چرا آهن در هوای مرطوب زنگ میزند؟ (تحقیق درباره زنگ آهن)
چرا آهن در هوای مرطوب زنگ میزند؟ علوم پنجم از دانش آموزان می خواهد درباره زنگ زدن آهن و دلایل آن تحقیق و مشاهده کنند. چه عواملی باعث زنگ زدن آهن می‌شود؟ ممکن است سایر مقاطع تحصیلی هم نیاز داشته باشند درباره زنگ آهن بیشتر بدانند. در ادامه درباره علت زنگ زدن آهن و جزییاتش می خوانیم.
زنگ زدن آهن چیست؟
همان طور که می‌دانید آهن یک عنصر است. اگر یک وسیله‌ی آهنی را در هوای مرطوب یا در مجاورت آب قرار دهید دچار زنگ زدگی می‌شود. به علت وجود اکسیژن در هوا زنگ زدگی اتفاق می‌افتد که به آن زنگ آهن می‌گویند. نام علمی این ماده اکسید آهن است.
آهن در اثر زنگ زدگی می‌پوسد و مقاومتش کم می‌شود. تغییری که در نتیجه مجاورت با رطوبت در آهن اتفاق افتاده است، یک تغییر شیمیایی است، زیرا خواص اولیه‌ی آهن در نتیجه‌ی این زنگ زدن از بین می‌رود. پس به طور کلی برای زنگ زدن آهن سه ماده نیاز است، آهن، آب، اکسیژن.
آهن در هوای مرطوب زودتر زنگ میزند یا خشک؟ چرا؟
ترکیب چه ماده‌ای باعث زنگ زدن آهن می‌شود؟ هوای مرطوب. باید بدانید که در هوای مرطوب؛ آب و اکسیژن بسیار وجود دارد. اما در هوای خشک به این صورت نیست. به همین خاطر آهن در هوای مرطوب زودتر از هوای خشک زنگ میزند.
باید بدانید که برای اکسید شدن آهن معمولا سه ماده لازم است. این سه ماده آهن، آب و اکسیژن می‌باشد. در هوای مرطوب آب و اکسیژن بسیار یافت می‌شود. به همین خاطر در صورتی قطعه یا همان آهن در هوای مرطوب قرار دهید؛ مشاهده خواهید کرد که به سرعت دچار زنگ زدگی می‌شود. توجه داشته باشید که این فرآیند زمانی شروع می‌شود که آهن با آب برخورد داشته باشد چرا که آب به عنوان یک الکترولیت خوب با دی اکسید کربن که در هوا موجود است واکنش نشان می‌دهد و باعث می‌شود تا اسید کربنیک را تشکیل دهد.
اسید کربنیک یک اسید بسیار ضعیف می‌باشد. این اسید کربنیک نسبت به آب نیز الکترولیت بهتری بوده و باعث می‌شود تا در آهن حل شود. پس از این مراحل مولکول‌های آب به اکسیژن و هیدروژن سازنده آن تجزیه شده و اکسیژن آزاد در آهن حل شده با یکدیگر پیوند می‌خورند. به این صورت باعث می‌شود تا زنگ آهن یا اکسید آهن تشکیل شود.
دو عامل مهم زنگ زدن آهن چیست؟
اکسیژن و آب (رطوبت) دو عامل مهم در هر زنگ زدگی هستند که در سطح فلزات رخ می‌دهد.
چرا آهن در هوای مرطوب زنگ میزند؟
همگی ما تاکنون شاهد زنگ زدن در محیط‌های بیرونی بوده‌ایم. مطمئنا این اتفاق دلایلی دارد که اِشراف و کنترل این دلایل، عاملی موثر در کاهش میزان زنگ زدگی آهن خواهد بود.
زمانی که یک آهن مرطوب در معرض هوای آزاد و اکسیژن هوا قرار می‌گیرد، زنگ میزند. این زنگ زدن در واقع واکنش شیمیایی آهن و اکسیژن با آب است که به آن اکسید آهن نیز گفته می‌شود. نتیجه زنگ زدگی آهن، به وجود آمدن لایه‌ای قهوه‌ای رنگ بر روی جسم آهنی است که شباهت زیادی به خاک دارد؛ اما ساختار و جنس آن کاملا متفاوت بوده و نتیجه‌ای است که از یک واکنش شیمیایی به دست می‌آید.
وقتی آهن با آب و اکسیژن تماس پیدا کند زنگ میزند، وجود محلول‌های الکترولیت نیز سرعت زنگ زدن آهن را بسیار افزایش می‌دهد. وقتی فلزی خورده می‌شود، الکترولیت به تولید اکسیژن در آن کمک می‌کند. سپس اکسیژن با فلز ترکیب شده و الکترون آزاد می‌شود. زنگ آهن (یا فولاد) نمونه‌ای از فرایند خوردگی است.
زنگ زدن آهن در هوای مرطوب چه نوع تغییری است؟ چرا؟
زنگ زدن آهن یک تغییر شیمیایی است چون شکل و رنگ و مزه و مقاومت آهن زنگ زده با آهن معمولی فرق دارد.
چه کنیم تا آهن زنگ نزند؟
چرا آهن را رنگ می‌زنند؟ چون از رسیدن رطوبت و اکسیژن به آهن جلوگیری کنند. جهت جلوگیری از زنگ زدن آهن می‌توانید آن را رنگ بزنید. همچنین قبل از زدن رنگ به آهن ماده‌ای به نام ضد زنگ باید مورد استفاده قرار گیرد. البته بهتر است بدانید که برخی از انواع آهن دچار زنگ زدگی نمی‌شوند که به آن آهن زنگ نزن یا فولاد ضد زنگ می‌گویند.
باید در نظر داشته باشید در مناطقی که دارای رطوبت می‌باشد معمولاً سرعت زنگ زدن بسیار بالا می‌باشد. به همین خاطر باید در این مناطق از روش‌های مختلفی جهت محافظت از آهن آلات استفاده کرد و مانع زنگ زدن این تجهیزات شد. برخی از این روش‌ها می‌توان به استفاده از پوشش رنگ و جلا، پوشش اکسید فلز، پوشش گالوانیزه، پوشش قلع، پوشش تبدیلی و … اشاره کرد.
با توجه به آهن مورد نظر خود باید روش مناسبی را انتخاب کرده و یک لایه محافظ بر روی سطح آن ایجاد کنید. به این صورت از آهن در برابر زنگ زدگی محافظت خواهد شد.
آهن زنگ نزن چیست؟
همان طور که پیشتر، آهن زنگ نزن را تعریف کردیم، می‌دانیم که آهن زنگ نزن (فولاد زنگ نزن) در واقع آلیاژی از آهن است که اصلی‌ترین عناصر تشکیل دهنده آن آهن، کروم و نیکل است و در آن حداقل درصد جرمی کروم ۱۰٫۵ درصد و حداکثر درصد جرمی کربن ۱٫۲ درصد است.
آهن‌های ضد زنگ، به دلیل خاصیت غیرفعال شدن خود توانایی مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهند. آهن‌های زنگ نزن به دلیل شکل گرفتن یک لایه غیر فعال بر روی سطحشان که به شدت به ماده زیرین پیوند خورده است و از تماس بیشتر ماده به محیط اطراف جلوگیری می‌کند چنین خاصیتی دارند. برای اینکه این پدیده غیرفعال سازی به طور پایدار در فولاد اتفاق بیفتد نیاز است که حداقل ۱۰٫۵ درصد از ماده را کروم تشکیل دهد.
بیشتر بخوانید:
عوامل محیطی نقش مهمی در سرعت زنگ زدگی دارند
در آزمایشی قصد داریم به کمک راهکاری ساده نقش عوامل مختلف مانند سرکه، آب و آب اکسیژنه را در تسریع فرآیند زنگ‌زدگی فلزات مورد بررسی قرار دهیم. برای انجام این آزمایش به مقداری سیم ظرفشویی، یک ظرف شیشه‌ای و مقداری آب، سرکه و مقداری محلول سفیدکننده نیاز دارید.
ابتدا سیم ظرفشویی را داخل ظرف شیشه‌ای قرار دهید. سپس درون ظرف مقداری آب بریزید تا آب به طور کامل روی سیم ظرفشویی را بپوشاند. مقدار کمی سرکه و مقداری هم محلول سفیدکننده به آب درون ظرف اضافه کنید.
ظرف را برای چند ساعت در گوشه‌ای قرار دهید و آنچه در ظرف اتفاق می‌افتد را به دقت زیر نظر قرار دهید. مشاهده می‌کنید پس از گذشت مدت‌زمان کوتاهی سیم ظرفشویی زنگ میزند و می‌توانید آثار ناشی از زنگ‌زدگی را بخوبی در سطح سیم ظرفشویی ببینید.
به نظر شما چه عاملی موجب می‌شود سیم ظرفشویی در این مدت کوتاه زنگ بزند؟ فکر می‌کنید چگونه واکنش شیمیایی میان ترکیب مواد موجود در داخل ظرف بر سیم‌ظرفشویی اثر می‌گذارد؟ چگونه می‌توانید در چنین شرایطی از زنگ‌زدن سیم ظرفشویی جلوگیری کنید؟ همان‌طور که می‌بینید از ترکیب عنصر آهن با آب و اکسیژن، زنگ آهن ایجاد می‌شود.
سرکه، پوشش محافظی را که در سطح سیم‌ظرفشویی وجود دارد، از بین می‌برد و به این ترتیب مولکلول‌های اکسیژن موجود در محلول سفیدکننده به آسانی و بدون وجود هر گونه محدودیتی با آهن موجود در سیم ظرفشویی ترکیب می‌شود.
زنگ زدن آهن گرمازا است
به این ترتیب، سیم‌ظرفشویی که در آب قرار گرفته و سطح آن مرطوب شده است، بسرعت زنگ میزند. اگر سیم ظرفشویی را به انتهای دماسنج ببندید و سپس آن را داخل آب بیندازید، متوجه می‌شوید در اثر این فرآیند دمای آن افزایش می‌یابد. چراکه واکنش زنگ‌زدن آهن، واکنشی گرمازاست که به آزادشدن گرما در محیط منجر می‌شود.
با انجام این آزمایش متوجه می‌شوید عوامل محیطی می‌تواند نقش بسیار مهمی در سرعت انجام واکنش‌های شیمیایی داشته باشد. به گونه‌ای که گاهی برخی از واکنش‌ها که انجام آن‌ها در شرایط طبیعی، مدت‌زمان زیادی به طول می‌انجامد در حضور بعضی از مواد که نقش کاتالیزور را دارند تسریع می‌شود؛ بنابراین سرعت انجام این واکنش‌ها به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.
تاریخچه آهن
آهن نقش بسیار مهم و تعیین کننده‌ای در شکل گیری، رشد و گسترش تمدن پیشرفته امروزی داشته و دارد، به گونه‌ای که هیچ فلز و یا ماده دیگری را نمی‌توان جایگزین آن ساخت. آهن برای اولین بار در اواسط هزاره دوم ق. م از کانی فلزی استخراج و مورد استفاده قرار گرفت.
فراوانی ماده معدنی و قابلیت‌های فراوان آهن از عواملی هستند که سبب شدند این فلز در مدت کوتاهی جایگزین فلزات و مواد دیگر در ساخت بسیاری از ادوات و اشیا شود. این استفاده تاثیر شگرفی بر ساختار‌های مختلف تمدن بشری، بویژه ساختار‌های اقتصادی گذاشت. بر اساس شواهد و قرائن موجود اقوام ساکن در آسیای صغیر اولین کسانی بودند که موفق به تولید آهن از کانسنگ آهن شدند. این کشف در حدود سال ۱۲۰۰ ق. م به سرعت در مناطق مجاور و از جمله ایران گسترش یافت.
اولین اشیای یافت شده در ایران مربوط به عصر آهن (۱۴۵۰-۱۲۰۰ ق. م) است که به دلیل تعداد اندک آن‌ها به نظر می‌رسد وارداتی باشند. بعد از سال ۱۲۰۰ ق. م آهن در ایران به طور گسترده تولید شده و برای ساخت ادوات مختلف مورد استفاده قرار گرفت.
آزمایش‌های صورت گرفته بر روی یافته‌های آهنی ایران نشان می‌دهد که آن‌ها از طریق احیای سنگ آهن و تولید آهن اسفنجی و سپس شمش فلزی، به شیوه چکش کاری ساخته شده اند و اغلب با درصدی از کربن همراه هستند. مطالعات نشان می‌دهد که آهنگران در تولید و تزیین ساخته‌های آهنی، به پیشرفت‌های قابل توجهی دست یافته بودند.
گردآوری: تابناک جوان
منابع: بیتوته / تبیان / آهن آنلاین / آهن هایپر / مقاله تاریخچه پیدایش فن تولید آهن و کاربرد آن در ایران (نویسنده: کاظم ملازاده) / وبلاگ سیدعلی.