كيفية تحديد الاستقرار الكيميائي للمواد

يمكن إجراء تحديد الاستقرار الكيميائي للمواد من الجوانب التالية:

أولاً. التحليل النظري

١. تحليل التركيب الكيميائي

– يُعَدُّ فهم التركيب الكيميائي للمواد الأساس في تقييم استقرارها الكيميائي. فعلى سبيل المثال، بالنسبة للمواد المعدنية، يرتبط الاستقرار الكيميائي للمعادن النقية عادةً بموقعها في سلسلة النشاط المعدني. وتتميَّز المعادن النفيسة مثل الذهب (Au) والبلاتين (Pt) بخصائص كيميائية مستقرة نسبياً؛ لأنها تقع في نهاية سلسلة النشاط المعدني ولا تميل إلى التفاعل مع الأحماض والقواعد والأملاح الشائعة. أما المعادن مثل الحديد (Fe) والزنك (Zn) فهي أكثر نشاطاً نسبياً ولها درجة أقل من الاستقرار الكيميائي.

– بالنسبة للمواد البوليمرية، فإن ثباتها الكيميائي مرتبط بهيكل وتركيب السلاسل الجزيئية. وقد تمتلك المواد البوليمرية التي تحتوي على روابط غير مشبعة أكثر (مثل الروابط الثنائية بين ذرات الكربون) ثباتًا كيميائيًّا أدنى، لأن الروابط غير المشبعة تكون عرضة للتفاعل بالإضافة والأكسدة وغيرها من التفاعلات. فعلى سبيل المثال، يحتوي المطاط الطبيعي على عدد كبير من الروابط الثنائية بين ذرات الكربون، ويتأكسد بسهولةٍ في وجود الأكسجين، ما يؤدي إلى تقدم عمر المطاط (تآكله).

٢. تحليل البنية البلورية (للمواد البلورية)

– يمكن أن تؤثر البنية البلورية للمواد في ثباتها الكيميائي. فعلى سبيل المثال، في البلورات المعدنية، تكون البنى البلورية ذات التعبئة المحكمة (مثل التعبئة المكعبة المركزية الوجهية والتعبئة السداسية المحكمة) عادةً أكثر استقرارًا من البلورات المعدنية ذات البنية المكعبة المركزية الجسمية. ويرجع ذلك إلى أن التعبئة المحكمة تُقرّب الروابط بين الذرات أكثر، مما يجعل من الصعب على المواد الخارجية النفاذ إليها والتفاعل معها.

– بالنسبة للبلورات الأيونية، يمكن أن يعكس مقدار طاقة الشبكة أيضًا استقرارها الكيميائي. فالبلورات الأيونية ذات طاقة الشبكة العالية (مثل أكسيد المغنيسيوم MgO) تتمتّع باستقرار كيميائي مرتفع نسبيًّا، لأن الروابط الأيونية فيها قوية وتتطلّب كميةً عاليةً نسبيًّا من الطاقة لكسرها، ما يجعل هذه البلورات أقل عرضةً للخضوع لتفاعلات كيميائية في الظروف العادية.

ثانيًا: الاختبارات العملية

١. اختبارات مقاومة التآكل

اختبار رش الملح: هذه طريقة اختبارٍ شائعة الاستخدام للمواد المعدنية والمواد المغطّاة بطبقات واقية. وتُوضع عيّنات المادة في غرفة اختبار رش الملح، حيث يُرشّ عليها محلول كلوريد الصوديوم (فعلى سبيل المثال، في اختبار رش الملح المحايد، يُستخدم محلول ملحي من كلوريد الصوديوم بتركيز ٥٠ غراماً/لتر وقيمة درجة حموضة تتراوح بين ٦,٥ و٧,٥) لمحاكاة بيئة مالحة مثل تلك الموجودة في المحيطات أو المناطق الساحلية. ثم تُراقب سطح العيّنة خلال فترة زمنية محددة (مثل ٢٤ ساعة أو ٤٨ ساعة أو ٧٢ ساعة إلخ) للتحقق من ظهور ظواهر مثل الصدأ والتآكل والتقشّر وغيرها. فإذا أظهرت المادة تآكلاً واضحاً خلال فترة زمنية قصيرة نسبياً، فهذا يدلّ على ضعف استقرارها الكيميائي.

– اختبار الغمر: اختر محلول الغمر المناسب وفقًا للبيئة التي سيُستخدم فيها المادة. فعلى سبيل المثال، بالنسبة للمواد التي قد تُستخدم في بيئة حمضية، يمكن غمرها في محلول حمضي بتركيز معين (مثل حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك إلخ)؛ أما بالنسبة للمواد المستخدمة في بيئة قلوية، فتُغمر في محلول قلوي (مثل محلول هيدروكسيد الصوديوم). راقب التغير في كتلة المادة والتغير في شكل سطحها أثناء عملية الغمر. فإذا لوحظ فقدان كبير في الكتلة وظهور حفر تآكلية على السطح أثناء الغمر، فهذا يدل على أن استقرارها الكيميائي ضعيف.

٢. اختبارات الاستقرار الحراري

تحليل الوزن الحراري (TGA): يتم قياس العلاقة بين كتلة المادة ودرجة الحرارة تحت تحكم برمجي في درجة الحرارة. وعند تسخين المادة، إذا حدث فقدان ملحوظ في الكتلة عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا، فقد يكون ذلك بسبب خضوع المادة لتفاعلات كيميائية مثل التحلل أو الأكسدة وغيرها. فعلى سبيل المثال، تتحلل بعض المواد البوليمرية العضوية حراريًّا عند درجات حرارة مرتفعة، ويمكن تحديد درجة حرارة هذا التحلل الحراري باستخدام تحليل الوزن الحراري لتقييم ثباتها الكيميائي في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.

– مطيافية التحليل الحراري التفاضلي (DSC): يمكنها قياس التغير في كمية الحرارة التي يمتصها أو يطلقها المادة أثناء عملية التسخين أو التبريد. وإذا ظهرت قمم امتصاصية أو طاردة للحرارة في منحنى التسخين، فقد يعود ذلك إلى انتقالات الطور أو التفاعلات الكيميائية وغيرها. وبتحليل موقع هذه القمم وحجمها، يمكن تقييم الاستقرار الكيميائي للمادة. فعلى سبيل المثال، تمر بعض السبائك بانتقالات طور عند درجات حرارة محددة، وقد يؤثر هذا الانتقال في الاستقرار الكيميائي للمادة.

٣. اختبارات ثبات الأكسدة: اختبار الأكسدة المُسرَّع: بالنسبة للمواد التي تميل إلى الأكسدة (مثل المعادن والدهون وغيرها)، يمكن تقييم ثباتها تجاه الأكسدة من خلال إجراء اختبار أكسدة مُسرَّع. فعلى سبيل المثال، يُرصد معدل أكسدة المادة في بيئة ذات درجة حرارة مرتفعة ومحتوى عالٍ من الأكسجين. وفي حالة المواد المعدنية، يمكن قياس سُمك طبقة الأكسيد المتكونة على السطح وكمية الزيادة في الكتلة لتقييم ثباتها تجاه الأكسدة. أما بالنسبة للدهون، فيمكن قياس درجة أكسدتها من خلال كشف مؤشرات مثل قيمة البيروكسيد. وإذا كان معدل أكسدة المادة سريعًا في اختبار الأكسدة المُسرَّع، فهذا يدل على ضعف استقرارها الكيميائي.

٤. اختبارات التفاعل مع مواد أخرى – يمكن إخضاع المادة لاختبار تلامس مع مواد أخرى قد تتلامس معها (مثل المذيبات، والمواد الأخرى، إلخ). فعلى سبيل المثال، بالنسبة لمواد التغليف، يجب اختبار تفاعلها مع مكونات الأغذية (مثل الدهون، والأحماض، والقواعد، إلخ). وتُعرَّض المادة لمُحاكاة الأغذية، ويتم تقييم استقرارها الكيميائي من خلال الكشف عما إذا كانت هناك هجرة للمواد أو ما إذا كانت المادة قد تغيَّرت. أما بالنسبة للمواد المركبة، فيجب اختبار احتمال حدوث تفاعلات كيميائية بين المواد المختلفة المكوِّنة لها، والتي قد تؤثر على الأداء العام للمادة.