأكسد الفلز بالأفضلية عند المواقع المصعدية. ويكون تآكلًا غلفانيًا حين يشترك فلزان مختلفان في تماس كهربائي في الإلكتروليت نفسه، وتهوية تفاضلية حين يتعرض فلز واحد لمياه مختلفة المحتوى من الأكسجين.

قضية 12.5 (فلزان متلامسان)

حين يُغمر فلزان في تماس كهربائي في الماء المهوّى نفسه، يأخذان جهدًا مختلطًا واحدًا. والفلز الذي جهد تآكله أدنى يصير المصعد ويتآكل أسرع منه وحده؛ ويصير الآخر مهبطًا، يُختزل عليه ثنائي الأكسجين، فيُحمى.

برهان. الفلزان الموصولان بموصل ذي مقاومة مهملة يكونان عند الجهد نفسه، حيث يساوي مجموع كل التيارات المصعدية سالب مجموع كل التيارات المهبطية. والمنحنى المصعدي للفلز الأقل نبلًا يصعد أولًا؛ فيحمل عند الجهد المشترك كل التيار المصعدي تقريبًا، ويُختزل الأكسجين على السطح المبلل كله، بما فيه الفلز الأنبل، الذي يكون تياره المصعدي الخاص مهملًا هناك. ∎

الحديد موصولًا بفلزات أخرى (منحنيات نموذجية). مع الزنك، ينخفض الجهد المشترك إلى حيث يحمل الزنك التيار المصعدي: فيُحمى الحديد، ويتآكل الزنك. ومع النحاس، تتضاعف المساحة المهبطية المتاحة للأكسجين: فيتضاعف تيار تآكل الحديد أيضًا.

قضية 12.6 (التهوية التفاضلية)

على فلز معرَّض لمياه مختلفة المحتوى من الأكسجين، تكون المنطقة الأقل تهوية مصعدية فتتآكل؛ والمنطقة الأفضل تهوية مهبطية.

برهان. حيث يكون محتوى الأكسجين أعلى يكون للمزدوجة $\ce{O2}/\ce{OH-}$ جهد نرنست أعلى وتيار حدي أكبر: فيقع المنحنى المهبطي أعلى ويمتد أبعد. والفلز، وهو موصل واحد، يستقر عند جهد واحد؛ ويجب موازنة التيار المهبطي الكبير المتاح في المنطقة المهواة بتيار مصعدي، يجري حيث يمكن أكسدة الفلز مع قليل من منافسة اختزال الأكسجين، أي في المنطقة الضعيفة التهوية. فتتركز الأكسدة هناك. ∎

قطرة إيفانز على الفولاذ، رسم تخطيطي. يذوب الأكسجين عند السطح ويبلغ الفلز في الغالب قرب الحافة الرقيقة للقطرة، التي تصير المهبط؛ أما المركز، المحروم من الأكسجين، فهو المصعد ويُنقر. وتلتقي أيونات الحديد(II) وأيونات الهيدروكسيد بينهما، حيث يترسب الصدأ على هيئة حلقة.

تهاجم الآلية نفسها الشقوق، وأجزاء المنشأة الواقعة تحت راسب أو حشية، والركيزة الفولاذية في البحر تحت خط الماء بقليل، حيث يكون الماء أقل تهوية منه عند السطح.

طريقة 12.7 (تشخيص تآكل)

اذكر الفلزات المتلامسة والإلكتروليت؛ وتحقق من أنها موصولة كهربائيًا.
في حالة فلزين، يكون المصعد هو الفلز ذو جهد التآكل الأدنى (وهو عادة ذو الجهد المعياري الأدنى).
في حالة فلز واحد، جِد المناطق الأقل تهوية (الشقوق، وما تحت الرواسب، وقاع القطرة): فهي مصعدية.
يحدد السرعةَ التفاعلُ المهبطي (إمداد الأكسجين، ومساحة المهبط): فالمصعد الصغير على مهبط كبير يتآكل بسرعة.

12.3 التخميل

تعريف 12.8 (التخميل)

التخميل هو الانخفاض الشديد لسرعة تآكل فلز حين تغطيه طبقة رقيقة متراصة ملتصقة من أكسيده، هي الغشاء المخمِّل، تفصله عن المحلول. ويُقال عن الفلز في هذه الحالة إنه مخمَّل.

قضية 12.9 (استواء التخميل)

يصعد المنحنى المصعدي لفلز قابل للتخميل من جهد تآكله، ويبلغ قمة، ثم ينخفض إلى تيار تخميل صغير شبه ثابت على مجال من الجهود، قبل أن يصعد من جديد عند الجهود العالية (منطقة ما بعد التخميل: أكسدة الغشاء أو الماء). ويمكن أن تنهار حالة التخميل موضعيًا، مثلًا تحت تأثير أيونات الكلوريد، معطيةً نُقَرًا.

تعليل. عند فرط الجهد الصغير يذوب الفلز العاري أسرع فأسرع. وبعد عتبة يصير الأكسيد مستقرًا عند السطح (منطقة التخميل في مخطط الجهد–pH) ويكوّن غشاءً لا تتحرك الأيونات عبره إلا ببطء: فينهار التيار إلى هذا التدفق الصغير. وعند الجهود العالية يتأكسد الغشاء نفسه إلى أنواع ذائبة، أو يتأكسد الماء عليه. وأيونات الكلوريد، الصغيرة والقوية التعقيد، تستطيع إذابة الغشاء عند نقاط ضعفه، حيث يتآكل الفلز العاري عندئذ مصعدًا صغيرًا أمام مهبط مخمَّل ضخم. وشكل المنحنى هنا نموذج. ∎

المنحنى المصعدي لفلز قابل للتخميل (نموذج). التيار، الكبير ما دام الفلز العاري يذوب، ينهار حين يتكوّن الغشاء المخمِّل، ويبقى صغيرًا على مجال واسع من الجهود قبل الصعود الذي يلي منطقة ما بعد التخميل.

تحوي أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ما يكفي من الكروم لتكوين غشاء مخمِّل من أكسيد الكروم يرمم نفسه في الهواء؛ ويحمي الألومنيوم غشاءُ الألومينا، وهو ما يجعل فلزًا يقع بعيدًا تحت الهيدروجين في السلسلة صالحًا لإطارات النوافذ وعلب المشروبات. ويخضر النحاس في الهواء الطلق، والزنجار طبقة من أملاح النحاس القاعدية تبطئ الهجوم اللاحق.

تمثال من النحاس عمره أكثر من قرن: صار جلده من صفائح النحاس الرقيقة أخضر، تغطيه طبقة زنجار من أملاح النحاس القاعدية تحمي الفلز تحتها. (صورة: إلكوبولا، ملكية عامة، ويكيميديا كومنز.)

12.4 الحماية

يُكافح التآكل بفصل الفلز عن الماء والأكسجين (الطلاء، واللدائن، والمينا، أو طبقة من فلز آخر)، أو بتغيير الوسط (نزع الأكسجين، وإضافة مثبطات تمتز على الفلز)، أو بإزاحة جهد الفلز إلى منطقة مناعته.

تعريف 12.10 (الحماية المهبطية)

الحماية المهبطية تخفض جهد منشأة فلزية حتى تتوقف أكسدتها، بجعلها مهبط خلية. ويمكن تكوين الخلية بواسطة مصعد مضحًّى، وهو فلز أقل نبلًا (الزنك، والمغنيسيوم، وسبائك الألومنيوم) موصول بالمنشأة ويُستهلك مكانها، أو تشغيلها بمولّد، في الحماية بالتيار المفروض، ويكون المصعد عندئذ قطبًا خاملًا مدفونًا بالقرب.

قضية 12.11 (عمر مصعد مضحًّى)

المصعد المضحًّى ذو الكتلة $m$ والكتلة المولية $M$ ، المتأكسد مع $n$ إلكترونًا وبمردود $\eta$ (كسر الفلز الذي ينتج تيارًا نافعًا، ويتآكل الباقي من تلقاء نفسه)، يعطي تيارًا $I$ مدة

t = \frac{\eta\,m\,nF}{M I} .

برهان. الشحنة النافعة $\eta\,(m/M)\,nF$ ؛ نقسم على التيار. ∎

الحماية المهبطية لأنبوب مدفون، رسم تخطيطي. يسارًا: مصعد من المغنيسيوم، موصول بالأنبوب، يتآكل مكانه. يمينًا: مقوِّم يدفع تيارًا من مصعد خامل عبر التربة إلى الأنبوب.

مصعد مضحًّى من الزنك مثبَّت بالبراغي على هيكل فولاذي لقارب، بعد موسم في الماء: الزنك متآكل، والفولاذ حوله سليم. (صورة: تسفيرغلشترن، CC BY-SA 3.0، ويكيميديا كومنز.)

خدش عبر طلاء فلزي، رسم تخطيطي. الزنك، الأقل نبلًا من الحديد، يصير المصعد ويحمي الفولاذ المكشوف، أيًّا كان حجم الخدش. أما القصدير، الأنبل من الحديد، فيصير مهبطًا كبيرًا حول مصعد فولاذي صغير، يتآكل أسرع مما كان سيتآكل الفولاذ العاري.

طريقة 12.12 (اختيار حماية)

تجنّب الأزواج الغلفانية: اعزل الفلزات المختلفة، أو اجعل الأقل نبلًا هو الأكبر.
اطلِ: الطلاء العازل (الدهان، القصدير) لا يحمي إلا ما دام سليمًا؛ والطلاء المضحّي (الزنك) يحمي حتى حين يُخدش.
لمنشأة في التربة أو في ماء البحر، أضف الحماية المهبطية: مصاعد مضحّاة للتيارات الصغيرة أو الماء الموصل، وتيارًا مفروضًا للمنشآت الطويلة أو التربة المقاومة.
لا تبالغ في الحماية: فالجهد المنخفض جدًا يختزل الماء إلى هيدروجين عند المنشأة، وهو ما يرفع الطلاءات وقد يقصف أنواع الفولاذ العالية المقاومة.

12.5 تمارين

تمرين 12.1 ★

يتآكل الزنك تآكلًا منتظمًا تحت كثافة تيار قدرها $2.0\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ . احسب ما يفقده من سمكه في السنة ( $\rho = 7.13\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ ).

حل

حل التمرين 12.1.

$j = 0.020\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ : $de/dt = 0.020 \times 65.38/(2 \times 96\,485 \times 7.13 \times 10^6) = 9.5 \times 10^{-13}\,\mathrm{m}/\mathrm{s}$ ، أي $0.030\,\mathrm{mm}$ في السنة.

تمرين 12.2 ★

براغٍ من الفولاذ تثبّت صفائح نحاسية على سطح. أي الفلزين يتآكل؟ والسؤال نفسه لمسامير من الزنك في صفائح فولاذية.

حل

حل التمرين 12.2.

براغي الفولاذ على النحاس: الحديد، الأقل نبلًا، هو المصعد، والبراغي الصغيرة على مهبط نحاسي كبير تتآكل بسرعة. ومسامير الزنك في الفولاذ: يتآكل الزنك ويحمي الفولاذ من حوله.

تمرين 12.3 ★

تُشد صفيحتان فولاذيتان ببرغي وتُتركان في ماء البحر. أين يتركز التآكل، ولماذا؟

حل

حل التمرين 12.3.

في الفجوة الضيقة بين الصفيحتين وتحت رأس البرغي، حيث يتجدد الماء ببطء ويُستنفد أكسجينه سريعًا: فبفعل التهوية التفاضلية تصير هذه المناطق المحصورة مصاعد، والسطوح المكشوفة مهابط.

تمرين 12.4 ★

يُخدش دلو مجلفن وعلبة مقصدرة حتى الفولاذ. أيهما يصدأ عند الخدش؟

حل

حل التمرين 12.4.

العلبة المقصدرة: فالقصدير، الأنبل من الحديد، يجعل الفولاذ المكشوف مصعدًا لمهبط كبير. أما في الدلو المجلفن فيتآكل الزنك بدل الفولاذ.

تمرين 12.5 ★★

على مخطط إيفانز للحديد في الماء المهوّى، فسّر ما يحدث لجهد التآكل وتياره حين يُحرَّك الماء، ثم حين يُنزع منه الأكسجين.

حل

حل التمرين 12.5.

التحريك يُرقّق طبقة الانتشار: فيرتفع استواء الأكسجين، ويلاقيه المنحنى المصعدي للحديد أعلى، فيزداد جهد التآكل وتيار التآكل كلاهما. ودون أكسجين، لا يبقى من تفاعل مهبطي في الماء المتعادل إلا الاختزال البطيء للماء: فينخفض جهد التآكل ويصير تيار التآكل صغيرًا جدًا.

تمرين 12.6 ★★

يحمي مصعد من الزنك كتلته $5.0\,\mathrm{kg}$ هيكل قارب بتيار قدره $0.10\,\mathrm{A}$ ، بمردود قدره 90 % (معطيات تمرين). كم يدوم؟

حل

حل التمرين 12.6.

$t = 0.90 \times 5000 \times 2 \times 96\,485/(65.38 \times 0.10) = 1.33 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$ ، أي نحو 4.2 سنة.

تمرين 12.7 ★★

احسب الشحنة، بالأمبير ساعي لكل كيلوغرام، التي تعطيها مصاعد الزنك والمغنيسيوم والألومنيوم بمردود 100 %، والجهود المعيارية لمزدوجاتها من $\Delta_f G^\circ$ ( $\ce{Zn^2+}$ $-147.06$ ، $\ce{Mg^2+}$ $-454.8$ ، $\ce{Al^3+}$ $-485$ $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ). لماذا يُفضَّل المغنيسيوم في الترب الجافة؟

حل

حل التمرين 12.7.

الشحنة لكل كيلوغرام، $nF/M$ : الزنك $820\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ ، والمغنيسيوم $2.21 \times 10^{3}\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ ، والألومنيوم $2.98 \times 10^{3}\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$ . والجهود المعيارية: $\ce{Zn^2+}/\ce{Zn}$ $-0.76$ ، $\ce{Mg^2+}/\ce{Mg}$ $-2.36$ ، $\ce{Al^3+}/\ce{Al}$ $-1.68\,\mathrm{V}$ . وفي تربة جافة مقاوِمة يجب دفع التيار عبر مقاومة كبيرة: فالمغنيسيوم، الواقع أدنى بكثير من الحديد، يقدم أكبر جهد دافع.

تمرين 12.8 ★★

يحتاج أنبوب مدفون إلى $2.0\,\mathrm{A}$ من تيار الحماية. ولفراش المصعد الخامل مقاومة قدرها $4.0\,\Omega$ بالنسبة إلى التربة وتحتاج الخلية $1.5\,\mathrm{V}$ إضافية (معطيات تمرين). احسب جهد المقوِّم والطاقة الكهربائية في السنة.

حل

حل التمرين 12.8.

$U = 2.0 \times 4.0 + 1.5 = 9.5\,\mathrm{V}$ ؛ الاستطاعة $19\,\mathrm{W}$ ؛ وفي السنة $19 \times 8766 = 1.7 \times 10^{5}\,\mathrm{W}\,\mathrm{h}$ ، أي $1.7 \times 10^{2}\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ .

تمرين 12.9 ★★

ركيزة فولاذية قائمة في البحر. فسّر لماذا يكون تآكلها أشد تحت خط الماء بقليل، لا عند خط الماء نفسه.

حل

حل التمرين 12.9.

عند خط الماء يبلل الفلزَ ماءٌ غني بالأكسجين، فيكون مهبطًا؛ وتحته بقليل يكون الماء أقل تهوية فتصير المنطقة مصعد الخلية المتكوّنة مع خط الماء: فيتآكل الفولاذ هناك، في شريط.

تمرين 12.10 ★★★

فسّر، بمنحنى التخميل، لماذا يقاوم الفولاذ المقاوم للصدأ الماء المهوّى لكنه قد يتنقر في ماء البحر، ولماذا تنمو النقرة، بعد أن تبدأ، عمقًا لا اتساعًا.

حل

حل التمرين 12.10.

في الماء المهوّى يقع جهد تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ على استواء تخميله: تيار ضئيل، والغشاء يرمم نفسه. وأيونات الكلوريد تكسر الغشاء عند نقاط ضعفه؛ فيكون الفلز العاري هناك مصعدًا صغيرًا أمام مهبط مخمَّل هائل، فتكون كثافة تياره ضخمة. وداخل النقرة تتحلمه أيونات الفلز وتحمّض المحلول، ويُجتذب الكلوريد إليها لموازنة الشحنة، فلا يمكن للغشاء أن يتكوّن من جديد: فتتعمق النقرة.

تمرين 12.11 ★★★

تُثبَّت قطعة وصل نحاسية على أنبوب فولاذي ينقل ماءً مهوّى. كثافة التيار الحدي للأكسجين $5\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ على كل سطح مبلل؛ ويقدّم النحاس $20\,\mathrm{cm}^{2}$ والفولاذ القريب من الوصلة $2\,\mathrm{cm}^{2}$ (معطيات تمرين). قدّر تيار تآكل الفولاذ وما يفقده من سمكه في السنة قرب الوصلة.

حل

حل التمرين 12.11.

يُختزل الأكسجين على كل $22\,\mathrm{cm}^{2}$ : التيار المهبطي $22 \times 5 = 110\,\text{µ}\mathrm{A}$ ، يمده كله تأكسد $2\,\mathrm{cm}^{2}$ من الفولاذ قرب الوصلة، $j = 55\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ . والفقد $5.5$ أضعاف فقد الحديد عند $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ ، أي نحو $0.64\,\mathrm{mm}$ في السنة.

تمرين 12.12 ★★★

مستعملًا مخطط الجهد–pH للحديد ومنحنيات الماء، فسّر لماذا ينبغي إبقاء جهد منشأة فولاذية محمية تحت نحو $-0.6\,\mathrm{V}$ لكن لا بعيدًا تحت $-1\,\mathrm{V}$ في الماء المتعادل.

حل

حل التمرين 12.12.

يكون الحديد منيعًا تحت خط $\ce{Fe^2+}/\ce{Fe}$ ، $-0.41 + 0.0296\log 10^{-6} = -0.59\,\mathrm{V}$ : فإذا حُفظ تحت نحو $-0.6\,\mathrm{V}$ لا يعود الفولاذ يذوب. وأدنى من ذلك بكثير، يُختزل الماء على الفولاذ بسرعة متزايدة (فخط $\ce{H+}/\ce{H2}$ عند $-0.41\,\mathrm{V}$ عند pH 7 وفرط الجهد على الفولاذ بضعة أعشار الفولط): فيضيع التيار ويرفع الهيدروجين الطلاء.

12.6 مسألة: حماية خط أنابيب

مسألة 12.1

مسألة نهاية الأسبوع — تآكل أنبوب فولاذي عارٍ في تربة رطبة، واختيار فلز مضحًّى، والمغنيسيوم اللازم لعشرين سنة، وبديل التيار المفروض

خط أنابيب فولاذي طوله $10.0\,\mathrm{km}$ وقطره $0.30\,\mathrm{m}$ مدفون في تربة رطبة. المعطيات: الحديد $M = 55.845\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، $\rho = 7.87\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ ؛ المغنيسيوم $M = 24.305\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ؛ $\Delta_f G^\circ$ ( $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{Fe^2+}$ $-78.90$ ، $\ce{Zn^2+}$ $-147.06$ ، $\ce{Mg^2+}$ $-454.8$ ، $\ce{Al^3+}$ $-485$ . ومعطيات التمرين: كثافة تيار تآكل الفولاذ العاري في هذه التربة $10\,\text{µ}\mathrm{A}/\mathrm{cm}^{2}$ ؛ وكثافة التيار التصميمية لحماية الفولاذ العاري $20\,\mathrm{mA}/\mathrm{m}^{2}$ ؛ ويترك الطلاء 1.0 % من السطح عاريًا؛ ومصاعد المغنيسيوم كتلة كل منها $15\,\mathrm{kg}$ ، بمردود 50 %؛ ومقاومة فراش المصعد للتيار المفروض $5.0\,\Omega$ .

الجزء الأول — الأنبوب العاري.

اكتب التفاعلين المصعدي والمهبطي على الأنبوب.
لماذا يحدد إمدادُ الأكسجين تيارَ التآكل؟
احسب كتلة الحديد المفقودة لكل متر مربع وفي السنة.
احسب ما يُفقد من سمك الجدار في السنة.
كم من الوقت يحتاج الأنبوب العاري ليفقد نصف جدار سمكه $8\,\mathrm{mm}$ ؟
لماذا يتلف الأنبوب الحقيقي أبكر من ذلك، عند بضع نقاط؟

الجزء الثاني — فلز المصعد.

احسب الجهود المعيارية لمزدوجات الحديد والزنك والمغنيسيوم والألومنيوم.
أي الفلزات تستطيع حماية الحديد مصاعدَ مضحّاة؟
لماذا يقل استعمال الألومنيوم في الترب؟
لماذا يُفضَّل المغنيسيوم على الزنك في تربة عالية المقاومية؟
احسب كتلة المغنيسيوم المستهلكة لكل أمبير وفي السنة.

الجزء الثالث — التصميم.

احسب السطح الخارجي للأنبوب.
احسب السطح العاري الذي يتركه الطلاء.
احسب تيار الحماية.
احسب الشحنة اللازمة لعشرين سنة.
احسب كتلة المغنيسيوم اللازمة.
كم مصعدًا يلزم؟
لماذا تُوزَّع على طول الأنبوب بدل دفنها في نقطة واحدة؟

الجزء الرابع — التيار المفروض.

صِف بديل التيار المفروض.
قدّر جهد المقوِّم من مقاومة فراش المصعد، مضيفًا $1.5\,\mathrm{V}$ للأقطاب.
احسب الطاقة الكهربائية المستعملة في السنة.
ماذا يسوء إذا بولغ في حماية الأنبوب؟
تحت أي جهد يكون الحديد منيعًا في الماء المتعادل، مع أخذ تركيز للحديد(II) قدره $1 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ ؟
اذكر كتلة مصاعد المغنيسيوم اللازمة لعشرين سنة.

حل

حل المسألة 12.1.

1. $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ ؛ $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ . 2. اختزال الأكسجين، البطيء والبالغ استواء انتشاره، يحد التيار المهبطي؛ ويلاقيه المنحنى المصعدي للحديد على ذلك الاستواء. 3. $j = 0.10\,\mathrm{A}/\mathrm{m}^{2}$ : $0.10 \times 3.156 \times 10^7/(2 \times 96\,485) \times 55.845 = 913\,\mathrm{g}$ لكل متر مربع وفي السنة. 4. $913/7.87 \times 10^6 = 1.16 \times 10^{-4}\,\mathrm{m}$ ، أي $0.12\,\mathrm{mm}$ في السنة. 5. $4/0.116 = 34$ سنة. 6. التآكل غير منتظم: فالشقوق، واختلافات التهوية بين الترب، وعيوب الطلاء تركّز التيار المصعدي على مساحات صغيرة، حيث تثقب النُّقَر الجدار قبل ذلك بكثير. 7. $E^\circ = \Delta_f G^\circ/(nF)$ لكل مزدوجة: $\ce{Fe}$ $-0.41$ ، $\ce{Zn}$ $-0.76$ ، $\ce{Mg}$ $-2.36$ ، $\ce{Al}$ $-1.68\,\mathrm{V}$ . 8. الزنك والمغنيسيوم والألومنيوم، وكلها تحت الحديد. 9. يتخمَّل الألومنيوم: فغشاء أكسيده يوقف ذوبانه ولا يعطي عندئذ إلا تيارًا قليلًا، ما لم يُسبك بما يمنع الغشاء (وهو ما ينجح في ماء البحر، لا في الترب). 10. يجب أن يعبر التيار مقاومة التربة: والجهد الدافع بين المصعد والفولاذ المحمي نحو $1.9\,\mathrm{V}$ للمغنيسيوم مقابل $0.35\,\mathrm{V}$ للزنك (من الجهود المعيارية). 11. $3.156 \times 10^7 \times 24.305/(2 \times 96\,485 \times 0.50) = 7.95\,\mathrm{kg}$ لكل أمبير وفي السنة. 12. $\pi \times 0.30 \times 10\,000 = 9.42 \times 10^{3}\,\mathrm{m}^{2}$ . 13. $94.2\,\mathrm{m}^{2}$ . 14. $0.020 \times 94.2 = 1.88\,\mathrm{A}$ . 15. $1.885 \times 20 \times 3.156 \times 10^7 = 1.19 \times 10^{9}\,\mathrm{C}$ . 16. $1.19 \times 10^9 \times 24.305/(2 \times 96\,485 \times 0.50) = 3.00 \times 10^{5}\,\mathrm{g}$ ، أي $300\,\mathrm{kg}$ (أو $1.885 \times 20 \times 7.95$ ). 17. $300/15 = 20$ مصعدًا. 18. مقاومة التربة تحد المسافة التي يستطيع مصعد واحد أن يدفع إليها تياره على طول الأنبوب: فالمصاعد الموزعة تحميه بانتظام. 19. يدفع مقوِّم التيار من مصعد خامل مدفون في فراش مصعدي، عبر التربة، إلى الأنبوب الموصول بقطبه السالب. 20. $1.885 \times 5.0 + 1.5 = 10.9\,\mathrm{V}$ . 21. $10.9 \times 1.885 = 20.6\,\mathrm{W}$ ؛ $20.6 \times 8766 = 1.8 \times 10^{5}\,\mathrm{W}\,\mathrm{h}$ ، أي $180\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ في السنة. 22. يُختزل الماء عند الأنبوب: فيتكوّن الهيدروجين، ويرفع الطلاء وقد يقصف الفولاذ، ويضيع التيار. 23. $E < -0.41 + 0.0296\log(10^{-6}) = -0.59\,\mathrm{V}$ . 24. تحتاج عشرون سنة من الحماية إلى $\boldsymbol{\approx 3.0 \times 10^{2}\,\mathrm{kg}}$ من مصاعد المغنيسيوم.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد