أكسدة المعادن عند درجات حرارة عالية

أكسدة المعادن عند درجات حرارة عاليةOxidation of metals at elevated temperature
• يتأكسد المعدن عندما يتحد أو يتفاعل مع الأوكسجين ليكون أوكسيد المعدن.
• يكون تفاعل المعدن ( M) مع الأوكسجين عند درجات حرارة عالية حسب الخطوات التالية:
1- يمتز الأوكسجين على سطح المعدن.
2- يحدث تفاعل كيميائي لتكوين الأوكسيد.
3- نمو الطبقة الأوكسيدية على طول السطح لتكون طبقة مستمرة.

يزداد سمك الطبقة الأوكسيدية ويكون حاوي على عيوب مختلفة مثل : ( فجوات Cavities) و ( مسامات Porosity) و ( وشقوق دقيقة Microcracks ) وكما في الشكل الموضح :

• عندما يتكون أوكسيد المعدن على السطح سيكون حاجز ما بين سطح المعدن والمحيط المؤكسد, لذلك فان الخواص الكيميائية والفيزيائية للطبقة الأوكسيدية تكون ذات أهمية كبرى في تحديد معدل التأكسد وعمر الأداة المعرضة الى وسط التأكسد عند درجات حرارة عالية.

• ان القوة الدافعة لعملية التأكسد (حتى تكون تلقائية ) هي التغير بالطلقة الحرة ?G, حيث لكي يكون التفاعل تلقائي يجب أن تكون قيمة ?G سالبة.



بنية الأوكسيد Oxide Structure

في أوكسيد المعدن عادة يكون هناك اما زيادة أو نقص في المعدن وهذا يقابله نقص أو زيادة في الأوكسجين. نوعين هناك نوعين من الطبقة الأوكسيدية وحسب البنية المكونة لها:

1- نوع –P- type

تتكون الطبقة الأوكسيدية من أيونات المعدن الموجبة M+2 ( Cation) وأيونات الأوكسجين السالبة ( Anion) ويرمز للطبقة الأوكسيدية ككل ب ( MO), الأيونات الحاملة للشحنة أو (الإلكترونات) هي الأيونات الموجبة M+3 وتسمى بالفجوة الإلكترونية ( electron hole), حيث تكون هي المسؤولة عن حركة التيار باتجاه السطح من خلال التبادل مع الأيونات الموجبة المجاورة وتكون حركة فجوات الأيونات الموجبة عكس اتجاه التيار.
الآوكسيد ذو النقص في المعدن يحتوي على فراغات لأيونات المعدن الموجبة M+2 مثال ذلك ( NiO). ان غياب الأيونات الموجبة M+2 سيترك خلفها فراغات ذات شحنة سالبة نسبيا (-2 ). تنتشر الأيونات الموجبة في الشبكة الحيزية من خلال التبادل مع فراغات الأيونات الموجبة. كل فجوة لأيون موجب تتعادل كهربائيا مع زوج من الفجوات الألكترونية M+3 حيث تمتلك نقص الكترون واحد أو زيادة بالشحنة مقدارها ( +1 ). تحمل الفجوات الألكترونية التيار من تبادل الألكترونات مع الأيونات الموجبة المجاورة. وبسبب كون التيار يحمل من خلال الفجوات الأكترونية ذات الشحنة الموجبة فان الاكاسيد ذات النقص في المعدن تصنف على انها شبه موصل نوع – P .
وكما في الشكل.