Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑turquoise

Dlaczego Statua Wolności zzieleniała?

Statua Wolności, jak wiele innych pomników na świecie, jest pokryta miedzią. Pod wpływem warunków atmosferycznych (tlenu i/lub wilgoci), na powierzchni miedzi zachodzi wiele reakcji chemicznych, które zmieniają jej pierwotny wygląd. Prócz czystej miedzi metalicznej tym samym procesom ulegają również przedmioty wykonane ze stopów miedzi, np. spiżuspiżspiżu czy brązubrązbrązu. Pojawia się na nich zielona powłoka, patyna, w skład której wchodzą głównie zasadowe węglanyzasadowe węglanyzasadowe węglany, chroniące metal przed dalszym działaniem czynników atmosferycznych. Zjawisko pokrywania się metalu szczelną warstwą związków chemicznych nazywane jest pasywacjąpasywacjapasywacją.

RAiDEfLOlRgCs1
Statua Wolności
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

W przypadku miedzi, proces pasywacji przebiega w atmosferze powietrza w sposób samorzutny i trwa nawet kilkadziesiąt lat. W wielu przypadkach patyna stanowi ozdobę, której kolor jest ceniony przez architektów. Bywa, że konserwatorzy przy restauracji dzieł sztuki, np. miedzianych dachów, są zobowiązani do wcielenia procesów, które mają sztucznie przyspieszyć pokrywanie ich patyną. Warto prześledzić krok po kroku reakcje chemiczne prowadzące do wytworzenia patyny.

W pierwszym etapie miedź jest utleniana tlenem atmosferycznym do tlenku miedzi(I) o czerwonym zabarwieniu.

4 Cu+O22 Cu2O

Następnie powstały tlenek miedzi(I) ( Cu 2 O ) utlenia się do tlenku miedzi(II) (CuO) o czarnym kolorze.

2 Cu2O+O24 CuO

Powstające tlenki mogą reagować ze związkami siarki zawartymi w zanieczyszczonym powietrzu, tworząc siarczek miedzi(II) CuS.

Z biegiem czasu CuO i CuS powoli reagują z zawartymi w powietrzu tlenkiem węgla(VI) CO2, tlenkiem siarki(VI) SO3 oraz z wodą. W wyniku zachodzących reakcji powstają związki, które tworzą patynę.

2 CuO+CO2+H2O Cu2CO3OH2  malachit
3 CuO+2 CO2+H2OCu3 CO32OH2  azuryt
4 CuO+SO3+3 H2OCu4 OH6SO4  brochantyt

Znajomość zaprezentowanych powyżej reakcji pozwala zrozumieć powody występowania zielonego nalotu na dachach zabytkowych budowli, jak na ilustracji poniżej.

R1BBS3clw0sAq1
Zamek Królewski na Wawelu
Patyna (śniedź, grynszpan szlachetny) – zielony trwały nalot na dachu Zamku Krolewskiego na Wawelu to produkt działania powietrza i wody na miedź. Składnikiem patyny jest głównie węglan diwodorotlenek dimiedzi(II) – Cu2CO3(OH)2.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.
bg‑turquoise

Czy jedynie miedź ulega pasywacji? Jakie czynniki decydują o zachodzeniu tego zjawiska?

Większość metali w warunkach atmosferycznych ulega pasywacji. Powstająca warstwa pasywna, zależnie od typu metalu, wykazuje różną odporność na działanie czynników chemicznych. Do metali, których warstwa pasywna wykazuje największą odporność, należą Al, Cr, Ni, Ti, Mo, Ta.

Z uwagi na zachodzący na powierzchni chromu oraz niklu samorzutny proces pasywacji, metale te są stosowane jako główne dodatki do stali nierdzewnejstal nierdzewnastali nierdzewnej. Na powierzchni stali nierdzewnej bogatej w chrom, powstaje w sposób naturalny i natychmiastowy warstwa tlenku (warstwa pasywna), która zapobiega dalszemu procesowi utleniania. Schemat mechanizmu tego procesu, zwanego pasywacją samorzutnąsamorzutna pasywacjapasywacją samorzutną, przedstawiono poniżej.

R1FPru7aVNE251
Mechanizm pasywacji w przypadku stali chromowej
Pod wpływem tlenu, na powierzchni stali chromowej tworzy się tlenek chromu(III) Cr2O3, który pokrywa stal szczelną warstwą ochronną. W pobliżu powierzchni stali zawartość chromu maleje – tworzy się strefa zubożała w chrom. Grafika przedstawia mechanizm w uproszczeniu, nie uwzględnia obecności innych pierwiastków stali oraz pomija rozmiary poszczególnych atomów.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RXbjlqW1zLzBa1
Mechanizm ponownej pasywacji powłoki po jej uszkodzeniu
W wyniku mechanicznego uszkodzenia, warstwa ochronna ulega oderwaniu (depasywacja). Odbudowa warstwy pasywnej, jaką jest Cr2O3, zachodzi pod wpływem tlenu (repasywacja).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pasywację można określić nie tylko jako „uodparnianie się” metalu na działanie czynników atmosferycznych, ale także na działanie kwasów utleniających. Glin reaguje ze stężonym kwasem azotowym(V), tworząc powłokę tlenku glinu Al2O3:

2 Al+6 HNO3(stęż.)Al2O3+6 NO2+3 H2O

W wyniku wytworzenia warstwy pasywnej następuje zahamowanie reakcji metalu z kwasem. Pasywacja glinu zachodzi na zimno, na gorąco zachodzi reakcja chemiczna z wytworzeniem soli.

Ważne!

Glin może reagować z roztworami innych kwasów, ale nie towarzyszy temu pasywacja.

2 Al+6 HCl2 AlCl3+3 H2
2 Al+2 H2SO4(rozc.)Al2SO43+3 H2

Żelazo i stalstalstal ulegają pasywacji na zimno w stężonym kwasie azotowym(V) HNO3 i  stężonym kwasie siarkowym(VI) H2SO4 przeprowadzona na gorąco ze stężonym kwasem azotowym(V) lub stężonym kwasem siarkowym(VI), wówczas żelazo ulegnie roztworzeniu. Z kolei w rozcieńczonym kwasie azotowym(V) HNO3 pasywacja żelaza nie zachodzi i można zaobserwować roztwarzanie metalu.

2 Fe+6 HNO3(stęż.)→Fe2O3+6 NO2↑+3 H2O
Fe+6 HNO3(rozc.)→FeNO33+3 NO2↑+3 H2O

Pasywacja jest procesem pożądanym, ponieważ chroni metal przed dalszym utlenianiem. Dzięki niej metal pokrywa się pasywnym, biernym chemicznie związkiem (lub mieszaniną związków chemicznych), który stanowi barierę ochronną dla metalu.

Słownik

stop
stop

substancja złożona z dwóch lub więcej pierwiastków chemicznych, w których przynajmniej jeden z nich jest metalem i przeważa ilościowo

pasywacja
pasywacja

pasywowanie; proces chemiczny lub elektrochemiczny, polega na „uodparnianiu się” metalu na działanie kwasu utleniającego (lub innego utleniającego czynnika), przez wytworzenie szczelnej warstwy ochronnej, która składa się z tlenków i innych związków

samorzutna pasywacja
samorzutna pasywacja

pasywacja zachodząca bez ingerencji człowieka, na skutek reakcji w środowisku

stal
stal

stop żelaza z węglem, uzyskany na skutek obróbki plastycznej i cieplnej, zawierający do 2,11% węgla oraz inne pierwiastki dodane w celu zmiany właściwości stali lub będące zanieczyszczeniami

powinowactwo
powinowactwo

określa zdolność danej substancji do wejścia w reakcję chemiczną z  inną substancją

brąz
brąz

stop miedzi z cyną o zawartości procentowej miedzi w granicach 80–90% wagowych

spiż
spiż

stop miedzi z cyną (do 11%), cynkiem (2–7%) i ołowiem (2–6%)

stal nierdzewna
stal nierdzewna

typ stali, która jest odporna na korozję i rdzewienie; otrzymywana w wyniku wzbogacania stali chromem

korozja
korozja

proces niszczenia materiałów, zachodzący pod wpływem reakcji chemicznych lub elektrochemicznych przebiegających na granicy ze środowiskiem zewnętrznym

zasadowe węglany
zasadowe węglany

sole nieorganiczne kwasu węglowego, które – oprócz reszty kwasowej i kationu metalu – zawierają dodatkowe grupy hydroksylowe; przykładem może być węglan diwodorotlenek dimiedzi(II) Cu2CO3OH2

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna: cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2004.

Baszkiewicz J., Kamiński M., Korozja materiałów, Warszawa 2006.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, . 1‑2, Warszawa 2010.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3, Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, Warszawa 2004.

Encyklopedia PWN

Hassa R., Mrzigod A., Mrzigod J., Sułkowski W., Chemia 1. Podręcznik i zbiór zadań w jednym, Warszawa 2003.

Klinow I. J., Korozja i tworzywa konstrukcyjne, Warszawa 1964.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J.,To jest chemia 1, Warszawa 2013.

Pazdro K., Zbiór zadań z chemii dla szkół ponadgimnazjalnych, Warszawa 2003.

Sołtys Z., Chemia nieorganiczna dla techników, Warszawa 1970.