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

Ärg på en kopparslant

Irriterande Använd skyddsglasögon 

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

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

Uppställning av experimentet

  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.

Variation

En variant av experimentet finns beskrivet i Penny Phun! (på engelska).

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

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

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)

Ärgad 5-öring
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

Ärg på koppartak

Koppar som utsätts för väder och vind korroderar också [1]. Ett nylagt koppartak blir ofta först svart av koppar(II)sulfid. Grön ärg bildas sedan genom att sulfiden oxideras vidare till basisk koppar(II)sulfat, Cu4SO4(OH)6. Tillsammans med sulfatet finns ofta också koppar(II)hydroxidkarbonat, Cu2CO3(OH)2. I områden nära kuster med saltvatten kan ärgen innehålla stora mängder koppar(II)hydroxidklorid, Cu2Cl(OH)3. Kopparföremål som legat i marken kan ha fått en beläggning av kopparfosfat.

Koppartaken ger upphov till föroreningar av koppar i spillvattnet. I Stockholms kommun, t ex, bedömer man att koppartaken sprider ca 1 ton koppar per år. Det kan jämföras med 6 ton från kopparledningar och 1 ton från industriavfall.

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. Läs om detta och mycket mera i "Kemi på Jesu tid" [2].

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.

Ättiksyra som lösningsmedel

Sammantaget har ättiksyran både polära och opolära egenskaper. Den kan därför lösa polära ämnen, såsom alkoholer, sockerarter och salter, men är även löslig i opolära lösningsmedel såsom kloroform och hexan.

Polära egenskaper

Ättiksyrans karboxylgrupp –COOH ger polära egenskaper, särskilt när syran dissocieras till acetat, Ac. Ättiksyran är en svag syra och i vattenlösning har vi följande jämvikt:

HAc + H2O ⇄ H3O+ + Ac

Jämvikten i vattenlösning förskjuts åt höger när ättiksyralösningen är utspädd. Då förekommer mera av syran i form av den korresponderande basen acetat, som är en negativ jon.

Opolära egenskaper

I en koncentrerad lösning är jämvikten förskjuten åt vänster, det vill säga syraformen, som är en oladdad molekyl. I sin syraform är de polära egenskaperna mindre framträdande. Till det bidrar kolvätegruppen –CH3.

För ättiksyra gäller att Ka = 1,75·10–5 M. Med lite räknande kan man få fram att för en lösning av 0,1 M ättiksyra så är bara 1,3% av ättiksyramolekylerna protolyserade.

Tunnskiktskromatografi

I tunnskiktskromatografi är det viktigt att hitta en eluent med rätt polaritet för att kunna ge rätt löslighet åt de provfläckar som ska vandra på tunnskiktsplattan. Ofta väljer man en blandning av kolväte + ester + organiskt syra. Ett typiskt recept kan innehålla hexan + etylacetat + ättiksyra + vatten.

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.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

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.

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.

Material på avancerad nivå om korrosion kommer.

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.

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:

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.

Gasens densitet

Enklast är att räkna på en mol av gasen. Till exempel väger en mol koldioxid (CO2) 12,0 g + 2·16.0 g = 44,0 g. Vid standardtemperatur och tryck (se ovan) är molvolymen 24,47 dm3. Då är densiteten 44,0 g/24,47 dm3 = 1.80 g/dm3.

Luft består till ungefär 20% av syrgas (O2) och 80% kvävgas (N2). En mol syrgas väger 2·16.0 g = 32.0 g. En mol kvävgas väger 2·14.0 g = 28.0 g. En mol luft innehåller 0,20 mol syre och 0,80 mol kväve. En mol luft väger då 0,20·32,0 g + 0,80·28,0 g = 28,8 g. Vikten genom molvolymen blir då 28,8 g/24,47 dm3 = 1.18 g/dm3.

Dessa två beräkningar visar att koldioxid är tyngre än luft. Därför sjunker koldioxid till marken när den släpps ut i luften.

En motsvarande beräkning av densiteten för vattenånga (H2O) ger densiteten 18,0 g/24,47 dm3 = 0,73 g/dm3. Man kan alltså se att vattenångan är mycket lättare än luften. Därför stiger vattenånga som avdunstar från marken och vattendragen uppåt i osynliga bubblor av ånga. När vattenångan kommit tillräckligt högt är temperaturen så låg att den kondenserar till vattendroppar och blir synlig i form av moln.

Gaspartiklarnas rörelseenergi

Gaspartiklarna rör sig slumpmässigt, men i genomsnitt har de en rörelseenergi som motsvarar temperaturen. Ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig partiklarna. Temperaturen är därför ett mått på gaspartiklarnas rörelseenergi.

När man har en blandning av gaspartiklar som väger olika mycket, så får olika tunga partiklar ändå samma genomsnittliga rörelseenergi. Det innebär att tunga gaspartiklar rör sig långsammare än lätta gaspartiklar, annars skulle inte rörelseenergierna vara lika.

Till exempel rör sig vätemolekyler (H2) med molekylmassan 2 u 3.74 gånger snabbare än kvävemolekyler (N2) med molekylmassan 28 u. Man skulle kunna tro att vätet skulle röra sig 14 gånger snabbare eftersom kvävet är 14 gånger tyngre, men rörelseenergin är proportionell mot kvadraten på hastigheten. Därför blir kvoten mellan hastigheterna √ 28/2 = √ 14 = 3.74.

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

Avdunstning
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.

Andra vätskor beter sig på samma sätt som vatten. Skillnaden är hur starka bindningarna är mellan molekylerna i vätskefasen. Till exempel är bindningarna mellan etanolmolekyler svagare än bindningarna mellan vattenmolekyler. Det innebär att etanol avdunstar snabbare vid samma temperatur. Även om varje etanolmolekyl inte för bort lika stor energimängd från lösningen, så kan avdunstningen vara så snabb att avkylningseffekten ändå blir större än för vatten räknat per tidsenhet. Men avdunstningen kan inte pågå lika länge eftersom all etanol har avdunstat långt innan allt vatten har hunnit avdunsta.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Litteratur

  1. Gunnar Hägg, Oorganisk kemi, 1979, Almqvist & Wiksell, Stockholm.
  2. Kemi på Jesu tid
    • P-O Quist, Kemisk Tidskrift, 1995, Nr 4, s. 44-49, Svenska Kemistsamfundet.
    • På Internet, P-O Quist, Fysikalisk Kemi, Umeå Universitet
      http://www.chem.umu.se/dep/biophyschem/studieinformation/popular/jesuskemi.html (2007-09-25)
  3. Einar Mattsson, Elektrokemi och korrosionslära, 1992, Korrosionsinstitutet (Swedish Corrosion Institute), Stockholm.
  4. Rolf e. Hummel, Understanding Materials Science - History, properites, applications, 1998, Springer-Verlag, New York.
  5. Malvin D. Joesten, James L. Wood, World of Chemistry, second edition, 1991, Saunders College Publishing.
  6. Experiment med metaller, Experimentbanken, Lunds tekniska högskola (LTH)
    http://experimentbanken.kc.lu.se/metaller/metaller.html (2003-05-23)
  7. Penny Phun!, Oliver O'Reilly, Mr. O's Equilibrium
    http://www.telusplanet.net/public/oreo/experiment/oct96.html (2003-05-23)
  8. Vasamuseets tak, Rolf Sundberg
    http://www.scda.com/sv/vasa_tak.htm (2003-05-23)
  9. Tillståndet i svensk åkermark - Koppar, Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU)
    http://www-umea.slu.se/miljodata/akermark/map_Cu.htm (2003-05-23)
  10. Markinfo - Koppar, Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU)
    http://www-markinfo.slu.se/kem/cu.phtml (2003-05-23)

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
Rostindikator visar var järnet rostar
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?

vardagens kemi
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Bestäm CMC för diskmedel
Blev disken ren?
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Diska med äggula
Eld - varför brinner det?
Eldprovet
Enzymaktivitet i ananas
Enzymer i Tvättmedel
Ett gammalt tvättmedel, del 1: Salt ur björkaska
Ett gammalt tvättmedel, del 2: Tvål ur saltet
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framställ en detergent
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gore-Tex, materialet som andas
Gör din egen limfärg
Gör din egen tandkräm
Gör ditt eget läppcerat
Gör hårt vatten mjukt
Göra lim av kasein
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur smakar salmiak?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemi i en brustablett
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utfällning av aluminium
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Äta frusen potatis