समुद्र किनारे बसे किसी गाँव में जाएँ, तो फाटक के कब्जों या साइकिल की चेन का रंग खास तौर पर लाल पड़ा हुआ आसानी से दिखाई देता है। लोहे की नई खरीदी हुई कुर्सी भी कुछ बार बारिश में भीगने के बाद सतह पर भूरे धब्बे दिखाने लगती है। ठोस दिखने वाली धातु का हवा और पानी के संपर्क में आकर धीरे-धीरे दूसरे पदार्थ में बदलना ही ‘संक्षारण (Corrosion)’ है।
सरल शब्दों में, संक्षारण का अर्थ है ‘धातु का आसपास के वातावरण के साथ रासायनिक अभिक्रिया करके अपने मूल गुण खो देना और खराब होना’। जिसे हम आम तौर पर जंग कहते हैं, वह लोहे के संक्षारण से बनने वाला पदार्थ है। ताँबे और एल्युमिनियम जैसी दूसरी धातुओं का भी अपने-अपने ढंग से संक्षारण होता है।
इस सामग्री में हम क्रम से लोहे पर जंग लगने के सिद्धांत, अलग-अलग धातुओं के संपर्क में आने से पैदा होने वाली समस्याओं, ऐतिहासिक उदाहरणों और संक्षारण रोकने के तरीकों को समझेंगे।
धातुओं पर जंग लगने का सिद्धांत और उसे रोकने की समझ
संक्षारण क्या है?
लोहे पर जंग लगना इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान वाली ऑक्सीकरण-अपचयन अभिक्रिया है। लोहा इलेक्ट्रॉन छोड़कर ऑक्सीकृत होता है और हवा में मौजूद ऑक्सीजन उन इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करके अपचयित होती है। इस तरह बनने वाला पदार्थ लाल-भूरा जलयोजित लौह ऑक्साइड (Fe2O3·nH2O) है, जिसे हम जंग के रूप में जानते हैं।
(1) पानी और ऑक्सीजन का एक साथ होना जरूरी है
केवल शुद्ध पानी या केवल शुष्क ऑक्सीजन की मौजूदगी में लोहे पर लगभग जंग नहीं लगती। पानी और ऑक्सीजन के एक साथ होने पर अभिक्रिया पूरी तरह शुरू होती है, और पानी इलेक्ट्रॉनों के आने-जाने का रास्ता खोलने की भूमिका निभाता है।
(2) नमक अभिक्रिया को तेज करता है
समुद्री पानी या सर्दियों में सड़कों पर छिड़के जाने वाले कैल्शियम क्लोराइड जैसे पदार्थों से युक्त पानी में क्लोराइड आयन होते हैं। ऐसा पानी बिजली का अच्छा चालक होता है और संक्षारण को बहुत तेज कर देता है। इसी कारण समुद्र किनारे की लौह संरचनाओं और अधिक बर्फबारी वाले क्षेत्रों में गाड़ियों के निचले हिस्सों पर खास तौर पर जल्दी जंग लगती है।
(3) जंग अपनी रक्षा नहीं कर पाती
जंग का आयतन मूल लोहे से अधिक होता है, इसलिए वह फूलकर आसानी से उखड़ जाती है। जहाँ जंग की परत हटती है, वहाँ नया लोहा खुल जाता है, जिससे संक्षारण लगातार भीतर तक बढ़ता जाता है।
(4) हर धातु में जंग लगने का रूप अलग होता है
एल्युमिनियम लोहे की तुलना में ऑक्सीजन से अधिक आसानी से अभिक्रिया करता है, लेकिन उसकी सतह पर लगभग 10 नैनोमीटर मोटी, पतली और सघन एल्युमिनियम ऑक्साइड की परत बन जाती है, जो अंदर के हिस्से को ढक देती है। अपने आप ऐसी सुरक्षात्मक परत बनाने की घटना को ‘निष्क्रियण (Passivation)’ कहते हैं। यही उसे लोहे से सबसे अधिक अलग बनाता है, जिसकी जंग आसानी से उखड़ जाती है।
जब अलग-अलग धातुएँ संपर्क में आती हैं
जब दो अलग-अलग धातुएँ आपस में संपर्क में रहते हुए समुद्री पानी जैसे विद्युत अपघट्य में डूबी होती हैं, तो अधिक आसानी से इलेक्ट्रॉन छोड़ने वाली धातु का संक्षारण कहीं तेजी से होता है। इसे ‘गैल्वैनिक संक्षारण (Galvanic Corrosion)’ कहते हैं।
- धनाग्र धातु (Anode): यह इलेक्ट्रॉन खोकर घुलने वाला पक्ष है। जस्ता या लोहे जैसी अधिक अभिक्रियाशील धातुएँ इस श्रेणी में आती हैं।
- ऋणाग्र धातु (Cathode): यह इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने वाला पक्ष है। ताँबे जैसी कम अभिक्रियाशील धातुओं को उलटे सुरक्षा मिलती है।
- विद्युत अपघट्य (Electrolyte): यह दोनों धातुओं के बीच आयनों के चलने का माध्यम है। नमक की मात्रा जितनी अधिक होती है, अभिक्रिया उतनी ही तेज होती है।
रोजमर्रा की जिंदगी में भी गैल्वैनिक संक्षारण अक्सर होता है। एल्युमिनियम की खिड़की के फ्रेम में लोहे के पेंच लगाने या ताँबे और लोहे के पाइपों को सीधे जोड़ने पर सबसे पहले संपर्क वाला हिस्सा खराब होता है। इसलिए डिजाइनर अलग-अलग धातुओं के बीच रबर या प्लास्टिक जैसे विद्युतरोधी पदार्थ लगाकर इलेक्ट्रॉनों के आने-जाने का रास्ता रोक देते हैं।
इतिहास में संक्षारण की कहानियाँ
संक्षारण लंबे समय से जहाजों और इमारतों को नुकसान पहुँचाता आया है, और इसी दौरान कई महत्वपूर्ण खोजें भी हुई हैं।
[उदाहरण 1] गल गईं लोहे की कीलें
1761 में ब्रिटिश नौसेना ने अलार्म (HMS Alarm) नामक फ्रिगेट के लकड़ी के ढाँचे को ताँबे की चादरों से ढक दिया। वेस्ट इंडीज की यात्रा से लौटने पर ताँबे की चादरें तो सही-सलामत थीं, लेकिन उन्हें लगाने में इस्तेमाल हुई लोहे की कीलें गलकर जंग लगे गाढ़े लेप जैसी हो गई थीं। 1763 में नौसेना ने निष्कर्ष निकाला कि समुद्री पानी में लोहा और ताँबा सीधे संपर्क में नहीं होने चाहिए।
[उदाहरण 2] स्टैच्यू ऑफ लिबर्टी
स्टैच्यू ऑफ लिबर्टी की स्थापना के समय उसका रंग ताँबे जैसा लाल था, लेकिन 1900 के दशक की शुरुआत से वह हरा होने लगा। यह हरी जंग ताँबे की सतह को ढककर संक्षारण को और गहराई तक जाने से रोकती है। दूसरी ओर, 1980 के दशक में जाँच से पता चला कि ताँबे के बाहरी आवरण और लोहे के ढाँचे के बीच की विद्युतरोधी परत पुरानी पड़ गई थी और लोहे के ढाँचे में जंग लग गई थी। इसके बाद बड़े पैमाने पर मरम्मत की गई।
संक्षारण रोकने के चार तरीके
संक्षारण एक अपरिहार्य प्राकृतिक अभिक्रिया है, लेकिन उसकी गति बहुत धीमी की जा सकती है।
(1) सुरक्षात्मक परत चढ़ाएँ
धातु की सतह को पेंट, तेल या प्लास्टिक के लेप से ढककर पानी और ऑक्सीजन को उसके संपर्क में आने से रोका जाता है।
(2) जस्ते का आवरण चढ़ाएँ
लोहे पर जस्ते की परत चढ़ाने को ‘जस्तीकरण (Galvanization)’ कहते हैं। सतह पर खरोंच आने से लोहा खुल जाए, तब भी जस्ता पहले ऑक्सीकृत होकर लोहे की रक्षा करता रहता है।
(3) ऐसी धातु जोड़ें जो उसकी जगह संक्षारित हो
जहाज के तल या समुद्री संरचनाओं पर जस्ते, एल्युमिनियम या मैग्नीशियम के खंड लगा दिए जाएँ, तो ये धातुएँ उनकी जगह संक्षारित होती हैं। इन्हें ‘बलिदानी धनाग्र (Sacrificial Anode)’ कहते हैं। 1824 में हम्फ्री डेवी (Humphry Davy) ने यह सिद्धांत ब्रिटेन की रॉयल सोसाइटी में प्रस्तुत किया और युद्धपोत के ताँबे के बाहरी आवरण पर लोहे के खंड लगाकर इसका परीक्षण किया। ताँबे का संक्षारण बहुत कम हो गया, लेकिन समुद्री जीव अधिक संख्या में चिपकने लगे, इसलिए तत्कालीन नौसेना ने इस तरीके का उपयोग जारी नहीं रखा।
(4) अपनी रक्षा करने वाली मिश्रधातु इस्तेमाल करें
10.5% या उससे अधिक क्रोमियम वाला स्टेनलेस स्टील अपनी सतह पर क्रोमियम ऑक्साइड की बेहद पतली परत बनाकर संक्षारण रोकता है। इस परत पर खरोंच आ जाए, तो भी ऑक्सीजन के संपर्क में आने पर यह दोबारा बन जाती है।
संक्षारण धातु की अपनी मूल स्थिर अवस्था में लौटने की स्वाभाविक प्रवृत्ति है। पुलों और पाइपों से लेकर गाड़ियों और जहाजों तक, हमारे जीवन को सहारा देने वाली सभी धातु संरचनाएँ इस प्रवृत्ति से लगातार जूझती हैं। अमेरिकी संघीय राजमार्ग प्रशासन (Federal Highway Administration) की 2002 में प्रकाशित रिपोर्ट के अनुसार, अकेले 1998 में अमेरिका में संक्षारण से हुई प्रत्यक्ष लागत लगभग 2,760 × दस करोड़ डॉलर थी, जो उस समय के सकल घरेलू उत्पाद के 3.1% तक पहुँच गई थी।
जंग बनने का सिद्धांत समझना और छोटे धब्बों को जल्दी पहचानकर उनकी मरम्मत करना, रोजमर्रा के जीवन में रसायन विज्ञान के उपयोग से धातु को लंबे समय तक सुरक्षित रखने की दिशा में पहला कदम है।
