איך לקבוע את היציבות הכימית של חומרים

קביעת היציבות הכימית של חומרים יכולה להתבצע מהיבטים הבאים:

א. ניתוח תיאורטי

1. ניתוח ההרכב הכימי

– הבנת הרכבה הכימי של החומרים מהווה את היסוד להערכת היציבות הכימית שלהם. לדוגמה, עבור חומרים מתכתיים, היציבות הכימית של המתכות הטהורות קשורה בדרך כלל למיקומן בסדר הפעילות המטאלית. מתכות יקרות כגון זהב (Au) ופלטינה (Pt) מאפיינות יציבות כימית יחסית, מכיוון שהן נמצאות בקצה הסדר הפעילות המטאלית ואינן נוטות לתקשר עם חומצות,בסיסים ומלחים נפוצים. מתכות כגון ברזל (Fe) וארסן (Zn) הן פעילות יחסית ומאפיינות יציבות כימית נמוכה יותר.

– עבור חומרים פולימריים, היציבות הכימית שלהם קשורה למבנה ולהרכב של שרשראות המולקולריות. חומרים פולימריים המכילים יותר קשרים בלתי רוויים (כגון קשרים כפולים פחמן-פחמן) עשויים להיות בעלי יציבות כימית ירודה יותר מכיוון שקשרים בלתי רוויים נוטים להתחברות, חמצון ותגובות אחרות. לדוגמה, גומי טבעי מכיל מספר רב של קשרים כפולים פחמן-פחמן ומתחמצן בקלות על ידי חמצן, מה שמוביל להזדקנות הגומי.

2. ניתוח מבנה הגביש (לחומרים גבישיים)

– מבנה הגביש של החומר יכול להשפיע על היציבות הכימית שלו. לדוגמה, בגבישים מתכתיים, מבנים גבישיים צפופים במיוחד (כגון אריזה מרכז-פאה ואריזה צפופה סדמית) בדרך כלל יציבים יותר מגבישים מתכתיים בעלי מבנה אריזה מרכז-גוף. הסיבה לכך היא שהמבנה הצפוף מקטין את המרחק בין האטומים ומקשה על חומרים חיצוניים לחדור ולהגיב.

– עבור 결정ים יוניים, גודל אנרגיית הסריג יכול גם לשקף את היציבות הכימית שלהם. 결정ים יוניים בעלי אנרגיית סריג גבוהה (כגון אוקסיד מגנזיום, MgO) ניחנים ביציבות כימית יחסית גבוהה, משום שהקשרים היוניים חזקים ודורשים כמות גדולה יחסית של אנרגיה כדי להתפרק, מה שגורם לכך שהקריסטלים פחות נוטים להשתתף בתגובות כימיות בתנאים רגילים.

ב. מבחני ניסוי

1. מבחני התנגדות לקורוזיה

מבחן ריסוס מלח: זהו שיטת בדיקה נפוצה לחומרים מתכתיים וחומרים עם מצופים מגנים. דוגמיות החומר מוצבות בתוך תא בדיקת ריסוס מלח, ומרוססים פתרון כלוריד נתרן (למשל, במבחן ריסוס מלח נייטרלי משתמשים במלח כלוריד נתרן בריכוז של 50 גרם לליטר ובערך pH בין 6.5 ל-7.5) כדי לדמות סביבה מלוחה כגון זו של האוקיינוס או אזורים חוף. צופה אם מופיעים תופעות כגון חלודה, קורוזיה, נפיחות (בליסטינג) וכו' על פני השטח של החומר במשך פרק זמן מסוים (למשל 24 שעות, 48 שעות, 72 שעות וכו'). אם החומר מפגין קורוזיה ברורה בזמן קצר יחסית, זה מעיד על יציבות כימית לקויה שלו.

– מבחן טבילה: בחרו את תמיסת הטבילה המתאימה בהתאם לסביבת השימוש של החומר. לדוגמה, לחומרים שעשויים לשמש בסביבה חומצית ניתן לטבולם בתמיסה חומצית בריכוז מסוים (כגון תמיסת חומצה גופרתית, חומצה הידרוכלורית וכו'); לחומרים המשמשים בסביבה אלקלית יש לטבולם בתמיסה אלקלית (כגון תמיסת נתרן הידרוקסיד). צפו בשינוי במסה ובשינוי במורפולוגיה של פני השטח של החומר במהלך תהליך הטבילה. אם החומר סובל מאובדן מסה משמעותי ומופעת גומות קורוזיה על פניו במהלך הטבילה, זה מעיד על אי-יציבות כימית שלו.

2. מבחני יציבות תרמית

אנליזה תרמו-גראווימטרית (TGA): תחת בקרת טמפרטורה מתוכנתת, נמדדת היחס בין מסת החומר לטמפרטורה. כאשר החומר מחומם, אם מתרחשת אובדן מסה ברור בטמפרטורה יחסית נמוכה, ייתכן שזוהי תוצאה של פירוק, חמצון או תגובות כימיות אחרות שהחומר עבר. לדוגמה, חלק מחומרי הפולימרים האורגניים יעברו פירוק תרמי בטמפרטורות גבוהות, ובאמצעות TGA ניתן לקבוע את טמפרטורת הפירוק התרמי כדי להעריך את יציבותם הכימית בסביבה בטמפרטורה גבוהה.

– קלורימטריית סריקה דיפרנציאלית (DSC): ניתן למדוד את שינוי החום של החומר במהלך תהליך החימום או הקירור. אם החומר מפגין צמיחות אנדותרמית או אקסותרמית במהלך תהליך החימום, ייתכן שזה נובע משינויי פאזה, תגובות כימיות וכו'. על ידי ניתוח המיקום והגודל של הצמיחות הללו, ניתן להעריך את היציבות הכימית של החומר. לדוגמה, סגסוגות מסוימות יעברו שינויי פאזה בטמפרטורות מסוימות, ושינויי הפאזה הללו עלולים להשפיע על היציבות הכימית של החומר.

3. מבחני יציבות חמצון: מבחן חמצון מאיץ: עבור חומרים הרגישים לחמצון (כגון מתכות, שומנים וכו'), ניתן להעריך את יציבות החמצון שלהם באמצעות מבחן חמצון מאיץ. לדוגמה, בסביבה בטמפרטורה גבוהה ובריכוז חמצן גבוה, נצפית קצב החמצון של החומר. עבור חומרים מתכתיים, ניתן למדוד את עובי שכבת החמצן המתרחשת ואת העלייה במסה כדי להעריך את יציבות החמצון שלהם. עבור שומנים, ניתן למדוד את דרגת החמצון על ידי זיהוי מדדים כגון ערך הפקסידים. אם קצב החמצון של החומר מהיר במבחן החמצון המאיץ, זה מצביע על כך שהיציבות הכימית שלו נמוכה.

4. מבחני ריאקטיביות עם חומרים אחרים – החומר יכול להיות מופעל למבחן מגע עם חומרים אחרים שעשויים לפגוע בו (כגון ממסים, חומרים אחרים וכו'). לדוגמה, עבור חומרי אריזה יש לבדוק את הריאקטיביות עם רכיבי המזון (כגון שומנים, חומצות,בסיסים וכו'). החומר מוחדר במבחנים מדמים מזון, ובאמצעות זיהוי האם מתרחשת נדידה של חומרים והאם החומר השתנה, ניתן להעריך את היציבות הכימית שלו. עבור חומרים מרובבים, יש לבדוק האם יקרו תגובות כימיות בין החומרים השונים, מה שיכול להשפיע על הביצועים הכוללים של החומר.