חלודה – התפתחותה והשלכותיה

אין אחד שלא מכיר אותה או לא נתקל בה פעמים רבות בחייו. סיפורים רבים סופרו על החיידקים המסוכנים ששורצים בה, ושאפילו המגע הקטן שבקטנים בה עלול להיות איום ונורא. היא האיוּם הגדול ביותר על כל מכונה, גשר או סתם קורה שעשויה מברזל, ונזקיה הרבים עולים לתעשייה ולכל אחד מאיתנו הרבה מאוד כסף. ניחשתם נכון – מדובר בחומר החום-אדמדם הזה שנקרא חלודה.

למרות המוניטין השלילי שיצא לחלודה, האם יצא לכם פעם לעצור לרגע ולחשוב איך היא נוצרת ואם אפשר למנוע את היווצרותה ואת התפשטותה. וגם, האם החלודה באמת מסכנת את בריאותנו?

חלודה נוצרת כשברזל עובר תהליך של חמצון בנוכחות של מים וחמצן, שנמצאים בכל רגע נתון באוויר שאנו נושמים. למעשה, הברזל אינו המתכת היחידה שעוברת תהליך חמצון, אלא כל מתכת עוברת תהליך כזה ברמה זו או אחרת. כסף, זהב ופלטינה, למשל, משתייכות לקבוצת המתכות האצילות שכמעט אינן מתחמצנות. לעומת זאת, אבץ, נחושת וברזל שייכים לקבוצת מתכות המעבר שמתחמצנות בקלות.

תהליך החמצון של המתכות נקרא "קורוזיה", או בעברית שיתוך. חלודה היא מקרה פרטי של שיתוך שבו הברזל מתחמצן ליצירת תחמוצת ברזל. אז מדוע תהליך החמצון של הברזל זכה לכבוד כה רב, התבדל מכל שאר המתכות וזכה לשם משל עצמו?

ריאקציית חמצון-חיזור

הברזל, שמצוין באותיות Fe בטבלה המחזורית (קיצור של Ferrum בלטינית), הוא המתכת הנפוצה ביותר בכדור הארץ – ולכן הוא זול יחסית למתכות אחרות. כמו כן הוא מתאפיין בעמידות רבה ובחוזק מכני גבוה מאוד שהפכו אותו לאמצעי פופולרי מאוד לבניית גשרים, בניינים, ספינות, מכונות, כלי רכב ועוד. אך אליה וקוץ בה, החיסרון והאויב הגדול ביותר של הברזל הוא דווקא הוא עצמו. החלודה, או תחמוצת הברזל שנוצרת על פני שטח הברזל, איננה חזקה כמוהו. אפילו להיפך, היא חלשה ופריכה עד כדי כך שאפשר לקלף אותה ולפורר אותה בידיים חשופות.

שרשרת מחלידה. תמונה זו צולמה בידי WikipedianMarlith ונלקחה מויקיפדיה

התהליך הכימי שמתאר את היווצרות החלודה נקרא ריאקציית חמצון-חיזור. בתהליך זה אטום או מולקולה לוקחים אלקטרונים מאטום או ממולקולה אחרים. התהליך הזה מתרחש בגלל הפרש פוטנציאלי חיזור שקיים בין כל שתי מולקולות או אטומים בטבע. ככל שפוטנציאל החיזור של אטום מסוים הוא גבוה יותר כך יגבר ה"רצון" שלו לקבל אלקטרונים (כלומר לעבור תהליך של חיזור). לכן, אם שני אטומים שונים ייצרו ביניהם מגע, אלקטרונים יעברו מהאטום בעל פוטנציאל החיזור הנמוך לזה בעל פוטנציאל החיזור הגבוה.

בתא אלקטרוכימי, המתכת שמוסרת אלקטרונים נקראת אנודה וזו שמקבלת אלקטרונים נקראת קתודה, כפי שניתן לראות באיור הבא:

תא אלקטרוכימי המורכב מאנודת מגנזיום וקתודת ברזל. התמונה נלקחה מוויקיפדיה.

כפי שהמגנזיום מתחמצן בשל נוכחות חומר בעל פוטנציאל חיזור גבוה יותר – הברזל – כך מתרחש תהליך החמצון של הברזל בשל נוכחות החמצן באוויר. כפי שכבר צוין בהתחלה, על מנת שתהליך החלדת הברזל ייצא לפועל חייבים להיות בקרבתו גם מים (H₂O) וגם חמצן (O₂). התחמצנות הברזל מתרחשת בכמה שלבים, שבמהלכם החמצן לוקח אלקטרונים מהברזל כדי ליצור יוני ברזל (Fe⁺³), המים מגיבים עם יוני הברזל שנוצרו בסדרת ריאקציות, עד שבסוף נוצרת החלודה, או בשמה הכימי Ferric Oxide, שנוסחתה הכימית היא Fe₂O_3.

הריאקציה המסכמת של תהליך החמצון היא: 4Fe + 3O₂→ 2Fe₂O₃

שאלה של חוזק

כאמור, תהליך חמצון דומה לברזל עוברות גם מתכות אחרות, למשל אלומיניום. מדוע איננו רואים חלודה, סימני התקלפות או שינוי צבע במקרה אחרים?

הסיבה לכך טמונה בתכונות המכניות ובחוזק של תחמוצת האלומיניום (Al₂O₃) בהשוואה לתחמוצת הברזל. תחמוצת האלומיניום הרבה יותר קשיחה מתחמוצת הברזל ולכן איננה מתקלפת. בשל כך, היא בעצם יוצרת מעל האלומיניום שכבת מגן שמונעת מהחמצן והמים שבאוויר להגיע למתכת שמתחתיה וכך תהליך החמצון נעצר בשלב מוקדם.

תהליך זה נקרא פסיבציה (מניעת התחמצנות) עצמית, מכיוון שתחמוצת האלומיניום עצמה מונעת משאר האלומיניום להתחמצן. לעומת זאת, תחמוצת הברזל פריכה ושבירה ולכן מתקלפת אחרי היווצרותה וחושפת אזורים חדשים של ברזל שמוכן להתחמצן. בנוסף, ההתקלפות מגדילה את שטח הפנים של הברזל ולכן מאיצה עוד יותר את תהליך ההתחמצנות. ניתן לכן לומר שהחלדת הברזל היא תהליך שמחזק את עצמו, כך שמרגע שהחל קצב יצירת החלודה ילך ויגדל.

סיכום ביניים

תהליך יצירת החלודה מורכב לפיכך משלושה שלבים עיקריים:

1. חמצן ומים מהאוויר מתחילים לחמצן את הברזל בפני השטח החשופים שלו ונוצרת חלודה (Fe₂O₃).
2. החלודה הפריכה מתקלפת וחושפת את הברזל מתחתיה לחמצן ומים מהאוויר.
3. חמצן ומים מגיעים לאזורים החשופים והחלודה ממשיכה להיווצר ולהתפשט בברזל עד שכולו התחמצן.

תהליך ההתחמצנות של הברזל | איור: מאת המחבר.

אז מה עושים נגד החלודה?

ראינו עד כה איך החלודה פוגמת באיכות הברזל ולכן מסכנת את קיומו של כל מבנה או רכיב שמכיל ברזל. אם כך, מדוע אנו מסתכנים בכלל בקריסת בניינים וגשרים, טביעה של ספינות או סתם בכך שרכיב חשמלי יפסיק לעבוד? הרי קיימות מתכות חזקות אחרות שעמידות הרבה יותר בפני חמצון?

התשובה הצפויה היא כמובן כסף. הברזל הוא מתכת זולה יחסית למתכות חזקות אחרות שעמידות יותר ממנו בפני חמצון – למשל טיטניום. במקום לשלם הרבה מאוד על טיטניום, עדיף להשקיע קצת יותר במציאת פתרונות זולים לבעיית ההחלדה של הברזל.

כמה פתרונות מאפשרים להתגבר על היווצרות החלודה והתפשטותה. הדרך הטריוויאלית והזולה ביותר היא לצפות את הברזל בצבע שמן, כפי שנעשה למשל בגדרות של גני ילדים ובתי ספר. כך אפשר למנוע מהמים להגיע לברזל, וכאמור בלי מים תהליך יצירת החלודה לא מתרחש. עלותה של השיטה הזאת נמוכה יחסית, אך חסרונה הגדול הו שהיא דורשת צביעה ותחזוקה שוטפת של הברזל כדי למנוע את התקלפות הצבע. קיימות עוד כמה שיטות שמבוססות על עקרון ציפוי הברזל, וכולן מוגדרות שיטות פסיביות, כלומר שיטות שאינן מסכלות את שיתוך הברזל באמצעים כימיים פעילים אלא מונעות את התנאים הדרושים להיווצרות התהליך.

שיטה אלגנטית ויעילה שמונעת את שיתוך הברזל בצורה אקטיבית נקראת הגנה קתודית. השיטה מנצלת את העובדה שלכל חומר יש פוטנציאל חיזור שונה, כך שאלקטרונים יעברו לחומר בעל פוטנציאל החיזור הגבוה יותר.

איך היא עובדת? מצמידים לברזל מתכת בעלת פוטנציאל חיזור נמוך יותר – בדרך כלל אבץ – כך שנוצר ביניהם מגע שמאפשר הולכת אלקטרונים. כאשר הברזל מתחמצן מהחמצן שבאוויר הוא אמנם מאבד אלקטרונים, אך מכיוון שקיים מגע בינו לבין האבץ הוא משלים את האלקטרונים שאבדו לו בכך שהוא לוקח אלקטרונים חלופיים מהאבץ. במצב שנוצר כך, החמצן בעצם לוקח בצורה עקיפה אלקטרונים מהאבץ שמתחמצן בעוד הברזל נותר ללא פגע (דוגמה לכך אפשר לראות בתמונה למטה). במקרה זה האבץ מוסר אלקטרונים לברזל, ולכן הוא מתפקד כאנודה והברזל כקתודה. מכאן גם נובע השם של השיטה: הגנה קתודית, כלומר הגנה על הברזל (קתודה). השיטה הזאת יעילה ונמצאת בשימוש רב, בעיקר להגנה על שלדי ספינות וצינורות ברזל.

חתיכת אבץ שמוצמדת לשלד ספינה מברזל. האבץ התחמצן ואילו הברזל נותר ללא פגע. התמונה נלקחה מוויקיפדיה.

יש עוד שיטות רבות, מגוונות וזולות יחסית שמונעות ביעילות את יצירת החלודה על הברזל. בזכותן הברזל נותר גם כיום המתכת האטרקטיבית והנפוצה ביותר בתעשייה.

חשוב גם לציין שבדרך כלל הברזל שאנו רואים בחיי היומיום איננו נמצא בצורתו הטהורה אלא בתערובת עם חומרים אחרים. למשל, החדרת אחוז מועט של פחמן (C) לתוך הברזל מעניק לנו פלדה, שחזקה לאין ערוך מהברזל בצורתו הטהורה אך גם היא ינה מוגנת מפני שיתוך. לעומת זאת, אם נשלב את הברזל עם מתכות אחרות כמו ניקל (Ni) או כרום (Cr) נקבל את הנירוסטה המפורסמת (Stainless steel או פלדת אלחלד) שממנה עשויים רוב הסירים וכלי האוכל שלנו. בניגוד לפלדה, הנירוסטה עמידה מאוד בפני שיתוך, אך גם מחירה גבוה בהתאם.

אז בפעם הבאה שתראו חלודה, אל תיבהלו ותברחו לצד השני של הרחוב. פשוט עצרו לרגע והקדישו זמן קצר כדי להשתאות ולהתפעל ממנה, שהרי אתם חוזים בריאקציית חמצון-חיזור פעילה של הטבע. ולמען הסר ספק, בניגוד למה שחושבים רבים החלודה איננה הגורם להידבקות בחיידקיי הטטנוס, מפני שהחיידקים האלה נמצאים בדרך כלל דווקא באדמה ובצואת בעלי חיים, ולא בחלודה. לכן כל פציעה מחפץ חד ומלוכלך שהיה במגע עם האדמה עלול באותה מידה לגרום להידבקות, בין אם הוא חלוד ובין אם לא.