Ärg på en kopparslant

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, vardagens kemi

Författare: Olof Andersson, Pernilla Persson, Svante Åberg

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

  

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Du får göra ett experiment med en kopparslant och vinäger (ättika). Slanten ärgar på bara några timmar! Det är ett exempel på hur korrosionen förstör saker av metall.

Med ett finare ord säger man att reaktionen som löser upp metallen är en oxidation.

Riktlinjer

Experimentet kan göras som demonstration eller, ännu bättre, som elevförsök. Det kan vara en bra introduktion till området "oxidation-reduktion".

Säkerhet

Kemikalierna är ganska ofarliga, men spill inte vinäger (eller ättika) på kläderna.

Överbliven ättika kan spolas i avloppet. Den lilla mängd ärg som blir på slanten kan tvättas bort och spolas ned i vasken.

Materiel

• Glasburk med lock
• Litet skruvlock av plast
• Vinäger eller ättika (innehåller ättiksyra)
• Kopparslant (t.ex. en gammal femtioöring)

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

1. Placera kopparmyntet på en uppochnedvänd skruvkork (eller liknande) i glasburken.
2. Häll ett par matskedar vinäger (eller ättika) i glasburken utan att det stänker på kopparslanten.
3. Sätt försiktigt på locket till glasbruken.
4. Vänta någon timme och titta sedan vad som hänt med myntet.
5. Låt sedan myntet stå över natten och titta igen.

Förklaring

Ättiksyran i vinägern är sur och tillsammans med fukten och luftens syre gör den att kopparslanten korroderar snabbt. Det som sker är att syret först angriper kopparytan så att ett tunt oxdiskikt bildas. Sedan reagerar ättiksyran med oxiden. Grön beläggning som bildas på koppar kallas ärg. Den kemiska föreningen är i detta fall kopparacetat.

Kemisk bakgrund

Kemiska reaktionerna

I torr luft oxideras koppar mycket långsamt. I fuktig luft går reaktionen snabbare. Luftens syre oxiderar kopparen först till koppar(I)oxdid, Cu₂O som är röd, och sedan vidare till koppar(II)oxid, CuO, som är svart:

4 Cu(s) + O₂(g) → 2 Cu₂O(s)

2 Cu₂O(s) + O₂(g) → 4 CuO(s)

Foto: © Svante Åberg

Kopparoxiden reagerar sedan vidare med sura gaser i luften. I vårt experiment är den sura gasen ättiksyra, eftersom vinäger innehåller ättiksyra, CH₃COOH. Ättiksyrans salt heter acetat, CH₃COO^-. Därför bildas kopparacetat, som är grön. Det sker enligt formeln:

CuO + 2CH₃COOH → Cu²⁺(CH₃COO^-)₂ + H₂O

Ljusstakar av koppar eller mässing

Smält stearin (= en blandning av stearinsyra, smältpunkt 69.3 °C och palmitinsyra, smältpunkt 62 °C) som rinner ner på foten reagerar med kopparen. Om man lossar på stearinet ser man att det är grönt. Stearinet har då reagerat med kopparoxid på ytan i en reaktion som motsvarar den med ättiksyra. Stearin är nämligen en karboxylsyra, innehållande gruppen -COOH, precis som ättiksyran.

I billligare ljus används inblandning av paraffin (smältpunkt 51-55 °C). Det blir billigare, men sådana ljus rinner mera eftersom smältpunkten är lägre.

Receptet känt på Jesu tid

Receptet på ärg ur koppar är mycket gammalt. Det finns beskrivet i ett dokument som har daterats till ca 200 e Kr. Enligt receptet skulle en kopparbit hängas i luften ovanför en tunna med ättiksyra. Ärgen skrapades sedan av och användes för att tillverka falska smaragder, som ju är gröna precis som ärgen.

Fördjupning

Ättiksyra

Ättiksyra är en organisk syra med två kolatomer och har formeln CH₃COOH. Ibland skrivs på en förkortad form HAc, där Ac representerar acetatjonen CH₃COO^–. Ättiksyran kallas också etansyra. Som alla organiska syror har molekylen den karaktäristiska gruppen –COOH.

Syran är svag med pKa = 4,76, vilket är det pH då syran har avgett 50 % av sina vätejoner. Även ganska koncentrerade lösningar av ättiksyra har därför ett pH-värde som måttligt lågt.

Ättiksyra bildas när etanol oxideras, till exempel om vin får stå öppet och utsättas för luftens syre. Vinäger bildas på detta sätt och är en gammal ingrediens i smaksättning av rätter.

Ättiksyra tillverkas vanligen syntetiskt genom reaktion mellan metanol och kolmonoxid, men kan också tillverkas med bakteriell fermentering, dvs. på biologisk väg.

En hel del ättiksyra används i hemmen för inläggningar och smaksättning, men större delen av ättiksyran som produceras används i den kemiska industrin för att tillverka estrar, speciellt vinylacetat-monomerer som sedan polymeriseras till plasten polyvinylacetat (PVA).

Ättiksyra i olika koncentrationer för olika ändamål

Ättika som säljs har olika koncentration beroende på vad den ska användas till. För olika recept kan man också späda ättikan till lämplig koncentration.

Isättika

Isättika är 100 % ättiksyra, i varje fall över 90 %. Isättika är frätande och luktar starkt. Den ska hanteras med försiktighet.

Namnet isättika kommer av att smältpunkten (= fryspunkten) för ren ättiksyra är 16,6 ^⚬C, alltså strax under rumstemperatur.

Isättika fungerar som lösningsmedel för en del plaster. Till exempel brukade man skarva filmer på den tiden som filmerna byggde på ljuskänsliga silversalter på en celluloidbas. Celluloiden löstes upp av isättikan. Filmändarna lades samman och fick torka. Celluloiden smälte samman i en kemiskt homogen skarv.

Vanlig ättika

Vanlig ättika av märket Perstorp är 24 %-ig. Det finns dock andra fabrikat som säljer 12 % ättika. Ättikan hanteras med viss försiktighet. Den har en stark lukt. Ofta späder man ättika enligt anvisningarna i matrecepten.

Ättika är bakteriedödande. Till exempel kan man i samband med avfrostning av kylskåpet passa på att skölja av det invändigt med en lösning av lika delar ättika och vatten. Men se till att skölja efter med rent vatten så att resterna av ättika inte finns kvar och kanske påverkar plasten.

Ättika kan också användas för att ta bort kalkavlagringar på diskbänken eller i kaffebryggaren.

Ett recept för att avkalka kaffebryggaren är att blanda 1 dl 24 % ättika med 6 dl vatten i kaffebryggaren. Sätt på bryggaren så att hälften av lösningen passerar. Stäng av bryggaren i 10 minuter för att ättiksyran ska få verka. Sätt på den igen och låt resten av lösningen passera. Brygg därefter 3-4 omgångar med rent vatten.

Ättiksyra ger snabbt ärg av kopparacetat på en kopparslant.

Bild: Svante Åberg

Ättiksyra har en förmåga att snabbt ge grön ärg på koppar. Det räcker med ångorna från ättikan för att kopparen ska ärga inom några timmar. Föreningen som bildas är kopparacetat.

Ättiksyrans förmåga att korrodera koppar, men även andra metaller, gör att den bör användas med försiktighet i kontakt med till exempel elektronisk utrustning. Glöm inte att även ångorna av ättiksyra kan vara korrosiva.

Ättiksprit

Ättiksprit är 12 %. Den fungerar som vanlig ättika, men är hälften så koncentrerad.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ogräsättika

Ogräsättika är ofta 12 %.

Om du inte vill köpa särskild ogräsättika, så kan du själv blanda till ogräsättika av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ättika dödar växter och kan användas som ogräsmedel. Spruta ättiklösningen på ogräset eller vattna med den, så dör ogräset inom 2-3 dagar. Eftersom ättiksyra avdunstar, så ska man inte använda det i växthus eftersom ångorna sprider sig även till växter man vill ha kvar.

Använd inte ogräsättika till matlagning eftersom du inte kan vara säker på att den inte innehåller andra tillsatser som ska döda ogräset.

Inläggningsättika

Inläggningsättika är vanligtvis 6 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 3 delar vatten.

Matättika

Matättika är vanligtvis 3 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 7 delar vatten.

Vinäger

Vinäger innehåller ättiksyra, men är inte bara ättika. Vinägern innehåller dessutom smakämnen från det vin eller den cider som den är framställd av.

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.

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^– → O^2–

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 många elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe²⁺ + O^2–

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.

Korrosion

Ordet ”korrodera” betyder fräta. Inom kemi talar man oftast om korrosion i samband med att metaller reagerar kemiskt med omgivningen och på så sätt löses upp. Metaller är grundämnen som lätt avger elektroner och bildar jonföreningar. Många reaktionsprodukter av korrosionen är svårlösliga. De svårlösliga korrosionsprodukterna kallas rost om de kommer från järn, och ärg om de kommer från koppar. Men det förkommer också att metallerna löses upp och bildar lättlösliga salter.

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: Korrosionen sker ytligt och jämnt fördelat.
• Galvanisk korrosion: Korrosionen orsakas av att två olika metaller bildar ett galvaniskt element, dvs. en typ av batteri där minuspolen korroderar.
• Gropfrätning: Korrosionen skapar en liten grop där den kemiska miljön ytterligare påskyndar processen så att gropen fördjupas.
• Selektiv korrosion: Variationer i materialet, t.ex. hos kristallstrukturen, gör att det bildas mikroskopiska galvaniska element där den ena metallen korroderar lättare än den andra. Sammansättningen hos materialet förändras därför på ytan där korrosionen sker.
• Spaltkorrosion: I trånga utrymmen blir syrehalten lägre, vilket ger ett så kallat koncentrationselement, dvs. ett galvaniskt element där det trånga utrymmet med lägre syrehalt blir minuspol och korroderar.
• Spänningskorrosion: Korrosion som påskyndas av att materialet är belastat så att det blir inre spänningar.

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.

Korrosion av koppar

Koppar är en rätt ädel metall. Den är därför ganska motståndskraftig, men i närvaro av fukt sker en viss korrosion. Korrosionshastigheten ökar i närvaro av luftföroreningar och joner, speciellt kloridjoner.

På koppar i luft och i marken bildas beläggningar av ärg, som utfällningar av kopparsalter. Ärgen har en grönaktig färg som kommer från kopparjonerna.

Bildningen av ärg börjar med att kopparen reagerar med luftens syre och bildar kopparoxid. Det finns två kopparoxider.

Närmast den rena kopparen hittar man ett tunt skikt av av röd Cu(I)oxid, Cu₂O, som också kallas kuprit. Den envärda kopparoxiden har lågt innehåll av syre eftersom den ligger närmast kopparmetallen.

Nästa lager innehåller svart Cu(II)oxid, CuO. Innehållet av syre är större än i den röda kopparoxiden. Anledningen är att ytan har utsatts för mer syre från atmosfären.

Ytterst ligger den gröna ärgen. Den är ofta en 1:1-blandning av kopparhydroxid och kopparkarbonat som kallas basisk kopparkarbonat, Cu₂CO₃(OH)₂. Karbonatet bildas från luftens koldioxid och vatten.

För länge sedan tillverkade man ärg av koppar. Receptet är mycket gammalt. Det finns beskrivet i ett dokument som har daterats till ca 200 e Kr. Enligt receptet skulle en kopparbit hängas i luften ovanför en tunna med vinäger (ättiksyra). Den gröna ärgen av kopparacetat, Cu(CH₃COO)₂, som bildades skrapades sedan av och användes för att tillverka falska smaragder, som ju är gröna precis som ärgen.

Gas

Gaser har speciella egenskaper som skiljer dem från vätskor och fasta ämnen. I en gas är avståndet mellan partiklarna mycket större än i en vätska. Avståndet är så stort att det inte finns några intermolekylära krafter som håller ihop partiklarna. De rör sig med stor hastighet, oordnat och fritt från varandra.

Gastryck av molekylernas kollisioner

En molekyl är väldigt liten, men det finns väldigt många! Varje gång en molekyl stöter emot ytan, på en burk t ex, så ger den en liten rekyl som tenderar att stöta bort föremålet. Alla molekylernas stötar ger tillsammans ett tryck som är större än man normalt föreställer sig. Vid normalt lufttryck är kraften 1000 N per dm². Det motsvarar tyngden av 100 kg på varje kvadratdecimeter eller tyngden av 10 ton på varje kvadratmeter!

Att inte burkar, människor, fotbollar med mera trycks ihop av de väldiga krafterna beror på att det finns ett mottryck inifrån som är lika stort.

I figuren nedan ser man att det är fler molekyler som kolliderar med väggen på vänster sida än på höger. Gastrycket är alltså högre på vänster sida om väggen.

Gastrycket orsakas av molekylernas många små stötar. Gastrycket till vänster om väggen är högre därför att det är fler kollisioner.

Bild: © Svante Åberg

Kollisionerna på ömse sidor om väggen är ungefär lika kraftiga, vilket betyder att partiklarna rör sig ungefär lika fort. Man kan alltså dra slutsatsen att temperaturen är densamma på båda sidor om väggen.

Temperatur, kärlets volym och substansmängden påverkar trycket

Partiklarna kolliderar med varandra och med det omgivande kärlet. Det utgör gasens tryck. Trycket hos en gas beror på flera saker:

• Trycket ökar med stigande temperatur eftersom partiklarnas hastighet ökar och kollisionerna blir både fler och kraftigare.
• Om behållarens volym ökar kommer gasen att spädas ut och kollisionerna med väggarna blir glesare. En ökad volym ger därför ett minskat tryck.
• Om mängden partiklar, substansmängden eller antalet mol av ämnet, ökar kommer trycket att öka eftersom kollisionerna med väggarna sker tätare.

Alltså, trycket är proportionellt mot absolut temperatur och substansmängd och omvänt proportionellt mot volymen. Detta kan sammanfattas i Allmänna gaslagen.

Allmänna gaslagen:

pV = nRT

p = tryck, Pa

V = volym, m3

n = substansmängd, mol

T = temperatur, Kelvin

R = proportionalitetskonstant = 8,3145 J K-1 mol-1

Molvolym

Gasmolekylernas sammanlagda volym är väldigt liten i förhållande till gasens totala volym. Detta gör att en viss substansmängd av i stort sett alla gaser har samma volym vid samma tryck och temperatur. Gaserna har samma molvolym, och vid standardtryck och standardtemperatur (STP: p = 1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar, T = 25 °C = 298,15 K) är molvolymen 24,47 dm³/mol.

Avdunstning

Avdunstning (förångning) innebär att molekylerna i en vätska sliter sig loss från vätskefasen och övergår till gasfas. Normalt talar man om avdunstning för temperaturer som ligger under kokpunkten, men kokning innebär bara att avdunstningen blir snabbare.

Avdunstningen innebär en fasövergång, att molekylerna övergår från att vara i vätskeform till att vara i gasform. Vätskan och gasen är olika faser av samma ämne. Med en fas menar man ett område där ämnet ser likadant ut, t.ex. att det är flytande eller fast.

Motsatsen till avdunstning är kondensation, dvs. när en gas övergår till vätska.

Vattnet blir kallare när det det avdunstar

Bild: © Svante Åberg

Vatten i ett öppet kärl avdunstar. Avdunstningen är en process om kräver energi, faktiskt samma energi som när vattnet förångas genom kokning. Mellan vattenmolekylerna finns attraktionskrafter. När en molekyl ska lämna vattenytan måste den övervinna dessa attraktionskrafter, som vill dra den tillbaka. Det kräver energi.

Vattenmolekylerna har rörelseenergi. Ju varmare vattnet är, desto snabbare rör sig molekylerna. I vatten av en viss temperatur rör sig dock några molekyler snabbare och några långsammare. De snabbaste vattenmolekylerna är de som lättast lämnar vätskeytan och förvinner ut i luften. Kvar blir de långsammare, "kallare", molekylerna. Vattnets temperatur sjunker därför på grund av avdunstningen.