लोहे की साफ कील को कुछ नम हफ्तों तक खुला छोड़ दीजिए। वह धीरे-धीरे परतदार नारंगी मलबे में बदल जाएगी। उसे न बिजली से जोड़ा गया, न आग में रखा गया, फिर भी धातु ने चुपचाप खुद को नष्ट कर लिया। यह धीमा और लगभग न दिखने वाला नुकसान संक्षारण (corrosion) है। यह दुनिया की सबसे महँगी रासायनिक प्रक्रियाओं में से एक है। धातु केवल “पुरानी” नहीं हुई। उसने अपनी ही सतह पर छोटी बैटरी बना ली। एक जगह लोहा घुला, दूसरी जगह ऑक्सीजन ने इलेक्ट्रॉन लिए और आखिर में लोहा लौह ऑक्साइड, यानी जंग, में बदल गया।
UPSC अभ्यर्थी के लिए संक्षारण छोटा विषय है, लेकिन इससे कई गहरे सवाल बनते हैं। इसमें बुनियादी विद्युत रसायन (electrochemistry), पदार्थ विज्ञान (materials science) और रोजमर्रा की अर्थव्यवस्था एक साथ मिलते हैं। एक कील के उदाहरण से परीक्षक देख सकता है कि आपको ऑक्सीकरण, अपचयन और सेल अभिक्रिया सच में समझ आती है या आपने केवल “गीली हवा में लोहे को जंग लगती है” याद किया है। इसलिए संक्षारण को केवल सड़ने की प्रक्रिया न मानें। यह ऐसी विद्युत-रासायनिक अभिक्रिया है जिसे समीकरण में लिखा, पहले से समझा और रोका जा सकता है।
संक्षारण क्या है: बिना माँगे बन जाने वाली बैटरी
अपने वातावरण के साथ रासायनिक या विद्युत-रासायनिक अभिक्रिया के कारण किसी धातु का धीरे-धीरे नष्ट होना संक्षारण है। इसमें धातु आम तौर पर ऑक्साइड, हाइड्रॉक्साइड या सल्फाइड जैसे अधिक स्थिर यौगिक में बदल जाती है। यहाँ अधिक स्थिर शब्द बहुत महत्त्वपूर्ण है। रोजमर्रा में काम आने वाली अधिकतर धातुएँ, खासकर लोहा, प्रकृति में चमकती शुद्ध धातु के रूप में नहीं मिलतीं। वे जमीन से निकाले गए ऑक्साइड या सल्फाइड अयस्कों में होती हैं। धातु निष्कर्षण में बहुत ऊर्जा लगाकर इन अयस्कों को शुद्ध धातु बनाया जाता है। संक्षारण में वही ऊर्जा बाहर निकलती है और धातु कम ऊर्जा वाली ऑक्सीकृत अवस्था की ओर लौटती है। इसलिए संक्षारण को उलटी दिशा में चलने वाली निष्कर्षण धातुकर्म (extractive metallurgy) भी कहा जाता है।
अब वह विचार समझिए जिससे बाकी पूरा विषय खुल जाता है। अधिकतर संक्षारण विद्युत-रासायनिक (electrochemical) होता है, यानी ठीक बैटरी की तरह काम करता है। बैटरी या गैल्वैनिक सेल (galvanic cell) में चार चीज़ें होती हैं: एनोड (anode), जहाँ धातु इलेक्ट्रॉन छोड़ती है और उसका ऑक्सीकरण होता है; कैथोड (cathode), जहाँ कोई पदार्थ इलेक्ट्रॉन लेकर अपचयित होता है; इलेक्ट्रॉन बहने के लिए धातु का रास्ता; और दोनों जगहों के बीच आवेश ले जाने वाला चालक द्रव, जिसे विद्युत अपघट्य (electrolyte) कहते हैं। संक्षारण करती धातु की एक ही सतह पर ये चारों बन सकते हैं। एक हिस्सा एनोड बनकर घुलता है। दूसरा हिस्सा कैथोड बनता है, जहाँ ऑक्सीजन का अपचयन होता है। पूरी धातु इलेक्ट्रॉन पहुँचाती है और नमी की पतली परत विद्युत अपघट्य बनती है। इस तरह धातु खुद की शॉर्ट-सर्किट बैटरी बन जाती है और उसमें बहने वाली “धारा” बताती है कि वह कितनी तेजी से खुद को खा रही है।
यही मॉडल संक्षारण से जुड़ी कई उलटी लगने वाली बातों को समझाता है। बंद बोतल में बिल्कुल सूखी हवा के बीच रखी कील पर जंग बहुत कम लगती है, क्योंकि विद्युत अपघट्य नहीं है और परिपथ पूरा नहीं होता। नमकीन समुद्री हवा या सड़क पर डाला गया नमक अधिक नुकसान करता है, क्योंकि घुला नमक नमी को बहुत अच्छा चालक बना देता है और संक्षारण धारा बढ़ जाती है। यही कारण है कि रासायनिक रूप से अधिक शुद्ध धातु कई बार अशुद्धियों वाली धातु से बेहतर बचती है। अशुद्धियाँ सतह पर पहले से छोटे एनोड और कैथोड तैयार कर देती हैं, जिनसे स्थानीय सेल तुरंत चल पड़ते हैं।
लोहे में जंग लगने का विद्युत रसायन
लोहे के संक्षारण को जंग लगना कहते हैं। यह पाठ्यपुस्तक का सबसे उपयोगी उदाहरण है, क्योंकि हर चरण देखा और समीकरण में लिखा जा सकता है। लोहे में जंग लगने के लिए तीन चीज़ें एक साथ चाहिए: लोहा, पानी और ऑक्सीजन। पानी हटा दें, यानी हवा बिल्कुल सूखी कर दें, या ऑक्सीजन हटा दें, यानी लोहे को ऐसी उबली हुई पानी की परत के नीचे बंद कर दें जिसमें घुली हवा न हो, तो जंग लगना लगभग रुक जाता है। तीनों चीज़ें साथ आते ही विद्युत-रासायनिक सेल चलने लगता है।
एनोड आम तौर पर सतह का थोड़ा दबा, खरोंचा या अशुद्ध हिस्सा होता है। यहाँ लोहे के परमाणु इलेक्ट्रॉन छोड़ते हैं और नमी की परत में लौह आयन के रूप में घुल जाते हैं। अर्ध-अभिक्रिया में लोहे का ऑक्सीकरण इस तरह लिखा जाता है: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻। इलेक्ट्रॉन बाहर नहीं निकलते, बल्कि धातु के भीतर से उसी सतह की दूसरी जगह पहुँचते हैं। उस दूसरे हिस्से, यानी कैथोड पर पानी की मौजूदगी में घुली ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉन लेकर हाइड्रॉक्साइड आयन बनाती है: O₂ + H₂O + e⁻ → OH⁻। एक अभिक्रिया लोहे को नष्ट करके इलेक्ट्रॉन छोड़ती है और दूसरी ऑक्सीजन का अपचयन करके इलेक्ट्रॉन लेती है। यह किसी भी सेल में एनोड और कैथोड की बुनियादी जोड़ी है।
इसके बाद दोनों उत्पाद मिलते हैं। नमी में तैरते Fe²⁺ आयन हाइड्रॉक्साइड और हवा की अतिरिक्त ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करते हैं। वे आगे ऑक्सीकृत होकर Fe³⁺ बनते हैं और जलयोजित आयरन(III) ऑक्साइड के रूप में जमते हैं। यही लाल-भूरा भुरभुरा ठोस जंग है, जिसका लगभग सूत्र Fe₂O₃·xH₂O लिखा जाता है। जंग की दो विशेषताएँ इसे बहुत नुकसानदेह बनाती हैं। पहली, यह बंद सुरक्षा-परत नहीं, बल्कि छिद्रदार और परतदार होती है। यह बार-बार झड़ती है और नीचे की नई धातु को हमले के लिए खोल देती है, इसलिए जंग खुद को बढ़ाती रहती है। दूसरी, जंग का आयतन उस लोहे से अधिक होता है जिससे वह बनी है। वह फूलती है और परतों को ऊपर उठाती है। इसलिए लोहे का पुल या कंक्रीट के भीतर लगी सरिया जंग लगने पर लगातार पदार्थ खोती रहती है, जबकि कुछ दूसरी धातुएँ एक बार ऑक्सीकृत होकर सुरक्षात्मक परत बना लेती हैं और फिर रुक जाती हैं।
इस व्यवस्था से जंग तेज करने वाले तीन मुख्य कारण सीधे समझ आते हैं। नमी या कोई भी विद्युत अपघट्य जंग की गति बढ़ाता है, क्योंकि उससे परिपथ पूरा होता है। नमी में घुला नमक या अम्ल चालकता और बढ़ाता है। इसलिए तटीय इलाकों, औद्योगिक क्षेत्रों और बर्फ हटाने के लिए नमक डाली जाने वाली सड़कों पर संक्षारण अधिक होता है। धातु की अशुद्धियाँ संक्षारण बढ़ाती हैं। शुद्ध धातु बेहतर बचती है, जबकि अंदर फँसी अशुद्धियाँ सतह पर स्थानीय एनोड-कैथोड जोड़े बनाती हैं। दो अलग धातुओं का संपर्क संक्षारण तेज करता है। यह विशेष और बहुत महत्त्वपूर्ण स्थिति अलग नाम से जानी जाती है।
संक्षारण के मुख्य प्रकार
संक्षारण एक ही प्रक्रिया नहीं, बल्कि प्रक्रियाओं का परिवार है। किसी उत्तर में सही प्रकार बताना आधी समस्या हल कर देता है। सबसे सरल रूप एकसमान या सामान्य संक्षारण (uniform or general corrosion) है। इसमें खुली सतह लगभग समान रफ़्तार से संक्षारित होती है, जैसे पुराने लोहे के दरवाज़े पर फैली नारंगी परत। यह देखने में गंभीर लगता है, लेकिन सबसे कम खतरनाक प्रकार है, क्योंकि इसकी गति का अनुमान लगाया जा सकता है। अभियंता दर नापकर धातु की कुछ अतिरिक्त मोटाई, यानी संक्षारण भत्ता (corrosion allowance), जोड़ सकते हैं और ढाँचे की संभावित उम्र निकाल सकते हैं।
गैल्वैनिक संक्षारण (galvanic corrosion) पूरी तरह विद्युत-रासायनिक और अधिक खतरनाक होता है। विद्युत अपघट्य की मौजूदगी में जब दो अलग धातुएँ विद्युत संपर्क में आती हैं, तो वे गैल्वैनिक जोड़ा बनाकर असली बैटरी की तरह काम करती हैं। विद्युत-रासायनिक श्रेणी में अधिक अभिक्रियाशील धातु, जैसे जस्ता, एल्युमिनियम या साधारण इस्पात, एनोड बनती है और अकेले की तुलना में तेजी से संक्षारित होती है। कम अभिक्रियाशील या “उत्कृष्ट” धातु, जैसे ताँबा, पीतल या स्टेनलेस इस्पात, कैथोड बनकर सुरक्षित रहती है। ताँबे की चादर में इस्पात का पेंच, स्टेनलेस ढाँचे से जुड़ी एल्युमिनियम फिटिंग या जस्ती पाइप से जुड़ा पीतल का पाइप ऐसा जोड़ा बनाते हैं। अधिक अभिक्रियाशील साथी उसकी कीमत चुकाता है। इसलिए समुद्री अभियंता बहुत सावधानी से तय करते हैं कि कौन-सी धातुएँ आपस में छुएँगी। इसी सिद्धांत को उलटकर संक्षारण से बचाव की सबसे उपयोगी विधि भी बनाई जाती है।
इसके बाद स्थानीय संक्षारण (localised corrosion) के प्रकार आते हैं। ये अधिक खतरनाक हैं, क्योंकि पूरी सतह ठीक दिख सकती है, जबकि छोटी जगह पर गहरा नुकसान होता रहता है। गर्त संक्षारण (pitting corrosion) गहरे और सँकरे छेद बनाता है। यह अक्सर नमक के क्लोराइड आयन से सुरक्षा-परत टूटने की जगह शुरू होता है। कुल वजन बहुत कम घटने पर भी टंकी की दीवार में आर-पार छेद हो सकता है, इसलिए इसे पहचानना कठिन और नुकसान को कम समझना आसान है। दरार संक्षारण (crevice corrosion) वॉशर, गैस्केट या बोल्ट के सिर के नीचे स्थिर और ऑक्सीजन की कमी वाले छोटे अंतर में होता है। वहाँ ऑक्सीजन की मात्रा का फर्क अपना सेल बना देता है। तनाव-संक्षारण दरार (stress-corrosion cracking) संक्षारक वातावरण और यांत्रिक तनाव को मिलाकर ऐसी धातु को भी फाड़ सकता है जो अकेले किसी एक खतरे को सह लेती। कण-सीमा संक्षारण (intergranular corrosion) मिश्रधातु के भीतर कणों की सीमाओं के साथ आगे बढ़ता है। इसलिए संक्षारण का मतलब कहीं धीमी और बराबर धूसर परत है, तो कहीं अचानक बनने वाली छिपी दरार। बड़े हादसे अक्सर छिपे प्रकारों से होते हैं।
आर्थिक और अभियांत्रिकी लागत
संक्षारण को रसायन की कक्षा का छोटा प्रयोग मानना आसान है, जब तक उसकी लागत सामने न आए। नेशनल एसोसिएशन ऑफ़ कॉरोशन इंजीनियर्स (NACE), जिसे अब एसोसिएशन फॉर मैटेरियल्स प्रोटेक्शन एंड परफॉर्मेंस (AMPP) कहा जाता है, के प्रसिद्ध बड़े सर्वेक्षण सहित वैश्विक अध्ययनों ने संक्षारण की सीधी लागत दुनिया के सकल घरेलू उत्पाद (GDP) का हर साल करीब 3% से 4% आँकी है। बड़ी अर्थव्यवस्था के पैमाने पर यह बहुत बड़ी रकम है। इसमें नष्ट हुई धातु, दोबारा बनाए गए ढाँचे, खरीदी गई सुरक्षा-परतें और अवरोधक, जाँच और रखरखाव पर होने वाला खर्च शामिल है। अप्रत्यक्ष लागत इसमें भी नहीं जुड़ती, जैसे मरम्मत के कारण बंद पुल, तेल फैलाने वाली पाइपलाइन की रिसाव, या जंग लगे हिस्से को बदलने के लिए रुका कारखाना।
भारत में यह नुकसान बिल्कुल ठोस रूप में दिखता है। प्रबलित कंक्रीट वाली इमारतों और फ्लाईओवर में भीतर की इस्पात सरिया जंग लगकर फूलती है और कंक्रीट को अंदर से फाड़ती है। नमकीन समुद्री हवा जहाज़ों और समुद्र में बने मंचों पर छोटे गहरे गड्ढे करती है। तेल और गैस पाइपलाइन, बिजलीघरों के बॉयलर, जलापूर्ति व्यवस्था, बिजली का जाल और रेलवे भी इससे कमजोर होते हैं। अधिक नमी, लंबा समुद्री तट, मानसून और तेजी से बढ़ती इस्पात-कंक्रीट बुनियादी ढाँचा संपत्ति वाले भारत में संक्षारण के लिए लगभग आदर्श परिस्थितियाँ मौजूद हैं।
लेकिन इसमें उम्मीद की बात भी है, जिसे उत्तर में लिखना चाहिए। संक्षारण की लागत का बड़ा हिस्सा टाला जा सकता है। विश्वसनीय अनुमान बताते हैं कि पहले से उपलब्ध संक्षारण-नियंत्रण ज्ञान को ठीक से अपनाकर इस लागत का 15% से 35% बचाया जा सकता है। सही मिश्रधातु चुनना, इस्पात पर ठीक परत चढ़ाना, डिजाइन में पानी जमा होने की जगह और संकरी दरारें हटाना, साथ ही सस्ते बलिदानी एनोड लगाना कोई दुर्लभ तकनीक नहीं है। ये अच्छी तरह समझे गए और अक्सर कम लागत वाले उपाय हैं, जिन्हें जानकारी की कमी या थोड़ी रकम बचाने की गलत सोच के कारण छोड़ दिया जाता है। विज्ञान ने समस्या का बड़ा हिस्सा हल कर लिया है। बाकी चुनौती जागरूकता, रखरखाव और सुशासन की है।
संक्षारण कैसे रोकते हैं?
संक्षारण एक विद्युत-रासायनिक परिपथ है, इसलिए हर बचाव विधि उसके किसी हिस्से पर चोट करती है। या तो नमी और विद्युत अपघट्य को धातु तक पहुँचने से रोकें, या उसकी जगह पहले संक्षारित होने के लिए दूसरी धातु दें, या मूल धातु को ऐसा बदलें कि वह खुद को सुरक्षित रख सके। विधियों को इन तीन परिवारों में बाँटकर याद करना आसान है।
पहला परिवार अवरोधक सुरक्षा (barrier protection) है, जिसमें नमी और ऑक्सीजन को धातु से दूर रखा जाता है। रोजमर्रा में पेंट, ग्रीस या दूसरी परत चढ़ाई जाती है। पेंट, तेल, एनामेल या बहुलक की फिल्म सतह बंद कर देती है, इसलिए विद्युत अपघट्य लोहे को नहीं छू पाता। इसकी कमजोरी यह है कि एक खरोंच सुरक्षा तोड़ देती है और परत के नीचे जंग शुरू हो सकती है। इसलिए पेंट किए इस्पात का नियमित रखरखाव जरूरी है। इससे बेहतर अवरोध जस्तीकरण (galvanisation) है। इसमें इस्पात पर जस्ता चढ़ाया जाता है, आम तौर पर उसे पिघले जस्ते में डुबोकर। जस्ता दोहरा काम करता है। वह भौतिक अवरोध है, लेकिन परत खरोंचने और इस्पात खुलने पर भी सुरक्षा जारी रखता है। जस्ता लोहे से अधिक अभिक्रियाशील है, इसलिए खुला इस्पात कैथोड और आसपास का जस्ता एनोड बनता है। जस्ता खुद संक्षारित होकर लोहे को बचाता है, इसलिए इसे बलिदानी परत (sacrificial coating) कहते हैं। यही कारण है कि जस्ती बाल्टी वर्षों की बारिश सह सकती है, जबकि खुली इस्पात बाल्टी एक मौसम में जंग पकड़ सकती है।
बलिदान का यही विचार दूसरे और बहुत प्रभावी परिवार, कैथोडिक संरक्षण (cathodic protection), का आधार है। इसमें गैल्वैनिक संक्षारण को जानबूझकर रक्षा में बदला जाता है। बचाए जाने वाले पूरे ढाँचे को सेल का कैथोड बना दिया जाता है, इसलिए वह घुल नहीं सकता। बलिदानी एनोड विधि (sacrificial-anode method) में जस्ता, मैग्नीशियम या एल्युमिनियम जैसी अधिक अभिक्रियाशील धातु के टुकड़े जहाज़ के ढाँचे, भूमिगत पाइपलाइन या समुद्री मंच से जोड़ दिए जाते हैं। ये टुकड़े पहले संक्षारित होते हैं और इस्पात को इलेक्ट्रॉन देते रहते हैं। घिसने पर इन्हें समय-समय पर बदलना पड़ता है, जो बड़े ढाँचे के नुकसान से बहुत सस्ता है। थोपी गई धारा विधि (impressed-current method) में बाहरी दिष्ट धारा बिजली स्रोत इलेक्ट्रॉन को ढाँचे में धकेलता है और उसे कैथोड बनाए रखता है। यह लंबी पाइपलाइन और बड़े भंडारण टैंक जैसी विशाल संपत्तियों में काम आता है। दोनों विधियों में सुरक्षित धातु को इलेक्ट्रॉन से भरपूर रखा जाता है, इसलिए उसके घुलने की प्रवृत्ति दब जाती है।
तीसरा परिवार धातु को ही बदलता है। मिश्रधातु बनाना (alloying) लोहे में दूसरे तत्व मिलाकर उसे स्वाभाविक रूप से संक्षारण-रोधी बनाता है। मुख्य उदाहरण स्टेनलेस इस्पात (stainless steel) है, जिसमें लोहे के साथ कम से कम करीब 11% क्रोमियम होता है। क्रोमियम ऑक्सीजन से अभिक्रिया करके क्रोमियम ऑक्साइड की बेहद पतली, अदृश्य और मजबूती से चिपकी परत बनाता है। यह सतह बंद करती है और खरोंच लगने पर खुद फिर बन जाती है, क्योंकि नया खुला क्रोमियम तुरंत ऑक्सीकृत हो जाता है। सुरक्षा देने वाली ऑक्साइड परत बनने की इस प्रक्रिया को निष्क्रियकरण (passivation) कहते हैं। कई धातुएँ इसे स्वाभाविक रूप से करती हैं। एल्युमिनियम बहुत अभिक्रियाशील है, फिर भी बाहर टिकता है क्योंकि उसकी सतह पर तुरंत मजबूत और बंद एल्युमिनियम ऑक्साइड परत बनती है। एनोडीकरण (anodising) से यही परत जानबूझकर मोटी की जाती है। अंत में विद्युत लेपन (electroplating) में विद्युत अपघटन से सस्ती मूल धातु पर क्रोमियम, निकल या टिन जैसी संक्षारण-रोधी या सजावटी धातु की पतली परत जमाई जाती है। खाद्य डिब्बे के भीतर टिन की परत इसका आम उदाहरण है, जो इस्पात को अम्लीय भोजन से अलग रखती है। तीनों परिवारों का तर्क एक ही है: परिपथ रोकें, दूसरी धातु का बलिदान दें या धातु को अपनी ढाल बनाने दें।
मुख्य परीक्षा के उत्तर के लिए
संक्षारण सामान्य अध्ययन प्रश्नपत्र 3 (GS3) में विज्ञान और प्रौद्योगिकी से जुड़ता है। रसायन की इसकी बुनियाद प्रारंभिक परीक्षा और मुख्य परीक्षा के विज्ञान-प्रौद्योगिकी हिस्से, दोनों में काम आती है। इसे बुनियादी ढाँचे की टिकाऊ उम्र, रक्षा, जहाज़ निर्माण की सामग्री और रखरखाव की अर्थव्यवस्था से भी जोड़ा जा सकता है। बेहतर उत्तर संक्षारण को धातु के अस्पष्ट “घिसने” की कहानी नहीं बनाता। वह इसे एनोड, कैथोड और विद्युत अपघट्य वाली विद्युत-रासायनिक प्रक्रिया के रूप में समझाता है और हर बचाव विधि को उस सेल के उस हिस्से से जोड़ता है जिसे वह रोकती है।
उत्तर कैसे बनाएँ?
एक पंक्ति की परिभाषा से शुरू करें: संक्षारण धातु का विद्युत-रासायनिक तरीके से अधिक स्थिर यौगिक में बदलना है। तुरंत बैटरी मॉडल जोड़ें: एनोड, कैथोड, इलेक्ट्रॉन का रास्ता और विद्युत अपघट्य। लोहे में जंग को उदाहरण बनाइए: लोहा, पानी और ऑक्सीजन; एनोड पर लोहे का ऑक्सीकरण; कैथोड पर ऑक्सीजन का अपचयन; और छिद्रदार जंग का बनना। इसके बाद प्रकार लिखें: एकसमान, गैल्वैनिक, गर्त और दरार संक्षारण। लागत बताकर बचाव को तीन परिवारों में रखें: अवरोध, कैथोडिक संरक्षण और धातु में बदलाव। यानी परिभाषा → प्रक्रिया → प्रकार → लागत → उपाय। यह ढाँचा लगभग हर प्रश्न में काम करेगा।
इन आम गलतियों से बचें
यह न लिखें कि अधिक शुद्ध धातु ज्यादा संक्षारित होती है। वह आम तौर पर कम संक्षारित होती है, क्योंकि अशुद्धियाँ स्थानीय सेल बनाती हैं। जंग के लिए पानी और ऑक्सीजन दोनों चाहिए; किसी एक को हटाने पर प्रक्रिया रुक जाती है। गैल्वैनिक संक्षारण और कैथोडिक संरक्षण को न मिलाएँ। पहले में अधिक अभिक्रियाशील धातु अनचाहे संक्षारित होती है, जबकि दूसरे में उसी सिद्धांत से जानबूझकर दूसरी धातु का बलिदान देकर उपयोगी ढाँचा बचाया जाता है। जस्तीकरण को केवल भौतिक परत न बताएँ। खरोंच के बाद भी उसका बलिदानी असर असली लाभ है। जस्तीकरण, जिसमें जस्ता बलिदानी धातु है, और विद्युत लेपन, जिसमें उत्कृष्ट धातु की पतली परत टूटने के बाद सुरक्षा नहीं देती, अलग प्रक्रियाएँ हैं।
उत्तर का छोटा ढाँचा
संक्षारण = धातु का स्थिर ऑक्साइड में विद्युत-रासायनिक ऑक्सीकरण → धातु पर बैटरी: एनोड (Fe → Fe²⁺ + 2e⁻), कैथोड (O₂ + H₂O + e⁻ → OH⁻), नमी विद्युत अपघट्य, जंग = जलयोजित Fe₂O₃, जो छिद्रदार है और खुद प्रक्रिया बढ़ाती है → नमी, विद्युत अपघट्य, नमक, अशुद्धियाँ और अलग धातुओं का संपर्क इसे तेज करते हैं → प्रकार: एकसमान, गैल्वैनिक, गर्त, दरार → लागत लगभग GDP का 3% से 4%, जिसका बड़ा हिस्सा टल सकता है → बचाव: अवरोध (पेंट, जस्ता-जस्तीकरण), कैथोडिक संरक्षण (बलिदानी एनोड, थोपी गई धारा), धातु में बदलाव (स्टेनलेस इस्पात-क्रोमियम, निष्क्रियकरण, एनोडीकरण, विद्युत लेपन)।
चित्र या प्रवाह-चित्र का तरीका
लोहे की एक पट्टी बनाएँ और उसके ऊपर पानी की पतली परत दिखाएँ। एक हिस्से पर “एनोड: Fe → Fe²⁺” और दूसरे पर “कैथोड: O₂ + H₂O → OH⁻” लिखें। धातु के भीतर एनोड से कैथोड की ओर इलेक्ट्रॉन का तीर बनाएँ और पानी में दोनों उत्पादों को मिलकर जंग जमाते हुए दिखाएँ। साथ में पाइपलाइन और उससे जुड़ा मैग्नीशियम का “बलिदानी एनोड” वाला छोटा चित्र बना सकते हैं। दोनों चित्र जल्दी बनते हैं और प्रक्रिया की असली समझ दिखाते हैं।
संतुलित निष्कर्ष की पंक्ति
निष्कर्ष में लिख सकते हैं: “संक्षारण केवल धातु का सड़ना नहीं, बल्कि विद्युत-रासायनिक सेल के जरिए उसका प्राकृतिक ऑक्सीकृत अवस्था में लौटना है। इसलिए इसका अनुमान और बचाव दोनों संभव हैं। दुनिया के GDP के करीब 3% से 4% की लागत वाली यह समस्या काफी हद तक विज्ञान की कमी नहीं, बल्कि दूरदृष्टि की कमी दिखाती है।”
आँकड़े भरने के बजाय सही जगह कैसे लगाएँ?
कुछ आँकड़े काफ़ी हैं: संक्षारण की लागत GDP का करीब 3% से 4% है और उसमें 15% से 35% बचाया जा सकता है; जंग के लिए लोहा + पानी + ऑक्सीजन चाहिए; स्टेनलेस इस्पात में करीब 11% या अधिक क्रोमियम होता है; जस्तीकरण में जस्ता बलिदानी परत बनता है। इन्हें संबंधित वाक्य में रखें। उत्तर मजबूत लगेगा और आँकड़ों की भीड़ नहीं बनेगा।
सामान्य प्रश्न
संक्षारण क्या है और जंग लगना उससे कैसे अलग है? वातावरण के साथ विद्युत-रासायनिक या रासायनिक अभिक्रिया से धातु का धीरे-धीरे नष्ट होकर ऑक्साइड जैसे अधिक स्थिर यौगिक में बदलना संक्षारण है। जंग लगना केवल लोहे और इस्पात के संक्षारण का नाम है। इसमें जलयोजित आयरन(III) ऑक्साइड बनता है, जो परिचित लाल-भूरी जंग है। हर जंग संक्षारण है, लेकिन चाँदी का काला पड़ना, ताँबे पर हरी परत और एल्युमिनियम पर सफेद परत भी संक्षारण के रूप हैं।
लोहे में जंग के लिए पानी और ऑक्सीजन दोनों क्यों चाहिए? क्योंकि जंग लगाने वाली व्यवस्था एक विद्युत-रासायनिक सेल है। कैथोड पर ऑक्सीजन का अपचयन होता है। पानी या नमी की परत विद्युत अपघट्य बनकर परिपथ पूरा करती है और लौह व हाइड्रॉक्साइड आयनों को चलने और मिलने देती है। घुली हवा से खाली पानी के नीचे लोहा बंद करके ऑक्सीजन हटा दें, या बिल्कुल सूखी हवा में नमी हटा दें, तो परिपथ नहीं चलता और जंग लगभग रुक जाती है। पानी में घुला नमक या अम्ल चालकता बढ़ाकर प्रक्रिया तेज कर देता है।
खरोंच लगने पर भी जस्तीकरण इस्पात को कैसे बचाता है? जस्तीकरण में इस्पात पर जस्ता चढ़ता है, जो लोहे से अधिक अभिक्रियाशील है। पहले जस्ता भौतिक अवरोध बनता है। खरोंच लगने पर खुला इस्पात और आसपास का जस्ता छोटा गैल्वैनिक सेल बनाते हैं। अधिक अभिक्रियाशील जस्ता एनोड बनकर लोहे की जगह संक्षारित होता है। इस्पात कैथोड बनकर सुरक्षित रहता है। इसलिए जस्ता “बलिदान” होता है और जस्ती इस्पात पेंट किए इस्पात से अधिक समय तक बच सकता है, जहाँ खरोंच के बाद जंग शुरू हो जाती है।
कैथोडिक संरक्षण क्या है और कहाँ काम आता है? इसमें पूरे धातु ढाँचे को सेल का कैथोड बनाकर घुलने से रोका जाता है। बलिदानी एनोड विधि में मैग्नीशियम या जस्ता जैसी अधिक अभिक्रियाशील धातु के टुकड़े ढाँचे से जोड़े जाते हैं और उसकी जगह खुद संक्षारित होते हैं। थोपी गई धारा विधि में बाहरी बिजली स्रोत इलेक्ट्रॉन को धातु में भेजता है। यह जहाज़ों के ढाँचे, भूमिगत और समुद्री पाइपलाइन, समुद्री मंच व बड़े भंडारण टैंक बचाने में काम आता है। ऐसी संपत्तियों को बार-बार पेंट करना कठिन होता है।
अभ्यास प्रश्न
प्रारंभिक परीक्षा के बहुविकल्पीय प्रश्न
- लोहे के विद्युत-रासायनिक संक्षारण के संदर्भ में निम्नलिखित में कौन-सा कथन सही है?
(a) लोहे का ऑक्सीकरण कैथोड पर होता है
(b) कैथोड पर ऑक्सीजन का अपचयन और एनोड पर लोहे का ऑक्सीकरण होता है
(c) जंग केवल एनोड पर बनती है और धातु को बचाती है
(d) जंग लगने के लिए विद्युत अपघट्य की जरूरत नहीं होती
उत्तर: (b)। जंग लगते समय एनोड पर लोहा ऑक्सीकृत होकर Fe²⁺ बनता है और कैथोड पर घुली ऑक्सीजन का अपचयन होकर हाइड्रॉक्साइड बनता है। दोनों उत्पाद जहाँ मिलते हैं, वहाँ जंग बनती है। - लोहे में जंग लगने के लिए कौन-सी परिस्थितियाँ जरूरी हैं?
(a) केवल लोहा और सूखी हवा
(b) लोहा, पानी और ऑक्सीजन साथ में
(c) उबले और हवा से खाली पानी के नीचे बंद लोहा
(d) निर्वात में रखा लोहा
उत्तर: (b)। जंग के लिए लोहा, पानी और ऑक्सीजन तीनों साथ चाहिए। पानी या ऑक्सीजन में से किसी एक को हटाने पर प्रक्रिया रुक जाती है। - विद्युत-रासायनिक संक्षारण के बारे में कौन-से कथन सही हैं? 1) नमी या विद्युत अपघट्य संक्षारण तेज कर सकता है। 2) धातु जितनी शुद्ध होगी, संक्षारण की आशंका उतनी अधिक होगी। 3) दो अलग धातुएँ संपर्क में हों तो गैल्वैनिक संक्षारण हो सकता है।
(a) केवल 1 और 2
(b) केवल 2 और 3
(c) केवल 1 और 3
(d) 1, 2 और 3
उत्तर: (c)। नमी परिपथ पूरा करती है और अलग धातुओं का संपर्क गैल्वैनिक जोड़ा बनाता है, इसलिए 1 और 3 सही हैं। अधिक शुद्ध धातु वास्तव में बेहतर बचती है, इसलिए 2 गलत है। - लोहे के जस्तीकरण में सुरक्षा-परत के लिए कौन-सी धातु इस्तेमाल होती है?
(a) टिन
(b) क्रोमियम
(c) जस्ता
(d) निकल
उत्तर: (c)। जस्तीकरण में इस्पात पर जस्ता चढ़ता है। जस्ता अवरोध और बलिदानी एनोड, दोनों की तरह काम करता है क्योंकि वह लोहे से अधिक अभिक्रियाशील है। - स्टेनलेस इस्पात मुख्य रूप से किस कारण संक्षारण से बचता है?
(a) उसमें कार्बन का प्रतिशत बहुत अधिक होता है
(b) उसमें कम से कम करीब 11% क्रोमियम होता है, जो खुद दोबारा बनने वाली ऑक्साइड परत बनाता है
(c) उस पर विद्युत लेपन से टिन चढ़ाया जाता है
(d) उसमें घुली ऑक्सीजन आगे की अभिक्रिया रोकती है
उत्तर: (b)। स्टेनलेस इस्पात का क्रोमियम पतली, चिपकी और खरोंच के बाद खुद फिर बनने वाली क्रोमियम ऑक्साइड परत बनाता है। इस निष्क्रियकरण से सतह संक्षारण से बचती है।
मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न
- लोहे में जंग लगने के उदाहरण से एनोड, कैथोड और विद्युत अपघट्य की भूमिका बताते हुए संक्षारण को विद्युत-रासायनिक प्रक्रिया के रूप में समझाइए। (10 अंक, 150 शब्द)
- “संक्षारण उलटी दिशा में चलने वाली निष्कर्षण धातुकर्म है।” इस कथन पर चर्चा कीजिए और समझाइए कि नमी, घुले नमक और अलग धातुओं का संपर्क प्रक्रिया तेज क्यों करते हैं। (15 अंक, 250 शब्द)
- गैल्वैनिक संक्षारण और कैथोडिक संरक्षण में अंतर बताइए। समझाइए कि पहले को जन्म देने वाला विद्युत-रासायनिक सिद्धांत दूसरे में बचाव के लिए कैसे इस्तेमाल होता है। (15 अंक, 250 शब्द)
- संक्षारण रोकने की मुख्य विधियों, यानी अवरोधक परत, जस्तीकरण, कैथोडिक संरक्षण और मिश्रधातु बनाने की तुलना कीजिए। भारत के पुल, पाइपलाइन और जहाज़ बचाने में उनकी उपयोगिता का आकलन कीजिए। (15 अंक, 250 शब्द)
- अनुमान है कि संक्षारण से अर्थव्यवस्थाओं को GDP का करीब 3% से 4% नुकसान होता है, जिसका बड़ा हिस्सा टाला जा सकता है। भारत जैसी नम और तटीय अर्थव्यवस्था के लिए संक्षारण नियंत्रण के आर्थिक और बुनियादी ढाँचे संबंधी महत्त्व की आलोचनात्मक जाँच कीजिए। (15 अंक, 250 शब्द)
