النحاس هو معدن يستخدم على نطاق واسع ويمتلك مزيجًا فريدًا من الخصائص، مثل كونه قابلاً للطرق والسحب والتوصيل. مثل أي معدن آخر، فإنه يخضع لعملية التحلل أو الأكسدة التي تنطوي على تغيرات فيزيائية وكيميائية.
الآن، دعونا نتعمق أكثر في تآكل النحاس.
هل يصدأ النحاس أو يتآكل؟
التآكل هو عملية طبيعية تحدث عندما تتفاعل المعادن مع الجو أو المواد الكيميائية أو ظروف محددة أخرى. يؤدي هذا التحول إلى مظهر مختلف مع تغييرات في الخواص الميكانيكية للمعدن وسلامته الهيكلية الأضعف. يشكل النحاس طبقة أكسيد النحاس البني المحمر أثناء تفاعلها الكهروكيميائي مع البيئة.
يتكون الصدأ عندما تخضع السبائك المعدنية التي تحتوي على الحديد لعملية الأكسدة. ومع ذلك، النحاس معدن غير حديدي، وهذا يعني أنه لا يحتوي على الحديد. حيث أن محتوى الحديد يعتبر شرطاً أساسياً لتكوين الصدأ، من المؤكد أن النحاس لا يصدأ، فهو يتآكل أو يتأكسد حيث تهبط جزيئات الأكسجين على سطحه وتتحد مع ذرات النحاس لتكوين أكسيد النحاس.
على عكس أكسيد الحديد، لا يتفكك أكسيد النحاس بمرور الوقت. يشكل طبقة واقية على سطح النحاس والتي تزداد سماكتها تدريجياً حتى تصبح كربونات النحاس. تسمى هذه الطبقة الجديدة من المواد الزنجار، بمثابة درع يحافظ على النحاس غير الملوث بالداخل. والأكثر من ذلك، أن الزنجار التالف يجدد نفسه.
يعد تآكل النحاس عملية بطيئة، خاصة في البيئات غير الملوثة. لذلك، يستغرق الأمر شهورًا أو حتى سنوات حتى تصبح الأسطح مشوهة وتتحول تدريجيًا إلى اللون البني الداكن أو الأسود وفي النهاية إلى اللون الأزرق والأخضر المميز.
يمكن إجبار تشكيل الزنجار، كما هو الحال بالنسبة لبعض التطبيقات، غالبًا ما يكون المظهر المحدد مرغوبًا بينما لا يوجد أحد لديه الوقت لانتظار النحاس لتحقيق هذا المظهر بشكل طبيعي. يتم تحقيق هذا عن طريق معالجة الأسطح النحاسية بمختلف المواد الكيميائية أو العوامل المسببة للتآكلمثل نترات الحديديك وثيوكبريتات الصوديوم والبوتاس الكبريتي. وباستخدام طرق مختلفة وتعريض النحاس لدرجات حرارة ومستويات رطوبة مختلفة، يمكن الحصول على درجات وألوان مختلفة.
تكون بعض تطبيقات النحاس أكثر كفاءة عندما تتم إزالة الزنجار تمامًا ويكون النحاس في أنقى صوره. ومن الأمثلة على ذلك الأسلاك النحاسية، التي تظهر حالتها الأكثر توصيلًا للكهرباء بدون الزنجار. يعمل طلاء الشمع والتلميع والمحاليل على عزل النحاس من عوامل التآكل، ويمنعها من الأكسدة والتشويه.
الظروف التي تساهم في تآكل النحاس
هناك ظروف محددة تعمل على تعزيز أو تسريع تآكل النحاس. وتشمل هذه:
- يؤدي التعرض للظروف البيئية التي تحتوي على مياه مالحة أو حرارة أو مركبات حمضية إلى تدهور سطح النحاس.
- تعمل التيارات المستحثة المباشرة أو المتناوبة التي تتدفق في التربة على تسريع معدل التآكل لأنابيب النحاس الموجودة تحت الأرض.
- يحدث التآكل الجلفاني عندما تتلامس معادن مختلفة مع النحاس. مثال على ذلك هو اتصال أنبوب نحاسي بأنبوب فولاذي، حيث تؤدي الاختلافات في التوصيل الكهربائي إلى تعزيز التآكل. أسهل طريقة لمنع حدوث التأثير الجلفاني هي عزل النحاس عن المعادن الأخرى.
- يمكن للتربة العدوانية بشكل غير طبيعي أن تسهل تآكل النحاس عندما تحتوي على تركيزات عالية من الكلوريد والكبريتات ومركبات الأمونيا والرطوبة.
- يؤدي التلامس مع كميات كبيرة من الأحماض العضوية وغير العضوية إلى تدهور السطح المعدني للنحاس، مما يؤدي إلى إزالة الطبقة الواقية.
- قد يحدث إجهاد التآكل نتيجة للضغط المستمر المطبق على معادن النحاس المطيلة. قد تؤدي السرعة العالية وتدفق المياه المضطرب داخل الأنابيب النحاسية إلى حدوث تآكل وتآكل موضعي. يؤدي الانكماش والتمدد الدوري للأنابيب النحاسية إلى حدوث إجهاد مما يؤدي إلى التعب.
- تؤدي المستويات المرتفعة من ذرات الأكسجين الموجودة في البيئة إلى تآكل سطح المعدن من خلال الأكسدة المتسارعة.
مثال على تآكل النحاس – تمثال الحرية في مدينة نيويورك
يمكن رؤية مثال رائع على تآكل النحاس على تمثال الحرية في نيويورك. تم تشييد التمثال في عام 1886، وكان لونه في الأصل بنيًا لامعًا، لكن الأمر استغرق حوالي 10 سنوات من التعرض للبيئة الطبيعية عن طريق المياه في نيويورك ليتحول لونه إلى صدأ أخضر مزرق. وبعد مرور 15 عامًا أخرى، أصبح الزنجار مكتملًا.
كان هناك أيضًا سياسيون اقترحوا طلاء التمثال باللون البني اللامع مرة أخرى، لكن لحسن الحظ لم يعجب الجمهور الأوسع بهذه الخطة على الإطلاق. اليوم، المظهر الأزرق والأخضر محبوب من قبل الجميع. ويرى البعض أن التمثال يجب أن يتم صقله كل 50 عامًا، حتى يتمكن كل جيل من تجربة التشويه التدريجي وتغير الألوان. إلا أن هذه الفكرة ليست عملية. مثل يبلغ سمك التمثال حوالي 2.4 ملم فقط، سينتهي به الأمر إلى أن يصبح رقيقًا جدًا بعد بضع دورات، وسرعان ما لن يتبقى أي تمثال.
كان للتآكل تأثير على التصميم الأصلي للتمثال، والذي كان عبارة عن مزيج من هيكل عظمي حديدي مع جلد نحاسي. وقد حدث تآكل كلفاني بين العنصرين، حيث تعمل مياه الأمطار كمحلول كهربائي. تم طلاء الهيكل الحديدي بطبقة من الزنك بينما تم استبدال الأجزاء المتآكلة بالفولاذ المقاوم للصدأ.
تطلبت عملية الترميم الرئيسية 8000 قدم مربع من صفائح النحاس لاستبدال أجزاء، مثل السقف والشعلة، بينما تم استبدال شعلة الشعلة بالنحاس الصلب وأوراق الذهب. تم تجهيز الشعلة البديلة مسبقًا لتتناسب مع بقية التمثال قبل تركيبها في عام 1986. وتلاشى الزنجار الاصطناعي في غضون بضع سنوات، مما أدى إلى كشف النحاس الباهت. لقد استغرق الأمر أكثر من عشرين عامًا حتى يتمكن النحاس البني الباهت من تطوير الزنجار الخاص به.
آثار التآكل على سبائك النحاس
عادة ما يتم دمج النحاس مع معادن أخرى، لأنه عنصر معدني مرن ومرن للغاية. تشمل سبائك النحاس الشائعة البرونز (88% نحاس، 12% قصدير) والنحاس (66% نحاس، 34% زنك مع بعض آثار الحديد والرصاص).
تختلف سبائك النحاس مقارنة بالنحاس النقي وتتآكل بشكل مختلف عن كيفية تآكل النحاس النقي. قد يتحول لون سبيكة النحاس إلى لون مختلف عن اللون الأخضر أثناء تعرضها للتآكل. على سبيل المثال، يأخذ النحاس اللون البني الذهبي بينما قد يتحول البرونز إلى اللون الأخضر الليموني إلى البني الداكن.
يختلف سلوك التآكل بين سبائك النحاس اعتمادًا على خواصها الفيزيائية والكيميائية والبيئة والإجهاد وعوامل أخرى.
تُظهر سبائك النحاس مقاومة استثنائية للتآكل في ظل ظروف معينة. وفيما يلي بعض الأمثلة على ذلك:
- نحاس ألومنيوم مقاوم للغاية للتآكل الناتج عن المياه المالحة عالية السرعة.
- برونز الألومنيوم مقاوم للهجمات الكيميائية من محاليل الكبريتيت.
- النحاس والسيليكون سبائك توفر مقاومة كبيرة ضد التشقق الناتج عن الإجهاد والتآكل مقارنة بالنحاس.
- فضات النيكل توفر حماية ممتازة ضد التآكل الناتج عن التعرض للمياه العذبة والمياه المالحة.