التآكل الجلفاني

التآكل الجلفاني (ويُسمى أيضًا التآكل ثنائي المعدن أو تآكل المعادن المختلفة ) هو عملية كهروكيميائية يتآكل فيها أحد المعادن بشكل تفضيلي عند اتصاله كهربائيًا بمعدن آخر مختلف، وكلاهما في وجود محلول إلكتروليتي . يُستغل تفاعل جلفاني مماثل في خلايا البطاريات أحادية الاستخدام لتوليد جهد كهربائي مفيد لتشغيل الأجهزة المحمولة. سُميت هذه الظاهرة نسبةً إلى الطبيب الإيطالي لويجي جالفاني (1737-1798).

يُطلق على نوع مماثل من التآكل الناتج عن وجود تيار كهربائي خارجي اسم التآكل الإلكتروليتي .

تختلف جهود الأقطاب الكهربائية للمعادن والسبائك المختلفة ، فعندما يتلامس معدنان أو أكثر في محلول إلكتروليتي، يعمل أحدهما (الأكثر نشاطًا كيميائيًا ) كمصعد، والآخر (الأقل نشاطًا كيميائيًا ) كمهبط . يُعد فرق الجهد الكهربائي بين التفاعلات عند القطبين القوة الدافعة لتسارع تآكل معدن المصعد، الذي يذوب في المحلول الإلكتروليتي. يؤدي هذا إلى تآكل معدن المصعد بسرعة أكبر من المعتاد، بينما يُثبط التآكل عند المهبط. يُعد وجود المحلول الإلكتروليتي ومسار موصل كهربائيًا بين المعادن ضروريًا لحدوث التآكل الجلفاني. يوفر المحلول الإلكتروليتي وسيلة لهجرة الأيونات ، حيث تتحرك الأيونات لمنع تراكم الشحنات الذي قد يوقف التفاعل. إذا احتوى المحلول الإلكتروليتي على أيونات معدنية لا تُختزل بسهولة (مثل Na⁺ ^، Ca²⁺ ^، K⁺ ^، Mg²⁺ ^، أو Zn²⁺ ⁾ ، فإن تفاعل المهبط هو اختزال أيونات الهيدروجين ^{المذابة} إلى _H₂ أو _{الأكسجين} إلى ^OH⁻ . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

في بعض الحالات، يُشجع هذا النوع من التفاعل عمدًا. على سبيل المثال، تحتوي بطاريات المنازل منخفضة التكلفة عادةً على خلايا من الكربون والزنك . وكجزء من دائرة مغلقة (مسار الإلكترونات)، يتآكل الزنك داخل الخلية بشكل تفضيلي (مسار الأيونات) باعتباره عنصرًا أساسيًا في إنتاج الكهرباء. مثال آخر هو الحماية الكاثودية للهياكل المدفونة أو المغمورة، وكذلك خزانات تخزين المياه الساخنة . في هذه الحالة، تعمل الأنودات التضحية كجزء من زوج جلفاني، مما يعزز تآكل الأنود، بينما يحمي معدن الكاثود.

في حالات أخرى، مثل استخدام معادن مختلطة في الأنابيب (كالنحاس والحديد الزهر والمعادن المصبوبة الأخرى)، يُسهم التآكل الجلفاني في تسريع تآكل أجزاء من النظام. ويمكن حقن مثبطات التآكل ، مثل نتريت الصوديوم أو موليبدات الصوديوم، في هذه الأنظمة لتقليل الجهد الجلفاني. مع ذلك، يجب مراقبة استخدام هذه المثبطات عن كثب، فإذا أدى استخدامها إلى زيادة موصلية الماء داخل النظام، فقد يرتفع الجهد الجلفاني بشكل كبير.

تُعدّ الحموضة أو القلوية ( الأس الهيدروجيني ) من الاعتبارات الرئيسية في أنظمة التدوير ثنائية المعدن ذات الدائرة المغلقة. فإذا لم تكن قيم الأس الهيدروجيني وجرعات مثبطات التآكل مناسبة، سيتسارع التآكل الجلفاني. في معظم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ، لا يُعدّ استخدام الأنودات والكاثودات التضحية خيارًا متاحًا، إذ يتطلب ذلك تركيبها داخل أنابيب النظام، ومع مرور الوقت، ستتآكل وتُطلق جزيئات قد تُسبب أضرارًا ميكانيكية محتملة لمضخات التدوير والمبادلات الحرارية، وما إلى ذلك. ^{[ 5 ]}

يحدث التآكل الجلفاني عادةً في الحديد المجلفن ، وهو عبارة عن صفيحة من الحديد أو الفولاذ مغطاة بطبقة من الزنك. حتى عند تكسر طبقة الزنك الواقية، لا يتأثر الفولاذ الموجود أسفلها . بل يتآكل الزنك لأنه أقل مقاومة للتآكل. ولا يحدث صدأ المعدن الأساسي إلا بعد استهلاكه. على النقيض من ذلك، في علبة الصفيح التقليدية ، يحدث عكس التأثير الوقائي: لأن الصفيح أكثر مقاومة للتآكل من الفولاذ الموجود أسفله، فعند تكسر طبقة الصفيح، يتعرض الفولاذ الموجود أسفلها للتآكل بشكل مباشر.

تمثال الحرية

حدث مثالٌ صارخٌ على التآكل الجلفاني في تمثال الحرية، عندما كشفت فحوصات الصيانة الدورية في ثمانينيات القرن الماضي عن حدوث تآكل بين الغلاف النحاسي الخارجي وهيكل الدعم المصنوع من الحديد المطاوع . ورغم أن هذه المشكلة كانت متوقعةً عند بناء التمثال على يد غوستاف إيفل وفقًا لتصميم فريدريك بارتولدي في ثمانينيات القرن التاسع عشر، إلا أن طبقة العزل المصنوعة من الشيلاك بين المعدنين قد تآكلت بمرور الوقت، مما أدى إلى صدأ الدعامات الحديدية. أُجريت عملية ترميم شاملة استُبدل فيها العزل الأصلي بمادة PTFE . لم يكن التمثال مُهددًا للسلامة نظرًا لوجود عدد كبير من الوصلات السليمة، ولكن اعتُبر هذا الإجراء احترازيًا للحفاظ على رمز وطني للولايات المتحدة. ^{[ 6 ]}

هناك عدة طرق للحد من هذا النوع من التآكل ومنعه:

• اعزل المعدنين كهربائيًا عن بعضهما. إذا لم يكونا على اتصال كهربائي، فلن يحدث اقتران جلفاني. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مواد غير موصلة بين المعادن ذات الجهد الكهربائي المختلف. يمكن عزل الأنابيب باستخدام بكرة أنبوب مصنوعة من مواد بلاستيكية، أو من مادة معدنية مطلية أو مبطنة من الداخل. من المهم أن تكون البكرة بطول كافٍ لضمان فعاليتها. ولأسباب تتعلق بالسلامة، لا يُنصح بتجربة ذلك في حال استخدام نظام تأريض كهربائي للأنابيب للتأريض أو في حال وجود وصلة متساوية الجهد .
• عادةً ما تتطلب القوارب المعدنية المتصلة بمصدر طاقة كهربائية من الشاطئ توصيل هيكلها بالأرض لأسباب تتعلق بالسلامة. مع ذلك، غالبًا ما يكون طرف هذا التوصيل الأرضي عبارة عن قضيب نحاسي مدفون داخل المرسى، مما يُشكل "بطارية" من الفولاذ والنحاس بجهد حوالي 0.5  فولت. إضافةً إلى ذلك، يتصل هيكل كل قارب بهياكل جميع القوارب الأخرى، مما يُشكل "بطاريات" أخرى بين المراوح (التي قد تكون مصنوعة من البرونز) والهياكل الفولاذية، الأمر الذي قد يُسبب تآكل المراوح باهظة الثمن. في مثل هذه الحالات، يُعد استخدام العازل الجلفاني ضروريًا، ويتكون عادةً من ثنائيين شبه موصلين موصولين على التوالي، بالتوازي مع ثنائيين آخرين موصلين في الاتجاه المعاكس (مضاد للتوازي). يُركّب هذا الجهاز في وصلة التأريض الوقائية بين الهيكل وموصل الحماية من الشاطئ. يمنع هذا أي تيار في موصل الحماية طالما أن الجهد المُطبق أقل من 1.4  فولت (أي 0.7  فولت لكل ثنائي)، ولكنه يسمح بمرور تيار كامل في حالة حدوث عطل كهربائي. سيظل هناك تسرب طفيف للغاية للتيار عبر الثنائيات، مما قد يؤدي إلى تآكل أسرع قليلاً من المعتاد.
• تأكد من عدم ملامسة أي إلكتروليت. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مركبات طاردة للماء كالشحوم، أو بتغطية المعادن بطبقة واقية غير منفذة، مثل طلاء أو ورنيش أو بلاستيك مناسب. إذا تعذر تغطية كلا المعدنين، يُفضل تطبيق الطلاء على المعدن الأكثر مقاومة، أي ذي الجهد الأعلى. يُنصح بذلك لأنه في حال تطبيق الطلاء على المعدن الأكثر نشاطًا فقط، ففي حال تلف الطلاء، ستكون مساحة الكاثود كبيرة ومساحة الأنود صغيرة جدًا، وبالتالي سيكون معدل التآكل مرتفعًا في منطقة الأنود المكشوفة.
• يُعد استخدام معجون مضاد للأكسدة مفيدًا لمنع التآكل بين الوصلات الكهربائية المصنوعة من النحاس والألومنيوم. ويتكون هذا المعجون من معدن أقل نقاءً من الألومنيوم أو النحاس.
• اختر معادن ذات جهود كهربائية متقاربة. كلما تقاربت الجهود الكهربائية الفردية، قلّ فرق الجهد ، وبالتالي قلّ التيار الجلفاني. استخدام المعدن نفسه في جميع مراحل التصنيع هو أسهل طريقة لتحقيق تطابق الجهود الكهربائية.
• يمكن أن يساعد الطلاء الكهربائي أو غيره من أنواع الطلاء. ويُستخدم في هذه الطريقة معادن نفيسة تقاوم التآكل بشكل أفضل، مثل الكروم والنيكل والفضة والذهب . أما الجلفنة بالزنك فتحمي المعدن الأساسي الفولاذي من خلال عملية الأكسدة التضحية.
• تعتمد الحماية الكاثودية على استخدام قطب تضحية واحد أو أكثر مصنوع من معدن ذي نشاط كيميائي أعلى من المعدن المراد حمايته. ومن سبائك المعادن الشائعة الاستخدام في أقطاب التضحية: الزنك، والمغنيسيوم ، والألومنيوم . ويُعدّ هذا الأسلوب شائعًا في سخانات المياه والعديد من المنشآت المعدنية المدفونة أو المغمورة.
• يمكن أيضًا تطبيق الحماية الكاثودية عن طريق توصيل مصدر طاقة كهربائية بتيار مستمر (DC) لمقاومة التيار الجلفاني المسبب للتآكل. (انظر الحماية الكاثودية § الحماية الكاثودية بالتيار المفروض (ICCP) ). 

يمكن تصنيف جميع المعادن ضمن سلسلة جلفانية تمثل الجهد الكهربائي الذي تولده في محلول إلكتروليتي معين مقارنةً بقطب مرجعي قياسي. ويُعطي الموقع النسبي لمعدنين على هذه السلسلة مؤشرًا جيدًا على المعدن الأكثر عرضة للتآكل بسرعة أكبر. مع ذلك، قد تؤثر عوامل أخرى، مثل تهوية الماء ومعدل التدفق، بشكل ملحوظ على سرعة هذه العملية.

يمكن التنبؤ بتوافق معدنين مختلفين من خلال النظر في مؤشرهما الأنودي. هذا المؤشر هو مقياس للجهد الكهروكيميائي المتولد بين المعدن والذهب. ولإيجاد الجهد النسبي بين معدنين، يكفي طرح مؤشريهما الأنوديين. ^{[ 18 ]}

للحد من التآكل الجلفاني للمعادن المخزنة في بيئات عادية، كالمستودعات أو البيئات غير المُتحكم بدرجة حرارتها ورطوبتها، يجب ألا يتجاوز  الفرق في مؤشر الأنود بين المعدنين المتلامسين 0.25 فولت. أما في البيئات المُتحكم بدرجة حرارتها ورطوبتها،  فيُسمح بفرق يصل إلى 0.50 فولت. وفي البيئات القاسية، كالأماكن المفتوحة، والبيئات ذات الرطوبة العالية، والبيئات المالحة، يجب ألا يتجاوز  الفرق في مؤشر الأنود 0.15 فولت. على سبيل المثال: يبلغ الفرق بين الذهب والفضة 0.15  فولت، وبالتالي لن يتعرض المعدنان لتآكل ملحوظ حتى في البيئات القاسية. ^{[ 19 ]}

عندما تتطلب اعتبارات التصميم تلامس معادن مختلفة، غالبًا ما يُعالج اختلاف مؤشر الأكسدة باستخدام التشطيبات والطلاء. يسمح التشطيب والطلاء المُختاران بتلامس المواد المختلفة، مع حماية المواد الأقل صلابة من التآكل بواسطة المواد الأكثر صلابة. ^{[ 19 ]} دائمًا ما يكون المعدن ذو مؤشر الأكسدة الأكثر سلبية هو الأكثر عرضة للتآكل في نهاية المطاف عند وجود عدم توافق جلفاني. لهذا السبب، لا ينبغي أبدًا وضع أدوات المائدة المصنوعة من الفضة الإسترلينية والفولاذ المقاوم للصدأ معًا في غسالة الأطباق في نفس الوقت، حيث من المرجح أن تتعرض الأدوات الفولاذية للتآكل بنهاية دورة الغسيل (حيث يعمل الصابون والماء كمحلول إلكتروليتي كيميائي، وتُسرّع الحرارة هذه العملية).

يُستخدم مصطلح "التآكل الإلكتروليتي" في أغلب الأحيان للإشارة إلى التآكل الناتج عن التيار الكهربائي المُطبق على المعدن من مصادر خارجية. وتتشابه آلية هذا التآكل بشكل أساسي مع آلية التآكل الجلفاني. ^{[ 20 ]}

• تآكل
• المصعد الجلفاني
• العزل الجلفاني في الدوائر الكهربائية/الإلكترونية
• سلسلة الجلفانية
• الجلفنة
• مخطط بوربيه – رسم بياني للأطوار المستقرة ديناميكيًا حراريًا لنظام كهروكيميائي مائي 

• ماكولوم، ب.؛ لوغان، ك.هـ. (1913). التآكل الإلكتروليتي للحديد في التربة . أوراق تقنية صادرة عن مكتب المعايير. مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي . تاريخ الاسترجاع: 8 يناير 2025 .