חלודה היא עובדת חיים בכדור הארץ כמו גם לפחות כוכב לכת אחר במערכת השמש: מאדים. הגוון האדמדם של אותו כוכב לכת נובע בעיקר מהימצאותו של תחמוצת ברזל, או חלודה, על פניו. חלודה היא תוצאה של שילוב של ברזל עם חמצן בתהליך שנקרא חמצון, ונוכחות החלודה במאדים מרמזת שאולי הייתה בעבר יותר חמצן מולקולרי על פני כדור הארץ, אם כי פחמן דו חמצני, שהוא המרכיב העיקרי באווירה הנוכחית של מאדים, יכול גם לספק חַמצָן. מלבד חמצן גזי, היווצרות חלודה זקוקה למים מכיוון שזה תהליך דו-שלבי. זוהי אינדיקציה לכך שייתכן שהמים היו בשפע במאדים זה מכבר.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
היווצרות חלודה דורשת ברזל, מים וחמצן. למרות שזה תהליך מורכב, המשוואה הכימית היא פשוט 4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3.
השלב הראשון: חמצון של ברזל מוצק
ידוע כי חלודה מתרחשת כאשר משאירים מים על מכשיר מתכת או משאירים אותם חשופים לאוויר לח. הסיבה לכך היא שהשלב הראשון בתהליך החלודה כולל פירוק של ברזל מוצק לתמיסה. הנוסחה לכך היא:
Fe (s) → Fe2+(aq) + 2e-
האלקטרונים המיוצרים על ידי תגובה זו משתלבים עם יוני מימן במים כמו גם עם חמצן מומס לייצור מים:
4e- + 4H+(aq) + O2(aq) → 2H2O (l)
שתי תגובות אלה מייצרות יונים של מים וברזל (II), אך לא מחלידות. כדי שייווצר, תגובה אחרת צריכה להתרחש.
השלב השני: היווצרות תחמוצת ברזל מיובשת (חלודה)
צריכת יוני מימן המתרחשת עם התמוססות ברזל מותירה את יתר הידרוקסיד (OH-) יונים במים. יוני הברזל (II) מגיבים איתם ויוצרים חלודה ירוקה:
Fe2+(aq) + 2OH-(aq) → Fe (OH)2(ים)
זה לא סוף הסיפור. יוני הברזל (II) משתלבים גם עם מימן וחמצן במים כדי לייצר יוני ברזל (III):
4Fe2+(aq) + 4H+(aq) + O2(aq) → 4Fe3+(aq) + 2H2O (l)
יוני ברזל אלה אחראים להיווצרות המשקע האדמדם שאוכל בהדרגה חורים בגופי רכב ובגגות מתכת ברחבי העולם. הם משתלבים עם יוני ההידרוקסיד הנוספים ליצירת ברזל (III) הידרוקסיד:
Fe3+(aq) + 3OH-(aq) → Fe (OH)3
תרכובת זו מתייבשת להיות Fe2או3.H2או, שהיא הנוסחה הכימית לחלודה.
כתיבת המשוואה המאוזנת
אם אתה מעוניין לכתוב משוואה מאוזנת לכל התהליך, עליך להכיר רק את המגיבים הראשוניים ואת תוצרי התגובה. המגיבים הם ברזל (Fe), חמצן (O2) ומים (ח2O), והמוצר הוא ברזל (III) הידרוקסיד Fe (OH)3אז Fe + O2 + H2O → Fe (OH)3. במשוואה מאוזנת, אותו מספר אטומי חמצן, מימן וברזל חייב להופיע משני צידי המשוואה. מאזנים את מספר אטומי המימן על ידי הכפלת מספר מולקולות המים ב- 6 ומספר מולקולות ההידרוקסיד ב -4. לאחר מכן עליכם להכפיל את מספר O2 מולקולות לפי 3 ומספר יוני Fe ב -4. התוצאה היא:
4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3