Rostindikator visar var järnet rostar

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Rostindikator visar var järnet rostar

Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

När järn rostar bildas två elektriska poler. Vid ena polen avger järnatomerna elektroner och bildar järnjoner som går ut i lösning, dvs metallen löses upp. Vid den andra polen tas elektroner upp när syre reagerar med vatten och bildar hydroxid. Indikatorn innehåller två komponenter som ger färgreaktion med järnjonerna respektive hydroxiden.

Riktlinjer

Experimentet utförs helst som ett elevförsök.

Säkerhet

Experimentet innehåller inga farliga kemikalier. Fläckar av Berlinerblått som bildas när ferricyanid kommer i kontakt med järnjoner kan dock vara svåra att få bort.

Överblivna lösningar kan spolas ned i avloppet.

Materiel

Förarbete

Inget särskilt förarbete.

Utförande

Bered 250 ml indikatorlösning

Bered en vattenlösning med fenolftalein och 2 vikt-% kaliumferricyanid:

  1. Lös 1 g kaliumferricyanid i 100 ml vatten.
  2. Tillsätt och lös 1 g natriumklorid.
  3. Tillsätt 3 ml fenolftalein-indikator.

Undersök var rosten angriper järnet

  1. Slipa av smuts och gammal rost, om nödvändigt.
  2. Lägg ner plåtbiten i bägaren.
  3. Lägg en liten hög sand på en del av plåten och lämna en del av plåten fri.
  4. Häll indikatorlösning i bägaren så att det täcker hela plåten och sanden. Undvik att sanden sprids omkring.
  5. Vänta någon timme och titta sedan på resultatet.

Variation

Lägg en stor droppe av rostindikatorn på en putsad järnbit. Undvik att droppen flyter ut. Undersök droppen efter cirka 10 minuter.

Variation

Lägg en rengjord spik och ett zinkbleck i bägaren så att de har kontakt med varandra. Häll i indikatorlösning. Påverkar kontakten med zinken järnets korrosion?

Förklaring

Järn rostar när det är i kontakt med vatten och syre. Med tiden blir det rödbrunt av rost som bildas. Men det tar ganska lång tid att se var rostangreppet är. Dessutom sker två olika processer samtidigt. Det ena är där syret reagerar genom att ta upp elektroner. Det andra är där järn löses upp till järnjoner när det avger elektroner. De två elektrokemiska reaktionerna sker oftast inte på samma ställe. Men med rostindikatorn i detta experiment kan man avslöja vilken reaktion som sker var.

När syret tar upp elektroner reagerar det samtidigt med vatten så att det bildas hydroxid. Hydroxid är ett starkt basiskt ämne. I rostindikatorn finns pH-indikatorn fenolftalein som färgas rosa av baser.

När järnet avger elektroner bildas järn(II)joner, Fe2+, som går i lösning. I rostindikatorn finns ferricyanid som bildar en starkt blå fällning tillsammans med järnjonerna.

Syret hjälper till när rost bildas, men det är järnet som bildar rost. När syre och järn reagerar på olika ställen blir det så att rosten bildas där det finns minst syre. Sanden hindrar tillförseln av syre. Det är därför som korrosionen sker under sanden.

Koksaltet har till uppgift att underlätta korrosionen, dels genom att öka ledningsförmågan, dels genom att kloriden är en aggressiv jon i korrosionssammanhang.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Bildning av rost

Rost bildas när järn eller stål korroderar. Järnmetallen är inte så ädel, utan reagerar lätt med vatten och syre när det finns tillgängligt. Syre finns nästan alltid, men fukt beror på den miljö som järnet befinner sig i. Det finns även andra ämnen som kan påskynda reaktionen. Närvaro av salt underlättar korrosionen, särskilt om kloridjoner är närvarande. Därför är koksalt och järn inte en bra kombination.

Järnatomerna avger elektroner till syret som är löst i vattnet. Syrejoner reagerar genast med vattnet och bildar hydroxid. Eftersom hydroxid är en stark bas och baser reagerar med syror, så har närvaro av syra en stor inverkan. Vätejonerna (H+) i sur miljö underlättar korrosionen. Samtidigt inverkar syran på vilken korrosionsprodukt som bildas. Normal rost är en fällning av järnhydroxid med varierande antal kristallvatten.

Oftast bildas rödorange hematit (rödrost) med formeln Fe2O3·H2O, vilket ibland skrivs Fe(OH)3. Det kan också bildas den grönaktiga, ibland blåaktiga, hydrerade magnetiten med formeln Fe3O4·H2O, vilket även skrivs Fe2O3·FeO. Ibland kan bildas magnetit, Fe3O4, som är svart till färgen.

Rostbildningen är uppdelad på oxidation och reduktion

GDC: Partikeltänkande

Järn som rostar avger elektroner enligt formeln:
Fe → Fe2+ + 2 e-

Reaktionen är en oxidation eftersom elektroner avges. Men elektroner kan inte existera fria, utan binder alltid till någon annan partikel som finns närvarande. Vid rostbildningen så är det syre som tar emot elektroner enligt formeln:
O2 + 4 e- → 2 O2-

Den reaktionen är en reduktion eftersom elektroner tas upp. På den plats där det finns mest syre sker i första hand reduktionen. Oxidationen sker då i första hand där det finns lite syre.

Det är mycket speciellt för elektrokemiska reaktioner att reduktion och oxidation kan ske på olika platser. Att det är möjligt beror på att elektronerna kan vandra genom järnmetallen från anoden (där järn oxideras) till katoden (där syre reduceras) och att samtidigt jonerna i lösningen kan utjämna den separation av positiva och negativa laddningar som uppstår på grund av elektrontransporten genom metallen. Jonerna finns i vattenlösningen. Det vandrar åt det håll som gör att laddningsseparationen utjämnas. Positiva joner såsom Fe2+ vandrar från anod till katod medan negativa joner såsom hydroxidjoner (OH-) vandrar åt andra hållet.

Det bildas alltså lokala anoder och katoder. Vid anoden avges Fe2+ som kan detekteras med ferricyaniden i rostindikatorn som blir blå. Vid katoden bildas O2- som genast reagerar vidare till OH-, vilket färgar fenoltfaleinet i rostindikatorn rosa. Du kan alltså själv se i ditt experiment vad som är anod och vad som är anod.

Rost är energifattigt i förhållande till järn, syre och vatten var för sig

GDC: Energi

Att järn är en ganska oädel metall beror på att korrosionsprodukterna av järn, syre och vatten är mycket energifattigare än ämnena för sig före reaktionen. Korrosionen sker av sig själv om järn, syre och vatten är närvarande eftersom den sker i en energimässig nedförsbacke. Att ämnena förlorar energi kan man uppleva i praktiken när man använder handvärmare som innehåller järnpulver som får rosta. Energin som avges blir till värme.

Den motsatta reaktionen, att bilda järn, syre och vatten ur rost sker i stället i en energimässig uppförsbacke. Om man inte tillför nödvändig energi, så kan den inte ske. Järnframställning är därför energikrävande.

Kemiska reaktioner

Korrosionen är en redoxprocess, dvs där elektroner avges och tas emot. Det bildas ett galvaniskt element med en plus-pol och en minus-pol. Det som avgör vad som blir minus- och plus-pol är tillgången på syre och även lokala föroreningar i själva metallen.

Korrosion på rör i marken
Bild: Ó Svante Åberg

Figuren till höger visar hur det kan bildas lokala plus- och minuspoler på ett järnrör som är nedlagt i marken. Metallen löses upp i det anodiska området. När marken är fuktig kan joner vandra mellan polerna. Elektroner leder strömmen i själva metallen. Man får därmed en sluten strömkrets och korrosionshastigheten kan då öka markant.


Reduktion är upptagande av elektroner. I fallet med den rostande järnbiten sker reduktionen där syretillförseln är god:

O2(aq) + 2 H2O(l) + 4 e- → 4 OH-(aq)

Den bildade hydroxiden reagerar sedan med fenolftalein så att den färgas röd.

fenolftalein + OH- fenolftalein + H2O
(syraformen) hydroxidjoner (basformen) vatten

Oxidation innebär avgivande av elektroner. I vårt försök sker detta där syretillförseln är dålig. Som man ser av reaktionsformeln löses järnet upp, dvs korroderar:

Fe(s) ® Fe2+(aq) + 2 e-

I nästa steg reagerar bildade järn(II)joner med ferricyaniden till Berlinerblått:

4 Fe2+(aq) + 3 [Fe(CN)6]3- → → [FeIII]4[FeII(CN)6]3
järn(II)joner ferricyanidjoner omlagring
av järnatomer
Berlinerblått

Fördjupning

Berlinerblått

"Berlinerblått" är det namn man numera oftast använder för både "Preussiskt blått" och "Turnbulls blått". Pigmentet Berlinerblått används av konstnärer. Berlinerblått är också det pigment som bildas vid den fotografiska tekniken cyanotypi, eller blåkopia som man också kallar det. Berlinerblått har dessutom använts som vitmedel vid klädtvätt. Den blå färgen motverkar det gulaktiga intryck som vissa textitlier kan ge. Nackdelen med Berlinerblått som vitmedel är mängden ljus som reflekteras av tyget minskar. Numera finns bättre vitmedel som i stället ökar mängden reflekterat ljus genom att omvandla det osynliga UV-ljuset till synligt blått.

Historiskt sett tillverkade man Preussiskt blått genom att genom att blanda ett tvåvärt järnsalt, som t ex FeIICl2, med kaliumferricyanid, K4[FeIII(CN)6], där järnet har oxidationstalet III.

Å andra sidan tillverkade man Turnbulls blått genom att genom att blanda ett trevärt järnsalt, som t ex FeIIICl3, med kaliumferrocyanid, K3[FeII(CN)6], där järnet har oxidationstalet II. Lägg märke till skillnaden i namngivning. "Ferro" anger järn(II) medan "ferri" anger järn(III).

Man trodde att dessa två blå färger var olika kemiska föreningar. Senare har man insett att de är identiska. I båda fallen bildas nämligen Fe4[Fe(CN)6]3 (Berlinerblått, kalium-ferri-ferrocyanid. Sammansättningen är något varierande beroende på förhållandena när ämnet bildades. Formeln kan även vara KFeIIFeIII(CN)6·16 H2O. Oxidationstalen II och III växlar när elektroner byter plats mellan järnjonerna.

Fenolftalein

Fenolftalein är en vanlig pH-indikator i skolan. Den är ofärgad i sura och neutrala lösningar, men blir rosa i basiska lösningar. Omslaget från ofärgad till rosa sker kring pH 9,7. Något som de flesta inte vet är att fenolftalein blir varmt djupröd i mycket sura lösningar där pH är under 0.

Fenolftalein har använts som laxermedel i över ett århundrade. Laxermedel gör avföringen lösare under en tidsperiod på 3-4 dagar. Misstanke om att fenolftalein kan ha en cancerogen effekt gör att man numera undviker den i laxermedel.

Nygjuten betong innehåller kalciumhydroxid, så kallad släckt kalk. I kontakten med luftens koldioxid reagerar den och bildar kalciumkarbonat inom några timmar. Bildningen av kalciumkarbonat gör betongen starkare. För att testa betongen använder man fenolftalein. Kalciumhydroxiden har pH över 8,6 och ger rosa färg med fenolftalein. Men kalciumkarbonatet har pH kring 8,4, vilket gör att fenolftaleinet förblir ofärgat.

Jämvikten för fenolftalein mellan den ofärgade (H2In) och rosa (In2-) formen ovan innebär reaktion med två hydroxidjoner. Det är egentligen en reaktion i två steg med en hydroxid vardera gången, men man ser inte någon färgförändring i det första steget. Eftersom en indikator tillsätts i så liten mängd, så har det ingen praktisk betydelse att det går åt två hydroxidjoner.

Reaktionsstegen mer i detalj är följande:
H3In+ (varmröd) ⇄ H2In (ofärgad), pK0 = 0
H2In (ofärgad) ⇄ HIn- (ofärgad), pK1 = 9,05
HIn- (ofärgad) ⇄ In2- (rosa), pK2 = 9,5
In2- (rosa) ⇄ In(OH)3- (ofärgad), pK3 = 12

(Notera att uppgifter om pK-värdet för fenolftalein varierar något beroende på källa. Vanligen anges pK = 9.7, men i referensen till denna lista anges pK2 = 9.5: Se Acid–base reactions of phenolphthalein)

Det kan också verka konstigt att vi talar om hydroxidjoner i pH-jämvikten i stället för vätejoner. Det är fullt möjligt att skriva jämvikten som en reaktion med vätejoner, men det stämmer bättre med verkligheten att tala om hydroxid eftersom vattnet vid omslaget pH = 9.5 är basiskt.

Natriumklorid

Natriumklorid är en kemisk förening av natrium och klor med formeln NaCl. I dagligt tal säger via bara "salt" eller "koksalt" när vi talar om natriumklorid, men det är bara ett av många olika salter som existerar. Koksalt är ett lättlösligt salt. Det används i matlagningen för smaksättning, men det fungerar också som konserveringsmedel. Bakterier kan nämligen inte växa om salthalten blir för hög.

Det finns olika kvalitéer av natriumklorid.

  1. Råsalt - Om man samlar vattnet från t ex hav eller sjö i stora bassänger (s.k. saliner) och låter vattnet avdunsta kan man ta vara på det salt som naturligt finns i vattnet. I riktigt varma länder kan salt också utvinnas när naturliga saltöknar bildas. Bergssalt etc utvinns från berggrunden i speciella saltgruvor. Råsalt är ett orenat salt med stora korn, som man vanligen ser i form av ett grovsalt och det kan ha olika färgtoning.
  2. Natriumklorid - Den rena formen tillverkas genom att naturligt råsalt löses i vatten, kokas och omkristalliseras. Det kan också tillverkas kemiskt när klor får reagera med natrium, reaktionen är mycket häftig och utvecklar både starkt gulaktigt sken och intensiv värme. Saltet som bildas är ett fint, vitt kristalliniskt pulver eller färglösa, vitaktiga kristaller.
  3. Hushållssalt - Råsaltet renas, natriumklorid/renat råsalt ges tillsatser. Dagens hushållssalt känner vi igen som vitt, finkornigt och lättrinnande.

Förekomst

Både natrium och klor är mycket reaktiva ämnen och förekommer därför inte som rena ämnen i naturen. Eftersom natriumjonerna och kloridjonerna har motsatt elektrisk laddning attraheras de kraftigt till varandra och bildar då koksalt.

Natriumklorid finns i stora mängder i haven. Ursprungligen kommer saltet från berg som vittrat och lakats ur av vatten. Vattnet har runnit ned till havet där saltet blivit kvar. Havsvattnet avdunstar och bildar moln som sedan fäller sitt vatten över land. Vattnet ingår därför i ett kretslopp. Men koksaltet kan inte avdunsta. Därför stannar saltet kvar i haven.

Det händer att hav torkar in. Ett aktuellt exempel är Aralsjön i Centralasien. Ett annat exempel som inträffade för ungefär 6 miljoner år sedan var när Medelhavet blev torrlagt därför att det tappade kontakten med Atlanten. Vattnet avdunstande och det bildades en saltskorpa som på sina ställen var flera hundra meter tjock. Saltavlagringarna begravdes sedan så att de nu är gömda i underjorden. Sådana geologiska händelser kan föra bort natriumklorid från havsvattnet, och det har hänt många gånger i jordens historia.

Utvinning av salt sker dels genom brytning i gruvor där man har saltavlagringar, dels genom att låta havsvatten avdunsta och samla ihop saltet som blir kvar. Saltet är inte rent koksalt, för det finns även mindre mängder av bland annat magnesiumklorid i havsvattnet. Salthalten i de stora världshaven ligger kring 2,5 – 3,5 %. Av detta salt utgör natriumkloriden cirka 78 %.

Användning

NaCl har i alla tider varit av mycket stor kommersiell betydelse och är nu en av de allra viktigaste industriråvarorna. Den är råvara för praktiskt taget alla natrium- och klorföreningar och förbrukas dessutom i stora mängder som krydda och konserveringsmedel för olika matvaror.

Koksaltet blev tidigt en av världens viktigaste handelsvaror. Under medeltiden bröts stora mängder salt i gruvor i Tyskland och Österrike. Saltet forslades sedan norrut via den så kallade Saltvägen, Via Salaria. När Indien frigjorde sig från Storbritannien demonstrerade man symboliskt mot den Brittiska överhögheten med att genomföra en marsch som protest mot saltskatten.

Koksalt används som issmältningssalt (vägsalt) på våra vägar vintertid. Saltet sänker smältpunkten för is, vilket gör att om temperaturen bara ligger på enstaka minusgrader så kan isen töa bort. Problematiskt är att saltet skadar grundvatten och växtlighet och att det orsakar kraftig rostbildning på fordon och släp som inte har ett fullgott rostskydd.

Egenskaper hos natriumklorid

Kristall av natriumkloridtyp,
med kubiskt gitter.

Koksalt, NaCl, kristalliserar vanligen i kuber med en struktur av natruimkloridtyp. Om kristallisationen sker ur vattenlösning uppstår lätt vatteninneslutningar som vid upphettning sprängs med ett knastrande ljud, saltet ”dekrepiterar”. Smältpunkten för natriumklorid är 801 ºC, kokpunkten 1440 ºC. Som mineral kallas natriumklorid ofta stensalt och är ofta blåfärgat. Den blå färgen beror på närvaron av så kallade F-centra, som troligen uppstått genom strålning från radioaktiva kaliumatomer, 40K, som är inbyggda i kristallen.

Ren natriumklorid är inte hygroskopisk, men handelns koksalt är ofta förorenad av hygroskopiska magnesiumsalter som gör att saltet tar upp fukt från luften.

Fysiologisk saltlösning i människor och djur

Man är ganska säker på att livet en gång uppstod i haven och att levande varelser därefter sökte sig upp på land. Djurens kroppsvätskor innehöll salt, och det är ett arv som vi har från forntiden. Salthalten i kroppens celler är 0,9 %. En saltlösning med denna koncentration kallas för fysiologisk saltlösning. Om man injicerar vätska i kroppens vävnader eller i blodomloppet måste salthalten vara fysiologisk. Annars sker osmos som antingen får cellerna att torka ut eller att svälla och kanske spricka.

Osmos är när vatten vandrar genom ett halvgenomträngligt membran från den sida där det finns mest vatten, vilket är på den sida av membranet som salthalten är lägst, och vandrar till den andra sidan av membranet där vattenhalten är lägre och salthalten högre. Om man injicerar rent vatten kommer cellerna att ta upp vatten, svälla och kanske spricka. Om man injicerar vätska med för hög salthalt skrumpnar cellerna när vattnet vandrar ut ur dem.

Man kan utnyttja att saltet drar ut vatten ur cellerna för att konservera matvaror. Bakterier, mögel och annat kan då inte växa eftersom de torkar ut. Då förstörs inte heller maten. Salt sill från Norge och salt fläsk från Amerika var basföda för en stor del av befolkningen i Sverige förr i tiden. Nu vet vi att det inte är nyttigt att äta för mycket salt. Saltet tenderar att höja blodtrycket. Det har också med osmosen att göra.

Men kroppen behöver salt. När människor och djur inte har tillgång till salt så blir saltet åtråvärt. Älgar och renar är förtjusta i saltstenar som man sätter upp. De får inte i sig så mycket salt i den mat de äter naturligt.

Allvarlig saltbrist kallas hypnoatremi och är ett tillstånd där halten natriumjoner och blodet är för lågt. Normalt har njurarna kapacitet att utsöndra överflödigt vatten, men det har hänt att personer i samband med sportutövning eller bantning har druckit extremt mycket vatten under kort tid och råkat ut för vattenförgiftning. Kroppens celler tar då upp vatten och sväller till onormal storlek. Symptom är desorientering, huvudvärk och yrsel som uppstår när blodflödet hindras. Man blir illamående och talet blir sluddrigt. Tillståndet är allvarligt och kan i sällsynta fall leda till döden. LD50 är den dos som gör att 50 % av personerna avlider. För vatten är LD50 ≈ 6 liter för en vuxen person.

Motsatsen, för högt intag av koksalt, är också farligt. För natriumklorid är LD50 ≈ 12 g NaCl/kg kroppsvikt. Om du t.ex. väger 50 kg så är risken att avlida 50 % om du äter 600 g koksalt.

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)

Redoxreaktion vid kontakt mellan ämnena

Kontakt mellan reaktanterna

I en vanlig redoxreaktion sker elektronövergången i kontakt mellan ämnena som reagerar. Elektronen hoppar över direkt från molekylen (eller atomen) som oxideras till molekylen (eller atomen) som reduceras. Elektronhoppet kan bara ske över mycket korta avstånd och sker därför i samband med att partiklarna kolliderar. Därför sker oxidationen och reduktionen på samma plats.

Elektroner förekommer inte fria i ämnen

Anledningen till att elektronöverföringen sker i direktkontakt mellan ämnena är att elektroner inte kan förekomma fria i ett material eller en lösning. De binder alltid till de atomer eller molekyler som finns i närheten. I icke-metalliska material är elektronens position vanligen fixerad till en bestämd molekyl eller atom.

Däremot är elektronerna fritt rörliga i metalliska material. De kan dock inte lämna metallen, bara röra sig inom metallen. När elektronerna rör sig förbi atomerna i metallgittret handlar det inte om elektronöverföring. I stället har metallen ett enda stort elektronmoln av ledningselektroner som är gemensamma för hela metallkristallen.

Det finns också halvledande material som med viss ledningsförmåga, men där elektronerna i huvudsak är fixerade i vissa positioner.

Elektrokemisk redoxreaktion

Redoxreaktioner via direktkontakt eller förmedlade av elektroder

I en vanlig redoxreaktion så hoppar elektronerna över direkt från det ena ämnet till det andra. Det kan bara ske i det ögonblick molekylerna eller atomerna kolliderar med varandra. Det innebär att oxidation och reduktion sker på samma plats.

Men genom att använda sig av elektriska ledare kan vi få elektronerna att ta en omväg så att den elektron som avgivits av en partikel levereras på en annan plats. Denna typ av konstruktion möjliggör elektrokemiska redoxreaktioner.

Elektrokemisk reaktion möjliggör separation av oxidation och reduktion

Elektrokemiska reaktioner bygger på en konstruktion med elektroder och en jonlösning (elektrolyt). Dessutom finns en yttre krets med en elektrisk ledare. I elektriska batterier eller i uppställningar för elektrolys är denna uppbyggnad lätt att se. Men samma princip gäller vid bland annat elektrokemisk korrosion där en punkt på t.ex. järn rostar (anoden) och en annan punkt reagerar med luftens syre (katod). Däremellan fungerar järnet som elektrisk ledare.

I den elektrokemiska redoxreaktionen sker elektronöverföringen via en elektrisk ledare så att avgivande och upptagande av elektroner sker på olika platser. Uppställningen för den elektrokemiska reaktionen innehåller elektroder. Anoden är den elektrod som tar upp elektroner från ämnet som är i kontakt med elektroden, dvs. ämnet oxideras vid anoden. Katoden är den elektrod som levererar elektroner till ämnet vid elektroden, dvs. det ämne som reduceras.

Ibland kan elektroden själv delta i redoxreaktionen. Så är ofta fallet om en metallelektrod används som anod. Anodmaterialet oxideras då till metalljoner som går i lösning. Exempel är en kopparanod:

Anodreaktion: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e

mer material på avancerad nivå kommer

Järn

Järn är ett grundämne med beteckningen Fe, vilket är de två första bokstäverna i det latinska namnet Ferrum. Järn är antagligen den metall som haft störst betydelse för människan genom historien. När man upptäckt hur järn kunde framställas ur malmen, började det gradvis konkurrera ut brons som var känt sedan tidigare. Järnåldern var början på en allt snabbare teknisk utveckling med järn och stål som konstruktionsmaterial som fortsätter än idag.

Sverige har en lång tradition av att framställa järn och stål. Järnmalm bröts tidigt i Bergslagen, men den viktigaste malmbrytningen sker nu i Kirunavaara och Malmberget. Internationellt är ändå Sverige en liten aktör på marknaden.

En viktig egenskap hos järn är att egenskaperna kan förbättras genom inblandning av kol och andra metaller. Kolet ger järnet hårdhet och legeringsmetaller såsom nickel och krom förbättrar seghet, skyddet mot korrosion med mera. Stålet kan också härdas genom upphettning följd av snabb avkylning. Dessutom kan stålet smidas.

En nackdel med järn och stål är att det rostar. Det krävs åtgärder för att minska rostproblemet, vilket man kan göra på flera olika sätt. Trots det kostar korrosionen enorma summor varje år.

Gjutjärn

När järnet tillverkas ur malmen används kol som reduktionsmedel. Kol löser sig i järnsmältan. Om sådant järn får stelna blir resultatet en kollegering av järn som lämpar sig för gjutning, men är inte smidbart.

Stål

Genom färskningsprocesser kan kolhalten minskas. Järn med låg kolhalt kallas stål. Stål finns i många olika kvalitéer där ofta andra metaller också ingår som legeringsämnen. Val av legeringsämnen och halter beror på vilka egenskaper man vill att stålet ska ha.

Stål är smidbart. Själv smidningsprocessen ger förbättrade materialegenskaper genom att kristallstrukturen i järnet förändras.

Järn i människor och djur

Järn är ett livsnödvändigt grundämne för de flesta levande organismer. Järnet ingår i hemgruppen som binder syre för transport via blodbanorna ut i kroppens delar.


Ej syresatt struktur med Chime

Syresatt struktur med Chime

Materialdata för järn

Smältpunkten för rent järn är 1538 °C. Smältpunkten är hög, liksom för flertalet andra metaller, eftersom metallbindningen i materialet är stark. Att värma 1 kg järn från 0 °C till smältpunkten kräver 690 kJ och sedan krävs ytterligare 247 kJ för att smälta det. Fortsätter man värma så når man till slut kokpunkten kokpunkt vid 2862 °C.

Molmassan är 55,847 g/mol. Densiteten vid rumstemperatur är 7,874 g/cm3 och vid smältpunkten 6,98 g/cm3.

De vanligaste oxidationstillstånden är +2 och +3. Eftersom järnet är en relativt oädel metall förkommer den i naturen mest som kemisk förening, ofta förenad med syre eller svavel.

Tekniskt så används järn nästan alltid legerat med andra ämnen. Legeringsämnena förbättrar hårdhet, korrosionsbeständighet osv.

Förekomst

Jordskorpan består till ca 6 % av järn, som är den näst aluminium vanligaste metallen och det fjärde vanligaste grundämnet där. Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre, och i jorden som helhet är järn det vanligaste grundämnet med uppskattningsvis ca 35 % av jordklotets totala massa. Även i universum är järn ett ganska vanligt grundämne. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är gediget järn ytterst ovanligt i naturen. Det finns som legering dels med endast några procent nickel i fyndigheter främst på ön Disco (Grönland) där det bildats genom en naturlig masugnsprocess, dels med nickelhalter på 34-77 % i den naturligt förekommande legeringen nickeljärn. Vissa meteoriter har också höga järnhalter.

I jordskorpan finns ett stort antal järnhaltiga mineral. De för utvinning av metallen viktigaste är oxider och karbonat. Oxidiska järnmineral är magnetit, Fe3O4, som bildar svartmalm, hematit (järnglans), Fe2O3, som bildar blodstensmalm och limonit (järnockra), FeO(OH)·n H2O, som bildar sjö- och myrmalm. Järn finns också som karbonatet siderit (järnspat), FeCO3, som sulfiden FeS2 (järn(II)sulfid) i mineralen pyrit (svavelkis), markasit och magnetkis, som silikat i t.ex. chamosit, som fosfat i vivianit Fe3(PO4)2·8 H2O och tillsammans med titan i dubbeloxiden ilmenit, FeTiO3.

Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca 110 000 miljoner ton. Havsvatten innehåller ca 0,1 mg järn/ton.

Framställning i modern tid

Tekniskt järn är järn som antingen innehåller avsiktligt tillsatta legeringsämnen eller föroreningar som härstammar från utgångsmaterial eller framställningsprocess. Bland legeringsämnen intar kol en specialställning. Kolhalten bestämmer till stor del järnets egenskaper. Järn med kolhalt mindre än ca 2 % kallas stål och är smidbart. Järn med högre kolhalt benämns gjutjärn, tackjärn eller råjärn. Stålframställning från järn sker enligt ett flertal metoder där utgångsmaterialet är smält råjärn eller - om järnframställningen skett i fast form - järnsvamp. Skrot är också ett viktigt utgångsmaterial. Tillverkningsmetoderna behandlas mer ingående under andra uppslagsord, t.ex. bessemerprocess, elektrometallurgi, järnsvampprocesser, Kaldoprocessen, LD-processen, masugnsprocessen, martinprocessen, smältreduktionsprocesser och thomasprocessen. Se även stål och gjutjärn samt metallurgi. Järn och stål är världens viktigaste konstruktionsmaterial; se konstruktionsstål.

Järnframställningens utveckling

Framställning av järn ur malm är känd sedan Hettiternas tid, 1400-talet f.Kr och tidigare. Tillverkning av järn i Sverige anses ha tagit sin början ca 400-500 år f.Kr.; den grundades på sjö- och myrmalm. Brytning av bergmalm började troligen inte förrän på 1100-talet. Framställning av smidbart järn skedde länge direkt ur malm genom en enda process. I början gjordes endast en grop i marken, fodrad med lera eller sten. Bränsle och reduktionsmedel var ved som fick brinna ned till en glöd, varmed rostad myrmalm upphettades och reducerades till järn. Längre fram gjordes även ugnar av sten, som höjde sig över markytan men dock var mycket låga; träkol användes i stället för ved. Luft tillfördes genom naturligt drag vid de äldsta ugnarna. Genom att införa bläster, först hand- eller trampdriven men senare driven av vattenkraft, åstadkom man högre temperaturer. Temperaturen i blästerzonen blev dock inte så hög och atmosfären inte så starkt reducerande att det erhållna järnet smälte till råjärn (tackjärn). Det samlades i halvsmält form på ugnsbottnen och fick brytas ut med jämna mellanrum efter avställning av driften. Man fick fram ett mycket slagghaltigt järn, som genom upprepad upphettning och hamring bearbetades till en för verktyg och vapen användbar produkt.

I strävan att ekonomisera driften av ugnarna ökades ugnshöjden, och luftinblåsningarna gjordes effektivare. Järnets kolhalt ökades därvid och järnet erhölls i smält form. Gångarten avskildes som flytande slagg. Järnet kunde gjutas och användas som utgångsmaterial för framställning av smidbart järn, stål. Denna utveckling från en diskontinuerlig process till en kontinuerlig schaktugnsprocess, masugnsprocessen, skedde under 1100-1200-talen.

För att kunna överföra tackjärn till smidbart järn utvecklade man de primitiva metoderna till de s.k. härdsmides- eller välljärnsmetoderna, t.ex. osmund- (medeltiden), tysk- (1500-talet), vallon- (1600-talet) och lancashiresmide (1800-talet). Som bränsle och reduktionsmedel användes länge träkol i masugnarna. P.g.a. brist på träkol provades som alternativ stenkol i form av koks. Den första stenkolsmasugnen uppfördes i England 1735. I Tyskland byggdes den första koksmasugnen 1767. Genom riklig tillgång på träkol, järnmalm lämplig för masugnsdrift och vattenenergi hade dittills Sverige varit ledande inom järnframställningen (jfr Järnhanteringen i Sverige nedan). I mitten av 1700-talet härrörde 30-40 % av världshandeln med järn från Sverige. Andelen sjönk dock snart mycket kraftigt. I Sverige, som saknar inhemska koksande stenkol, började träkol ersättas med koks först under de första åren av 1900-talet.

Under 1900-talets första hälft byggdes i Sverige ett flertal elektromasugnar för råjärnsframställning. I dessa ersätts bränslet av el, och reduktionsmedlet utgörs av träkol eller koks (stenkol). Från 1960-talet sker all framställning i Sverige i masugnar med koks som bränsle och reduktionsmedel.

Vid sidan av masugnsprocessen har under 1900-talet järnsvampprocesser utvecklats, där järnmalmen reduceras i fast fas i schaktugn med gas, numera framställd ur naturgas, eller i roterugn eller tunnelugn med stenkol och koks. Denna råjärnsframställningsmetod tillämpas numera endast i ringa utsträckning i Sverige. Här hade den dock stor betydelse i mitten av 1900-talet. Ett intensivt arbete pågår under 1990-talet i olika delar av världen för att utveckla en ny typ av järnframställningsprocesser - s.k. smältreduktionsprocesser - där agglomererade järnmalmer (sinter) ersätts av järnmalmspulver (slig), koks ersätts av stenkolspulver och masugnen oftast ersätts av en konverter.

Råjärnsproduktionen i Sverige uppgick under 1990-talet till ca 3 miljoner ton per år och sker i två masugnar vid SSAB, Luleå, och två masugnar vid SSAB, Oxelösund. Järnsvamp framställs i Höganäs i en kvantitet om 100 000-120 000 ton per år. Järnsvampen används som utgångsmaterial för järnpulver.

Av det råjärn som tillverkas i världen (537 miljoner ton 1998) utgör 93,1 % masugnsråjärn; resten är järnsvamp som framställs huvudsakligen i länder där billig naturgas är tillgänglig som bränsle och reduktionsmedel.

Järnets egenskaper

Naturligt järn består av en blandning av fyra stabila isotoper med masstal 54, 56, 57 och 58. Ett tiotal radioaktiva isotoper är dessutom kända.

Rent järn är en silvervit, plastiskt formbar och ej särskilt hård metall, som är ferromagnetisk upp till Curie-punkten vid 768 °C. Om en järnmagnet upphettas över denna temperatur, förlorar den sin magnetisering. Järn har tre allotropa modifikationer. Det vid vanliga temperaturer stabila s.k. α-järnet med en rymdcentrerad, kubisk struktur övergår vid 906 °C till en ny modifikation, g-järn, som har ytcentrerad kubisk struktur, är paramagnetiskt och kan bilda fasta lösningar med järnkarbid (cementit) Fe3C, vilket utnyttjas vid stålframställning. Vid 1 403 °C bildas en ny allotrop modifikation, δ-järn, med rymdcentrerad, kubisk struktur, som är stabil upp till smältpunkten. Rent järn leder elektrisk ström ca sex gånger sämre och värme ca fem gånger sämre än koppar.

Rent järn är stabilt i torr luft och i vatten som inte innehåller syre eller koldioxid. Metallen reagerar däremot lätt med utspädda syror under bildning av vätgas. I koncentrerade oxiderande syror som salpetersyra eller sura dikromatlösningar överdras ytan med ett tätt lager av järn(III)oxid, Fe2O3, som skyddar mot vidare angrepp (s.k. passivering). Järn reagerar även med varm koncentrerad natriumhydroxid under vätgasutveckling och bildning av järn(III)hydroxidfällning. I fuktig luft eller i syrehaltigt vatten överförs metallen snabbt till järn(III)oxidhydroxid, FeO(OH), rost. Järn reagerar direkt med de flesta icke-metaller. I finfördelad form brinner järn i luft (är pyrofor) och metallen reagerar också direkt med svavel, halogener, kol och fosfor. Järnets fysikaliska och kemiska egenskaper varierar kraftigt med halten kol och lösta metaller.

Rost

Det finns ingen exakt formel för rost eftersom rost är en blandning av olika föreningar. Huvudkomponenten i rost är dock järn(III)oxid, Fe2O3.

Rost bildas när järn korroderar i närvaro av syre och vatten. Rost är sammansatt av varierande mängder av hydratiserad järn(III)oxid, Fe2O3·nH2O, järn(III)oxid-hydroxid, FeO(OH) och järn(III)hydroxid, Fe(OH)3. Rosten är ganska porös och har en färg som varierar mellan brunt och orange.

Först bildas den ytliga orangebruna rödrosten (Fe2O3), men den är ganska lätt att slipa bort. När rosten går på djupet bildas gravrost (FeO). Gravrosten har förmåga att ta upp fukt, vilket gör att rostangreppet fortsätter på djupet.

Rostproblem

Järn och stål är viktiga konstruktionsmaterial som används i mycket stor utsträckning, men utsätts lätt för rostbildning, särskilt i fuktiga och saltbemängda miljöer. Rosten är därför ett stort ekonomiskt problem, men även en säkerhetsrisk för hållfastheten hos bilar, broar och andra konstruktioner.

Foto: Ó Svante Åberg

Eftersom många verktyg och konstruktioner är tillverkade av stål, som är en form av järn, så blir det viktigt att skydda mot materialet sönderrostning. Det kan göras genom en tät övermålning eller genom att hindra fukt från att komma åt materialet.

Ibland är det svårt att upptäcka rostbildningen. Speciellt svårt är det när rosten bildas i smala springor och man inte kan se utifrån vad som håller på att hända. Att det rostar snabbare där det är syrebrist gör det inte lättare eftersom syrebristen uppstår längst in i smala sprickor och spalter, eller där ytan är dold under smutsen.

Rödrost i andra sammanhang

Det vi kallar rödrost är järn(III)oxid med formeln Fe2O3. Det finns som mineral i naturen och kallas hematit när det bryts som råvara för järnframställning. En form av järn(III)oxid är magnetisk och har använts i disketter och magnetband för lagring av data och för ljud- och videoinspelningar. Den röda järnoxiden fungerar också som polermedel inom guldsmide. Tillsammans med aluminiumpulver bildas en blandning som kallas termit. När termiten antänds utvecklar den mycket starkt värme och kan användas för svetsning. Dessutom är den rkröda färgen vacker, så den används också som färgpigment.

Material på avancerad nivå om rost kommer.

Rostbildning

En förutsättning för att järn eller järnlegeringar ska kunna rosta är närvaro av syre och vatten. Syret fungerar som oxidationsmedel när det bildas järn(III)oxid. Oxidationen sker vanligen i två steg så att Fe först bildar Fe2+, som sedan oxideras vidare till Fe3+.

Förutom syre behövs vatten. Vattnet går in som en del i rosten, antingen som hydrat eller som hydroxid. Dessutom bidrar vatten till att leda joner, vilket krävs när korrosionen sker genom lokala galvaniska element i metallytan.

Det är bara järn och järnlegeringar som bildar rost. Andra metaller kan korrodera på motsvarande sätt, men korrosionsprodukterna benämns då inte rost.

Kemiska reaktioner vid rostbildning

Eftersom rostbildning är en elektrokemisk process, så handlar det om en redoxreaktion. Oxidationsmedlet syre reduceras samtidigt om reduktionsmedlet järn oxideras. Reduktionen och oxidationen kan ske på olika ställen i materialet där reduktionen bildar katod (minuspol) och oxidationen anod (pluspol) i en galvanisk cell. Det förutsätter dock att både elektronvandring och jonvandring är möjlig mellan polerna. Elektronerna kan alltid vandra genom metallen, men för jonvandring krävs närvaro av vatten som jonerna kan lösa sig i. Det räcker med en tunn vätskefilm på ytan av metallen.

Reduktionen

Syre fungerar som oxidationsmedel, dvs. som elektronmottagare. När syret tar emot elektroner reduceras det enligt reaktionen
O2 + 4 e + 2 H2O → 4 OH

Eftersom det bildas hydroxidjoner påverkas processen av pH-värdet. I sur miljö drivs reaktionen kraftigare åt höger för att ersätta de hydroxidjoner som neutraliseras av syran. Reduktionen av syret och neutralisationen av hydroxidjoner är kopplade reaktioner. Det skyndar på rostbildningen.

Oxidationen

Järnet fungerar som reduktionsmedel, dvs. som elektrongivare. När järnet avger elektroner oxideras det enligt reaktionen
Fe → Fe2+ + 2 e

Nästa steg i oxidationen sker i närvaro av syre och vatten, vilket är nödvändiga för att rost ska bildas.
4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2–

Syra-basreaktioner kompletterar rostbildningen

Fe2+ + 2 H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2 H+
Fe3+ + 3 H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3 H+

Dehydreringsjämvikter kompletterar rostbildningen

Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O
Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O
2 FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O

Syretillgången bestämmer var rostangreppet sker

Vid bildning av rost sker dels en reduktion av syre till hydroxid, dels en oxidation av järn till järnjoner. Reduktionen och oxidationen behöver inte ske på samma plats ifall det finns vatten på järnets yta som kan transportera joner mellan katoden (reduktion) och anoden (oxidation) för att jämna ut laddningarna.

Allmänt kan sägas att god tillgång på syre gynnar reduktionen av syre till hydroxid enligt formeln
O2 + 4 e + 2 H2O → 4 OH

På platser där syretillgången är dålig sker i stället oxidationen av järn till järnjoner enligt formeln
Fe → Fe2+ + 2 e

Det är till synes motsägelsefullt att trots att syre är en förutsättning för att rost ska kunna bildas, så korroderar järnet där syretillgången är sämst. I praktiken sker rostbildningen ofta längst in i smala spalter dit syret har svårt att transporteras. Svetsfogar mellan stålplåtar är därför känsliga punkter ifall skarven mellan plåtarna inte är helt tät och kan fyllas med fukt.

Rostbildning i en vattendroppe

I en vattendroppe på en järnbit sker reduktionen och oxidationen på olika ställen. Syretillgången är störst nära kanten av vattendroppen. Där sker reduktionen av syre till hydroxid. Detta fräter dock inte på metallen.

I droppens centrum är syrehalten lägre eftersom syre redan förbrukats i droppens ytterkant. Mitt under droppen sker därför oxidationen där järnatomer övergår till järnjoner. Den egentliga korrosionen som löser upp järnet sker därför mitt under droppen.

Laddningsseparationen neutraliseras genom en sluten strömkrets

Oxidationen av järn som sker under droppens mitt producerar elektroner som vandrar genom metallen till droppens ytterkant där elektronerna tas upp i reduktionen av syret. För att kompensera den laddningsseparation som elektronvandringen i metallen ger vandrar hydroxidjonerna som bildas vid droppens ytterkant in mot centrum. Av samma anledning vandrar bildade järnjonerna från mitten av droppen ut mot droppens ytterkant.

Rosten faller ut i mötet mellan järnjoner och hydroxidjoner

När järnjoner och hydroxidjoner möts fälls svårlöslig järnhydroxid ut.
Fe2+ + 2 OH → Fe(OH)2(s)

Järn(II)jonerna oxideras också vidare till järn(III)joner av syre som tillförs och det bildas Fe(OH)3 som sedan dehydreras i jämviktsreaktionen
Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O

Alla järnhydroxider och järnoxidhydroxider är svårlösliga och den rost som faller ut i mötet mellan järnjoner och hydroxidjoner är en blandning av ett flertal varianter av dessa.

Korrosionstyper

Korrosionsangreppet på en metall kan ha olika förlopp beroende på materialets egenskaper, exponering för den omgivande miljön och på vilka elektrokemiska processer som sker. De finns ett antal olika typer:

Allmän korrosion

Allmän korrosion sker någorlunda jämnt fördelat över metallen. Så länge som materialegenskaperna, fukt, spänningar i materialet och den korroderande miljön är jämnt fördelad så kan man förvänta sig allmän korrosion.

Men om exempelvis metallen är skyddad av en hinna och denna hinna skadas, så kommer korrosionen att bli lokal. Detta sker när billacken skadas och underliggande plåt börjar rosta. Rosten luckrar upp gränsskikten mellan lacken och plåten på ett sätt som underlättar spridningen av rostbildningen. En bra rostskyddbehandlad bil är dock ganska motståndskraftig mot rost.

Galvanisk korrosion

Galvanisk korrosion benämns också bimetallkorrosion. Den uppstår när två olika metaller är i elektrisk kontakt med varandra. Dessutom behövs fukt som kan bilda en elektrolyt där jonerna kan vandra så att det galvaniska elementet får en sluten strömkrets.

Denna typ av elektrokemiska process kan direkt jämföras med reaktionerna i ett galvaniskt element, dvs. i princip ett batteri. Det är metallernas olika redoxpotential som driver reaktionen. Den ädlare metallen, med högre redoxpotential är skyddad genom att den fungerar som katod. Den oädlare metallen med lägre redoxpotential korroderar eftersom den fungerar om anod, där oxidationen sker.

Observera att när det gäller galvaniska element så är det anoden som blir negativ pol och katoden som blir positiv pol. Detta är i motsats till polerna i en elektrolyscell som drivs av en yttre spänningskälla.

Redoxpotential benämns även reduktionspotential. Redoxpotentialerna kan avläsas i en normalpotentialtabell. Normalpotentialtabellen innehåller reaktionerna i den elektrokemiska spänningsserien från ädla till oädla metaller.

Gropfrätning

Gropfrätning uppstår när passiverbara metaller angrips av kloridjoner. Där det skyddande skiktet skadas av kloridjonerna fortsätter korrosionen med högre hastighet. Det resulterar och en lokal korrosion som bildar gropar i materialet.

De olika egenskaperna hos det passiverande skiktet och hos den frilagda metallen skapar ett galvaniskt element där den passiverade ytan är katod och den frilagda metallen i gropen är anod. Eftersom anodens yta är liten, men katodens mycket större, så blir strömstyrkan per ytenhet i gropen hög, vilket gör att angreppet snabbt går på djupet.

Dessutom bildas vätejoner vid oxidationen. I gropen blir alltså elektrolyten surare, vilket ytterligare ökar på korrosionshastigheten där.

Selektiv korrosion

I legeringar finns kristaller med olika sammansättning. I gjutjärn finns kristaller med varierande kolhalt. Det gör att man får ett galvaniskt element som skyndar på korrosionen. Kolet fungerar som katod och järnet som anod. På motsvarande sätt finns kristaller med olika sammansättning i legeringen mässing, som ju innehåller zink och koppar. Den oädlare zinken löses ut selektivt medan kopparen blir kvar.

Spaltkorrosion

I trånga utrymmen blir syrehalten lägre eftersom syret förbrukas när det fungerar som oxidationsmedel, men tillförseln av nytt syre är långsam. I den koncentrationscell som bildas blir den syrefattiga delen anod, där korrosionen ske, och den syrerikare katod. Man kan tycka det är märkligt att korrosionen främst sker där det är brist på oxidationsmedel. Men elektrokemiska redoxreaktioner är speciella genom att oxidationen och reduktionen ofta sker på helt olika platser. Så är inte fallet vid vanliga oxidationer, såsom förbränning.

En koncentrationscell är ett galvaniskt element där polspänningen bestäms av koncentrationen av elektrolyten vid katoden respektive anoden. Hur stor en sådan polspänning blir går att beräkna med hjälp av Nernst ekvation.

Spänningskorrosion

När materialet är utsatt för dragspänningar underlättas korrosionen. Den blir särskilt tydlig om materialet har en passiverande yta. När ytan skadas startar korrosionen. Den skyndas på av sprickbildning som beror på dragspänningen i materialet.

Korrosionsskydd

Det finns i princip fyra olika sätt att undvika korrosion. Man kan

  1. välja ett lämpligare material som inte är benäget att korrodera,
  2. ändra den kemiska miljön,
  3. isolera materialet så det inte kommer i kontakt med den korrosiva omgivningen,
  4. använda polarisering, vilket innebär att man med hjälp av en elektrisk spänning kan motverka de elektrokemiska reaktionerna.

Några praktiska exempel på hur man försöker minska korrosionsproblemen är följande.

  1. I stället för rent järn kan man använda rostfritt stål. Det rostfria stålet är en legering av järn tillsammans med metaller såsom nickel och krom.
  2. I vattenverken tillsätter man kalk för att höja pH. Det gör att vattnet inte blir lika aggressivt mot cementrör och vattenledningar av järn.
  3. Takplåt har en seg och hållbar färg som hindrar vatten och syre att komma i kontakt med plåten. Det gör att plåten inte rostar.
  4. Båtar förses med offeranod som korroderar i stället för båtskrovet eller andra korrosionsbenägna metalldelar.

Materialval

Metaller är benägna att reagera genom att avge elektroner och bilda joner. Exempel är järn, som reagerar enligt följande: Fe → Fe2+ + 2 e

Olika metaller har olika benägenhet att avge sina elektroner. Ädla metaller såsom guld håller hårt om sina elektroner. Inte ens ute i naturen där det finns både syre och surt vatten korroderar guldet. När man bryter guld hittar man det därför i sin gedigna form. Magnesium är däremot mycket oädel. Den korroderar därför snabbt och man finner den inte i metallisk form i naturen.

Eftersom guld är mycket dyrt, så kan man i praktiken inte byta ut järnet mot guld för att slippa korrosionen. Den ganska ädla metallen koppar kan ibland vara ett alternativ. Koppar är visserligen ganska dyr, men om det handlar om små detaljer blir summan överkomlig. Plast är ofta en utmärkt ersättning för metaller. Plaster har i allmänhet mycket goda korrosionsegenskaper. Vissa plaster tål inte organiska lösningsmedel, andra tål inte UV-ljus. Men om det handlar om att leda bort avloppsvatten från en bostad, så är plast det naturliga valet.

Ändring av miljö

Korrosionshastigheten beror på den omgivande kemiska miljön. Det handlar om tillgång på oxidationsmedel som kan plocka elektroner från metallen. Det kan också handla andra ämnen som har förmåga att reagera med metallen. Till exempel är kloridjoner ofta aggressiva mot metaller. Kloridjonerna bildar komplex tillsammans med metalljonerna och hjälper på så sätt att ”rycka loss” metalljoner från den gedigna metallen, vilket gör att korrosionen förstärks. Även tillgång på fukt kan vara avgörande. Järn rostar inte i luft med en relativ luftfuktighet som understiger cirka 60 %. Vid en luftfuktighet över cirka 70 % bildas en tunn vattenfilm på järnet där de kemiska reaktionerna vid rostbildningen kan ske.

Isolering av material

Ett vanligt sätt att skydda mot korrosion är att isolera materialet från den korrosiva omgivningen. Man kan måla metallen med en färg som inte släpper igenom vare sig fukt eller syre. Man kan också olja in metallen med ett skyddande lager. En annan möjlighet är att kontinuerligt ventilera bort korrosiva gaser.

Polarisering

Vid korrosionen sker dels en oxidation där elektroner avges, dels en reduktion där elektroner tas emot. Det är oxidationen som orsakar korrosionen, dvs. när metallatomerna övergår till positiva metalljoner i reaktionen Me → Men+ + n e

Oxidation sker vid anoden och reduktion vid katoden. Om man kopplar en negativ spänning till metallstycket, så kan man tvinga det att bli katod. Metallen kan då inte oxidera. Detta kallas för katodiskt skydd. Anoden kommer då att vara en annan del än metallstycket man vill skydda.

Om metallen man vill skydda är i kontakt med en mer oädel metall, så bildas ett galvaniskt element där metallen som ska skyddas blir katod. Den oädlare metallen blir anod. Exempel på detta är offeranoder av zink eller magnesium på båtar. Offeranoden oxideras och kommer att förbrukas, men så länge det finns något kvar av offeranoden är plåtskrovet skyddat. Ett annat exempel är galvanisering av spik. Galvanisering innebär att spiken får ett tunt lager att zink på ytan. Det gör inget om zinklagret skadas eftersom det katodiska skyddet fungerar så länge som det finns zink kvar någonstans på spiken.

I vissa fall är det möjligt att använda anodiskt skydd, vilket bygger på att metallen visserligen oxideras, men att det samtidigt bildas en tät oxidhinna eller liknande på ytan och isolerar metallen från omgivningen. Oxidationen är då bara tillfällig och avstannar snart. Järn passiveras av koncentrerad salpetersyra, vilket för det möjligt att förvara salpetersyran i järntankar trots att järnet är en ganska oädel metall som brukar reagera med syror. Ett annat sätt att bilda det skyddande oxidlagret är genom anodisering, vilket innebär att man med hjälp av elektrolys tvingar fram en kraftig oxidationsreaktion. Aluminium anodiseras på detta sätt och bildar en tät hinna av aluminiumoxid på ytan. Aluminiumoxidskiktet är dessutom lätt att färga, vilket gör att aluminiumföremål kan göras mycket färggranna.

Galvaniskt element

Ett galvaniskt element är en elektrokemisk cell där den inre kemiska energin utgör drivkraften för den reaktion som ger upphov till en elektrisk ström. Polspänningen bestäms av vilka material elektroderna består av. Även koncentrationen hos de lösta ämnena som deltar i reaktionerna inverkar på spänningen. Med två halvceller i respektive halvcell

Galvaniskt element
Ett galvaniskt element fungerar som ett batteri.
Energin kommer från de kemiska ämnen som elementet innehåller.
Bild: © Svante Åberg

För att det ska flyta en ström måste en elektrisk ledare kopplas mellan polerna. Tillsammans med saltbryggan blir det då en sluten strömkrets.

Galvaniska element fungerar som batterier

När strömmen flyter utvecklas energi i form av värme i ledningen. Man kan dra nytta av energin genom att t.ex. koppla in en lampa. Den effekt som utvecklas är produkten av ström gånger spänning.

För att få hög effekt bör man välja elektrodmaterial som ger hög polspänning. Dessutom bör elektroderna ha stor area så att strömstyrkan kan bli hög.

Varning för PANK - gäller ej galvaniska celler

I skolan får man ibland lära sig ordet "PANK", vilket står för Positiv = Anod, Negativ = Katod. PANK är en regel som endast gäller elektrolysceller, dvs när en yttre spänningskälla driver den kemiska reaktionen. I Galvaniska element är förhållande det motsatta.

En regel som dock alltid gäller är följande: Oxidationen sker vid anoden, reduktionen sker vid katoden.

Uppladdningsbart batteri som exempel

Att elektrolysceller och galvaniska celler har motsatta processer kan man förstå om man tänker på ett uppladdningsbart batteri. Vid laddning trycker man på ström från en yttre spänningskälla. Man laddar upp batteriet när den yttre spänningskällan är mer positiv vid batteriets pluspol och mer negativ vid batteriet minuspol än batteriet självt. Strömriktningen är sådan att oxidation (anod) sker vid batteriets pluspol och reduktion (katod) vid dess minuspol.

När man kopplar bort laddaren behåller batteriet sin spänning mellan polerna. Då går ingen ström och det går inte att avgöra vad som är anod eller katod eftersom varken oxidation eller reduktion sker.

Om man sedan använder batteriet för att t.ex. driva en lampa så tar man ut ström. Strömriktningen är omvänd, vilket betyder att oxidation och reduktion har bytt plats i batteriet. Nu sker reduktion (katod) vid pluspolen och oxidation (anod) vid minuspolen. Anod och katod har alltså bytt plats och PANK-regeln stämmer inte.

Litteratur

  1. Joesten, M.D. & Wood, J.L. (1996). World of chemistry. (2. ed.) Fort Worth: Saunders College Publ.
  2. Nassau, K. (2001). The physics and chemistry of color: the fifteen causes of color. (2. ed.) New York: Wiley.
  3. Mattsson, E. & Kučera, V. (2009). Elektrokemi och korrosionslära. (3. omarb. uppl.) Stockholm: Swerea KIMAB.
  4. Hummel, R.E. (2004). Understanding materials science: history, properties, applications. (2. ed.) New York: Springer.
  5. Borgford, C.L. & Summerlin, L.R. (1988). Chemical activities. (Teacher ed.) Washington, DC: American Chemical Society.
  6. Korrosion, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Korrosion (2015-10-02)
  7. Corrosion Doctors' Site Map, Corrosion Doctors
    http://www.corrosion-doctors.org/Site-Map.htm (2016-03-10)
  8. Rost, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Rost (2015-10-02)
  9. How does iron rust?, General Chemistry Online!
    http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/redox/faq/how-iron-rusts.shtml (2016-03-10)
  10. Järnoxid, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/J%C3%A4rnoxid (2016-03-10)
  11. Underredesbehandling av bil med rå kallpressad linolja, TabyPressen
    http://www.oilpress.com/underesbehandling-med-ra-linolja.htm (2016-03-10)

Fler experiment


elektrokemi, redox
Anodisering och färgning av aluminium
Att göra bly
Citronbatteri
Diffusion av kopparjoner
Elda stålull
Elektrofores av grön hushållsfärg
Elektrokemisk skrift
Guldpeng av mässing
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Kemi med zinkjodid, del 1: Framställning
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Kemisk klocka med jod
Permanenta håret
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Saltkristaller av en aluminiumburk
Självantändning med glycerol och permanganat
Skämta med en svart kopparslant
Svantes testexperiment
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Tillverka tomtebloss
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Ärg på en kopparslant

urval reviderat experiment
Anodisering och färgning av aluminium
Avdunstning och temperatur
Citronbatteri
Den brinnande sedeln
Den tillknycklade plåtburken
DNA ur kiwi
Elektrokemisk skrift
Ett glas luft
Gasvolym och temperatur
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Luftfuktighet och rostbildning
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Vad händer när degen jäser?
Åka hiss