Rostbildning och rostskydd

Tillhör kategori: elektrokemi, redox, urval reviderat experiment, vardagens kemi

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Annika Wikman

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Ett stort problem i samhället idag är att diverse föremål som är tillverkade av järn korroderar - rostar. Du ska undersöka vad det är som gör att järn rostar - vilka ämnen påskyndar rostandet och vad kan man göra för att förhindra uppkomsten av rost.

Riktlinjer

Experimentet kan utföras som elevförsök i alla stadier.

Säkerhet

NaCl-lösning är ofarlig.

Alla lösningar kan hällas ut i avloppssystemet, järnbitarna läggs i papperskorgen.

Materiel

Förarbete

En 3 % lösning av NaCl behöver göras. Lös 3 g NaCl i 97 ml vatten. Använd kranvatten!

Utförande

Vatten och NaCl-lösning kokas för att få bort större delen av den syrgas som finns löst i vattnet. De kan också urluftas genom att skapa undertryck med en vattensug.

  1. Koka kranvatten och hälften av den 3 %-iga NaCl-lösningen i E-kolvar i ca 10 minuter. Ha helst ett urglas över E-kolven med NaCl-lösningen så att koncentrationen inte ändras p.g.a. att vatten kokar bort.
  2. Putsa järntråd eller järnplåt med smärgelduk eller stålull så att all beläggning försvinner.
  3. Märk sex provrör med; syrgasfritt kranvatten, kranvatten, syrgasfri 3% NaCl, 3% NaCl, kranvatten + olja, 3 %NaCl + olja.
  4. Två av spikarna ska oljas in ordentligt. Se till att oljan täcker hela spiken. Dessa två spikarna läggs i provrören märkta "kranvatten + olja" och "3% NaCl + olja.
  5. De övriga spikarna läggs en i vardera provröret. Fyll på med lösningar i alla provrör enligt märkningen.
  6. Sätt i korkar i de provrör som innehåller syrgasfri vätska. I dessa provrör ska vätskenivån gå ända upp till korken så att ingen luft finns i provröret. Alternativt kan ett skikt med olja hällas över vätskan för att förhindra luften att komma åt lösningen.
  7. Låt provrören stå och titta gärna på dem varje dag.

Variation

Även andra rostskyddande metoder kan undersökas i detta experiment. Här kan ju din undersökningslusta få komma fram!

Förklaring

I naturen finns inte järnet som metall utan det finns bara i olika malmer. Dessa måste bearbetas och genomgå kemiska reaktioner för att järnmetallen ska erhållas. När järnmetallen rostar strävar den efter att återgå till sin naturliga form.

Rost bildas när metallen järn kommer i kontakt med fuktig luft eller vatten. Det sker en kemisk reaktion där syre oxiderar järnet. Samtidigt transporteras elektroner i metallen och joner i vattnet för att utjämna den spänningsskillnad som uppstår när elektroner avges på en plats och tas upp på en annan.

För att järnet ska rosta krävs därför dels att det finns syrgas närvarande (i luften eller löst i vattnet) som kommer i kontakt med järnet, dels att det finns vatten som kan transporterar jonerna. Om man kan hindra kontakten med syret eller att det inte finns fukt som jonerna kan vandra i, så avstannar rostbildningen.

Närvaro av salt i vattnet bättrar på ledningsförmågan, vilket gör att jonerna från rostbildningen vandrar snabbare. Det ökar på hastigheten för rostbildningen.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Vad som sker i provrören

Vi vet alltså att vatten och syre är en förutsättning för att det ska bildas rost. Dessutom underlättas rostbildningen av att vattnet innehåller salt. Vi kan förvänta oss följande resultat i de 6 provrören:

  1. Utan tillgång till syre rostar inte spiken.
  2. Kranvattnet innehåller både syre och vatten, spiken rostar.
  3. Om man verkligen lyckats få vattnet syrefritt, så rostar inte spiken trots att vattnet innehåller koksalt.
  4. Det öppna röret med löst koksalt leder till snabb rostbildning.
  5. Spiken rostar inte eftersom oljan bildar en skyddande hinna som täcker spiken och hindrar både vatten och syre som är löst i vattnet att komma i kontakt med järnet.
  6. Om oljan täcker spiken effektivt, så rostar inte spiken trots att det finns salt i vattnet.

Praktiska exempel

Vi kan jämföra det som sker i provrören med praktiska exempel. Vi tar ett exempel till varje provör.

  1. Vanliga värmesystem i ett hus fungerar så att varmvattnet transporteras runt i järnrör till elementen. Eftersom värmesystemet i praktiken är ett slutet system, så blir tillgången på syre mycket liten. Därför brukar rost i värmesystemet inte vara ett problem.
  2. Järnskrov och andra detaljer av järn på fartyg måste rostskyddas genom målning. Det är både tidskrävande och kostsamt, för rostskyddet måste upprepas med jämna mellanrum. Den kemiska miljön med både fukt och luftens syre leder annars till en snabb rostbildning.
  3. Numera använder man vattenledningar av polypropen. Men till äldre hus är det inte ovanligt att vattenledningen som är nedgrävd i marken är av järn. Vattenledningar av järn rostar. Ledningarna brukar rosta inuti där det tillförs nytt syrerikt vatten hela tiden. Så småningom kan vattenledningen bli så full med rost på insidan att vattnet får svårt att rinna.
  4. Föremål som sjunker ned i slammet och begravs får inte tillgång till syre. När man bärgar gamla sjunkna skepp händer det att järnföremål som legat i slammet bevarats under flera hundra år. I fritt havsvatten skulle alltsammans ha ombildats till rost. Men tack var inpackningen i slammet finns föremålen kvar trots att fukten innehåller salt.
  5. Bilar underredsbehandlas med tjärliknande massa som effektivt skyddar stålet (= järn) mot både fukt och syre. Så länge som stålet är täckt, så rostar det inte.
  6. Underredsbehandlingen på bilarna fungerar även om man kör på saltade vintervägar.

Rost är stabilare än rent järn

GDC: Energi

När järn rostar bildas hydratiserad järn(III)oxid (Fe2O3·nH2O) och järn(III)oxidhydroxid (FeO(OH)) i varierande proportioner. Reaktionen är inte väldefinierad. Men den är starkt exotermExoterm betyder "som avger värme". En kemisk reaktion som avger värme är exoterm. Värmen är energiöverskottet när energirika ämnen omvandlas till energifattigare.

Det finns även andra former av energi än värmeenergi, till exempel strålningsenergi eller elektrisk energi. Det utvidgade begreppet exoterm används även för reaktioner där energiöverskottet avges som exempelvis strålningsenergi eller elektrisk energi.
, dvs. mycket värmeVärme är rörelseenergi hos atomerna i ett material. Värme är alltså en energiform.

Värmerörelserna är kaotiska där atomerna ständigt kolliderar med varandra och ändrar riktning. Atomerna rör sig också olika fort beroende på hur slumpen gör att de knuffas hit och dit. Men den totala rörelseenergin hos atomerna i materialet är konstant så länge som materialet inte avger eller tar upp energi. Hastighetsfördelningen hos atomerna beskrivs av en något sned, klockformad kurva som har sin topp kring medelhastigheten hos atomerna.

Temperaturen är ett mått på värmen, dvs. medelvärdet av atomernas rörelseenergi. Till vardags använder Celsius-skalan för att mäta temperaturen. Inom vetenskapen använder man i stället ofta absolut temperatur, dvs. Kelvin-skalan. Noll grader Kelvin (K) är det kallaste som ett material kan vara. Då står atomerna i princip stilla. Men alldeles stilla kan de inte vara, vilket är en kvantmekanisk effekt.
avges. Det innebär en förlust av inneboende energi hos de ingående ämnena. Rosten är alltså energifattig i jämförelse med järnet, syret och vattnet som det bildas från.

Generellt gäller att energirika ämnen är reaktiva och energifattiga är stabila. Omvandlingen av energirika ämnen till energifattiga är en av de två förekommande drivkrafterna bakom kemiska reaktioner. Den andra drivkraften är tendensen att gå från ordning till oordning. Måttet av oordning benämns entropi. EntropiEntropin S kan sägas vara ett mått på graden av oordning i ett system. Mer specifikt anger den på hur många olika sätt systemet kan ordnas.

Termodynamikens andra lag säger att i ett isolerat system kan entropin aldrig minska. Den strävar i stället efter termodynamisk jämvikt som är ett tillstånd med maximal entropi. Entropin är en statistisk effekt som säger att om antalet sätt att arrangera atomerna huller om buller är många fler än antalet sätt att ha perfekt ordning, så kommer systemet sannolikt att sluta i ett tillstånd där atomerna är oordnade.

Strävan mot ökande entropi är den ena av drivkrafterna bakom kemiska reaktioner. Den andra är strävan mot minskande entalpi.

är ett begrepp som inte alltid är så lätt att förstå sig på, men är alltså en viktig anledning till att reaktioner sker.

Kombinationen av energi- och entropiändringar avgör hur starka drivkrafterna för reaktionen är. Det finns en formel för detta, nämligen Gibbs fria energiGibbs fria energi definieras som G = H - T·S, där H är entalpin, S entropin och T absoluta temperaturen. Eftersom det inte går att fastställa ett absolut värde för Gibbs fria energi studerar man i stället förändringar hos Gibbs fria energi
DG = DH - T·DS.

Gibbs fria energi ger information om ifall en reaktion kan vara spontan. Om förändringen i Gibbs fria energi är negativ, DG < 0, så är reaktionen i framriktningen spontan.

För DG > 0 gäller att reaktionen i framriktningen inte kan ske spontant, däremot den motsatta reaktionen.

Om DG » 0 gäller att reaktionen är nära jämvikt.

Att entalpin H och entropin S ingår i formeln visar två drivkrafter bakom kemiska reaktioner. Det är dels att energin minskar genom att DH < 0, dels att oordningen i systemet ökar genom att DS > 0. Det kan hända att entalpiändringen och entropiändringen motverkar varandra, till exempel om båda är positiva. Då beror det på storleken på DH i jämförelse med T·DS vilken drivkraft som överväger.

Gibbs fria energi säger inget om reaktionshastigheten, bara i vilken riktning reaktionen kan ske. Beroende på hur hög tröskeln av aktiveringsenergin är och vilken temperatur som råder, så kan reaktionen antingen vara snabb eller långsam, kanske så långsam att den inte kan observeras.
, som lyder ΔG = ΔH – T·ΔS. ΔH betyder entalpiändring (entalpiEntalpin H är ett mått på energi som förutom den inneboende kemiska energin U hos ämnet även tar med det arbete som det innebär att skapa volymen p·V, där p är trycket och V är volymen.
H = U + p·V

Totala entalpin H för ett system kan inte fastställas. I stället arbetar man med entalpiändringar DH. Reaktioner med DH < 0 är exoterma (avger energi, t.ex. i form av värme) medan reaktioner med DH > 0 är endoterma (tar upp energi).

= mått på energi; inre energi + tryck·volym), ΔS betyder entropiändring och T är absoluta temperaturen. Vi behöver inte gå in på detaljerna just nu, men ju mer negativ ändringen i Gibbs fria energi ΔG är, desto starkare är drivkrafterna för reaktionen. Naturen försöker alltså att minimera Gibbs fria energi.

I fallet med rostbildning är det energiminskningen har störst betydelse som drivkraft. Det beror på att det är så mycket värme som avges.

Att rostbildning ger mycket värme utnyttjas i en typ av handvärmare som innehåller järnpulver, vatten och lite andra tillsatser för att hålla fukten och se till att värmen kan spridas. När handvärmaren aktiveras blandas järnpulvret med vattnet och tillsammans med luftens syre börjar järnet rosta. Handvärmaren avger mest värme i början, men den fortsätter att värma uppemot 10 timmar till dess att allt järnpulvret har rostat.

I experimentet med järnspikar i vatten så är alltså rosten stabilare än spiken som den bildas från. Får reaktionerna fortsätta så kommer allt järn att rosta. Det är också vad vi kan se i naturen. Järn förekommer inte som grundämneEtt grundämne är materia av ett visst atomslag. Det finns över 100 grundämnen. De listas i det periodiska systemet. Varje grundämne kännetecknas av sina kemiska och fysikaliska egenskaper. Det som bestämmer atomens egenskaper är i grunden det antal protoner som finns i atomkärnan. Antalet protoner i kärnan benämns atomnummer. Det finns grundämnen med atomnummer från 1 upp till över 100.

Atomer av grundämnen kan bilda kemiska föreningar genom att reagera med varandra. Men kemiska föreningar är inte grundämnen eftersom de innehåller flera olika atomslag. För att vara ett grundämne ska ämnet bestå av en enda sorts atomer.
, utan alltid som järnoxider, rost eller andra kemiska föreningar såsom järnsulfid.

I princip sker ändå inte reaktionen full ut

GDC: Jämvikt

Ska man vara riktigt korrekt kan reaktionen när järn rostar inte ske riktigt till 100 %. Det är nämligen så att alla kemiska reaktioner är jämvikterDynamisk jämvikt är när två motsatta processer precis balanserar varandra så att det inte blir något nettoförändring. Systemet verkar utåt sett vara i vila, men i verkligheten pågår de motsatta processerna hela tiden.

Kemiska jämvikter är dynamiska, vilket innebär att framåtreaktionen och tillbakareaktionen pågår med samma hastighet. Reaktionsformler som vill betona att det handlar om en jämvikt använder en dubbelpil (D) som symbol.
. Det sker också en liten reaktion åt andra hållet, dvs. att rost omvandlas till järn och syre. Men det finns ett samband mellan Gibbs fria energi och jämviktsläget. När Gibbs fria energi är mycket negativ, vilket är fallet när järn reagerar och bildar rost, så är jämvikten mycket starkt förskjuten i framåtriktningen. Vid rostbildningen är jämvikten i själva verket så starkt förskjuten åt höger att det inte går att uppmäta de små mängder av järn som faktiskt finns vid jämvikt.

Det finns andra reaktioner där Gibbs fria energi är nära noll. I sådana fall finns det både ämnen ur vänsterledet i reaktionen och ur högerledet när jämvikt inställt sig. En välkänd reaktion där Gibbs fria energi är ganska nära noll är den så kallade esterjämvikten, dvs. när alkohol och syra bildar ester.
alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Ett annat exempel är dissociationen av en svag syra i vatten
HA ⇄ H+ + A

Fördjupning

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

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.

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.

Jämvikt

Jämvikt bygger på att en reaktion sker i framriktningen och tillbakariktningen samtidigt och att reaktionshastigheterna är lika stora. Det innebär att det totalt sett inte sker någon förändring, trots att reaktionerna hela tiden pågår. Man säger att jämvikten är dynamisk därför att det är en pågående process.

Med reaktionsformel så ser jämvikten mellan ämne A och ämne B ut på följande sätt:

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

Föreställ dig att en hink med vatten står under kranen som är öppen. Men det finns ett hål i hinkens botten där vatten rinner ut. De reaktioner vi tittar på är tillförsel av vatten till hinken (framriktningen) och bortförsel av vatten från hinken (tillbakariktningen).

Vatten utanför hinken motsvarar A i jämvikten ovan, och vatten inuti hinken motsvarar B. Vi kan då skriva jämvikten med ord på följande sätt:

vatten utanför hinken (A) ⇄ vatten inuti hinken (B)

Vi öppnar kranen

Innan vi öppnar kranen, så är hinken tom, men så snart vi öppnar kranen börjar hinken fyllas med vatten. I början är vattennivån låg och det rinner inte ut vatten genom hålet lika snabbt som vatten fylls på från kranen. Det innebär att vattennivån i hinken ökar. Jämvikten har inte ännu ställt in sig.


Vid det högre vattenflödet från kranen till hinken (höger bild), så stabiliseras vattenytan på en högre nivå.
Bild: Svante Åberg

Men ju högre vattennivån blir, desto snabbare rinner vatten ut genom hålet. Till slut rinner vatten ut lika snabbt som det fylls på.

Detta tillstånd får man vid en bestämd vattennivå i hinken som svarar mot ett visst tryck hos vattnet. Denna nivå är jämviktsnivån.

Trots att vi har pågående reaktion i framriktningen (A → B) och samtidigt i tillbakariktningen (A ← B), så är vattennivån stabil. Detta stabila tillstånd, trots pågående reaktioner, kallas dynamisk jämvikt.

Vi ändrar flödet

Om vi sedan skulle ändra kranen så att det tillförs vatten snabbare eller långsammare, så skulle vattennivån i hinken börja förändras igen. Så småningom skulle en ny jämvikt ställa in sig på en annan vattennivå.

Ett högt flöde från kranen ger en hög jämviktsnivå i hinken, ett lågt flöde ger en låg jämviktsnivå.

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

Man kan tillverka väldoftande luktämnen genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra → ester + vatten

Från början finns ingen ester och inget vatten, bara alkohol och syra. Reaktionen sker därför bara åt höger. Men när det väl har bildats en del ester och vatten, så börjar det ske en reaktion åt andra hållet så att alkohol och syra återbildas. Men tillbakareaktionen är långsam i början eftersom det finns så lite ester och vatten som kan reagera.

alkohol + syra ← ester + vatten (långsam i början)

Med tiden bildas det alltmera ester och vatten, vilket gör att tillbakareaktionen blir snabbare. Samtidigt minskar mängden alkohol och vatten, vilket gör att framåtreaktionen blir långsammare. Till slut är tillbakareaktionen lika snabb som framåtreaktionen. Då har dynamisk jämvikt ställt in sig.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

Salter är lösliga i vatten, men bara upp till en viss gräns. När saltlösningen blivit mättad, så är systemet i jämvikt. Exempel på ett salt är natriumklorid, det vill säga vanligt koksalt.

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

En sak som är speciell i detta fall är att koncentrationen av salt i fast form är konstant, oberoende av hur mycket fast salt vi har. Det innebär att reaktionen i framriktningen alltid är lika snabb.

Däremot varierar koncentrationen av natriumjoner och kloridjoner. I början finns inga natrium- och kloridjoner i lösning. Då sker bara reaktionen i framriktningen.

Men ju mer natrium- och kloridjoner som går i lösning, desto snabbare blir tillbakareaktionen. Till slut faller koksalt ut lika snabbt som det går i lösning. Då har vi fått dynamisk jämvikt.

Jämviktsläget

Massverkans lag

Massverkans lag anger att när ämnen reagerar med varandra, så är reaktionshastigheten proportionell mot koncentrationen av de partiklar som reagerar. Det är en statistisk effekt som kommer av att en kemisk reaktion bara kommer till stånd om de reagerande partiklarna kolliderar. Om koncentrationen av partiklar är hög, så blir det många kollisioner per sekund. Då är det också fler partiklar som reagerar varje sekund – reaktionshastigheten blir hög.

I en jämvikt sker reaktion både i framriktningen (åt höger) och i tillbakariktningen (åt vänster). Jämviktsläget beror på reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med den åt vänster. Jämvikt fås när hastigheten åt höger och åt vänster är lika. Det betyder att lika mycket bildas som det som förbrukas. Nettoförändringen blir noll.

Man har så kallad dynamisk jämvikt. Ordet dynamisk anger att reaktionerna hela tiden pågår. Men i och med att inga nettoförändringar sker, så har man jämvikt.

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

Det är emellertid inte varje kollision som leder till kemisk reaktion. Kemisk reaktion innebär att bindningar bryts i den gamla partikeln och nya skapas som ger ett nytt ämne. Men oftast studsar partiklarna bort från varandra utan att reagera. Om partiklarna inte är rätt orienterade i förhållande till varandra vid kollisionen, så sker ingen kemisk reaktion.

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

Inte heller sker någon reaktion om kollisionsenergin är för liten. Rörelseenergin i kollisionen måste övervinna den energitröskel det innebär att bryta de gamla bindningarna. Inte förrän dessa är brutna kan nya bildas. Denna energitröskel benämns aktiveringsenergi.

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

Om ämnena på ena sidan i reaktionsformeln är energirikare än ämnena på andra sidan, så är energitröskeln olika stor för reaktionen åt höger respektive åt vänster. (Figur som visar ett sådant exempel ska infogas här.)

När framåt- och bakåtreaktionen sker olika lätt, så påverkar det jämviktsläget. Om till exempel framåtreaktionen är kraftigt exoterm, så är energitröskeln i framriktningen låg och en stor andel av kollisionerna leder till reaktion. Men då blir samtidigt energitröskeln för reaktion i bakåtriktningen hög. Det krävs en hög koncentration av partiklar i högerledet av jämviktsreaktionen för att reaktionshastigheten åt vänster ska bli lika hög som den åt höger. En starkt exoterm jämvikt brukar därför vara starkt förskjuten åt höger.

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

För att få ett mått på jämviktslägen behöver man få en siffra på hur den aktuella kemiska reaktionen ställer in sig. Värdet hos jämviktskonstanten K återspeglar jämviktsläget. Ju större konstanten är, desto mer förskjuten åt höger är jämvikten. Exempel på en jämvikt som är väldigt starkt förskjuten åt höger är reaktionen mellan vätgas och syrgas då vatten bildas:

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

En jämviktskonstant som är nära noll tyder på en jämvikts som är starkt förskjuten åt vänster. Exempel på en jämvikt som är starkt förskjuten åt vänster är vattnets autoprotolys:

2 H2O ⇄ H+ + OH, K = 1,0·10–14 M2 (lösningsmedlet vatten enhetslöst)

Exempel på en jämvikt som inte är så starkt förskjuten åt någotdera hållet är esterjämvikten:

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

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.

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.

Litteratur

  1. När rostar en spik mest eller minst?, Kemilärarnas resurscentrum (KRC)
    http://www.krc.su.se/documents/laborationer/Nar_rostar_spikar.doc (2017-08-24)
  2. Korrosion, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Korrosion (2015-10-02)
  3. Rost, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Rost (2015-10-02)
  4. Syrefria mikroklimat : Förebyggande konservering, Riksantikvarieämbetetet
    http://www.raa.se/publicerat/9172093218.pdf (2015-10-09)
  5. Borgford, C.L. & Summerlin, L.R. (1988). Chemical activities. (Teacher ed.) Washington, DC: American Chemical Society.
  6. Joesten, M.D. & Wood, J.L. (1996). World of chemistry. (2. ed.) Fort Worth: Saunders College Publ.
  7. How does iron rust?, General Chemistry Online!
    http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/redox/faq/how-iron-rusts.shtml (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
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?
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
Rostindikator visar var järnet rostar
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Vad händer när degen jäser?
Åka hiss

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
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
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis