Ο χαλκός δεν αντιδρά με το νερό, οπότε γιατί το νερό που τοποθετείται σε ένα χάλκινο κύπελλο έχει γεύση σαν μέταλλο;

Ο χαλκός δεν συμπεριφέρεται όπως άλλα δραστικά μέταλλα, όπως το νάτριο ή το κάλιο, όταν έρχεται σε επαφή με το νερό. Αντιδρά αργά με το νερό παρουσία οξυγόνου, διοξειδίου του άνθρακα και άλλων ρύπων για να σχηματίσει μια αισθητικά ευχάριστη πατίνα με μια διαδικασία που ονομάζεται διάβρωση. Το νερό σε αυτό το είδος διαβρωμένου χάλκινου δοχείου θα έχει μια ξεχωριστή μεταλλική γεύση.

Ο χαλκός που ονομάζεται ευγενές μέταλλο είναι εσφαλμένη ονομασία. Είναι αλήθεια ότι σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα ή σε μια ατμόσφαιρα χωρίς ρύπους, ο χαλκός δεν αντιδρά με το νερό.

Ωστόσο, σε μια ατμόσφαιρα γεμάτη με ρύπους, ο χαλκός αντιδρά αργά με το νερό για να σχηματίσει ένα στρώμα από σύνθετα άλατα χαλκού μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται διάβρωση χαλκού.

Το νερό που αποθηκεύεται σε τέτοιους διαβρωμένους σωλήνες χαλκού έχει μεταλλική γεύση. Η πρώτη έκπλυση νερού από αχρησιμοποίητους χάλκινους σωλήνες έχει μπαγιάτικη και μεταλλική γεύση, αλλά γιατί συμβαίνει αυτό;

Δραστικότητα μετάλλων

Η θέση ενός μετάλλου στη σειρά αντιδραστικότητας καθορίζει τη συμπεριφορά του στις χημικές αντιδράσεις. Τα μέταλλα που τοποθετούνται πάνω από το υδρογόνο θεωρούνται αντιδραστικά, ενώ αυτά που βρίσκονται κάτω από το υδρογόνο της σειράς είναι σχετικά μη αντιδραστικά.

Η σειρά αντιδραστικότητας των μετάλλων

Ο χαλκός δεν είναι ένα ευρέως αντιδραστικό μέταλλο, και επομένως μερικές φορές ομαδοποιείται ψευδώς ως ευγενές μέταλλο. Η αντιδραστικότητα των μετάλλων με το οξυγόνο και το νερό μειώνεται καθώς κινείστε προς τα κάτω. Ο χαλκός που βρίσκεται κάτω από το υδρογόνο δεν μπορεί να εκτοπίσει το υδρογόνο από το νερό υπό τυπικές συνθήκες. Ο χαλκός δεν αντιδρά με το νερό μέσω αντίδρασης μετατόπισης, αλλά μπορεί να υποστεί μια οξειδοαναγωγική/ηλεκτροχημική αντίδραση με νερό, οξυγόνο και ρύπους για να σχηματίσει σύμπλοκα χαλκού.

Διάβρωση χαλκού

Η αργή οξείδωση του Αγάλματος της Ελευθερίας του Χαλκού (α) το 1886, με τη μπορντό λάμψη του μετάλλου χαλκού, έναντι του (β) το 2002, επικαλυμμένο με πράσινου χρώματος ανθρακικό χαλκό (Photo Credit :OpenStax/Creative Commons)

Λόγω της μεταμόρφωσης από ένα λαμπερό κόκκινο μεταλλικό άγαλμα όταν οι Γάλλοι το χάρισαν το 1886 στον πράσινο φλοιό που καλύπτει τώρα την επιφάνειά του, το Άγαλμα της Ελευθερίας, αν όχι τόσο εμβληματικό, θα ήταν αγνώριστο. Αυτός ο δραματικός μετασχηματισμός αποδίδεται στη διαδικασία της οξείδωσης.

Η διάβρωση του χαλκού είναι αμελητέα σε μη μολυσμένο αέρα, αλλά είναι επιρρεπής σε προσβολή όταν εκτίθεται σε υγρασία αναμεμειγμένη με οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα, οξειδωτικά οξέα, οξειδωτικά άλατα βαρέων μετάλλων, θείο, αμμωνία κ.λπ.

Κατανόηση της διάβρωσης

Η διάβρωση είναι και τα δύο οξειδοαναγωγή και ένα ηλεκτροχημικό αντίδραση. Σε αυτές τις αντιδράσεις, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μεταξύ δύο ιόντων ή στοιχείων.

Διάβρωση, ηλεκτροχημική αντίδραση. (Φωτογραφία:smartman/Shutterstock)

Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια του σιδήρου μετακινούνται προς το πιο ηλεκτραρνητικό οξυγόνο παρουσία νερού, σχηματίζοντας αρνητικά φορτισμένα ιόντα υδροξυλίου. Ο θετικά φορτισμένος σίδηρος αντιδρά πρώτα με τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα υδροξειδίου για να σχηματίσει υδροξείδιο του σιδήρου, το οποίο στη συνέχεια αντιδρά με το οξυγόνο για να σχηματίσει ένα καφέ νιφάδες ενυδατωμένο οξείδιο του σιδήρου που ονομάζεται σκουριά.

Εδώ, η διαδικασία σκουριάς περιλαμβάνει πρώτα μια αντίδραση με νερό, ακολουθούμενη από μια αντίδραση με οξυγόνο.

Συνέπειες της διάβρωσης

Όλες οι μορφές διάβρωσης οφείλονται σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, αλλά τα προϊόντα της αντίδρασης ποικίλλουν ενδιαφέροντα:ενυδατωμένο οξείδιο του σιδήρου στη σκουριά του σιδήρου, θειούχος άργυρος στην αμαύρωση του αργύρου και ανθρακικός χαλκός στην πατινοποίηση του χαλκού. Ο κοινός παρονομαστής είναι η μεταφορά ηλεκτρονίων από μέταλλα σε ηλεκτραρνητικά άτομα.

Μία αντίδραση, πολλά αποτελέσματα (Προσφορά φωτογραφίας:valzan &KrimKateJurateBuiviene/Shutterstock)

Η διάβρωση του χαλκού σχηματίζει διαλυτό, πράσινος Ανθρακικός χαλκός

Οι χάλκινες πατίνες γενικά θεωρούνται γοητευτικές, έχοντας την αίσθηση αντίκας, αλλά αυτή η όμορφη αρχιτεκτονική και γλυπτική πτυχή βασίζεται σε μια πατίνα που σχηματίζεται στις χάλκινες επιφάνειες. Ωστόσο, μια πατίνα από ανθρακικό χαλκό σε δοχεία θα δώσει μια μεταλλική γεύση.

(Φωτογραφία:Micahmn/Creative Commons)

Βήμα 1: Τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από το εσωτερικό του μετάλλου προς την εξωτερική υγρασία. Η περιοχή όπου το μέταλλο χάνει το ηλεκτρόνιο είναι η ανοδική περιοχή.

Cu(s) →Cu2+ + 2e–

Βήμα 2: Τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με το οξυγόνο και την υγρασία για να σχηματίσουν υδροξείδιο.

O2 (g) + 2H2O+ 4e– →4OH–;

Βήμα 3: Το ανιόν υδροξειδίου κινείται μέσα για να αντιδράσει με Cu2+ για να σχηματίσει υδροξείδιο του χαλκού.

Cu2+ + 2OH– →Cu(OH)2

Βήμα 4: Το CO2 αντιδρά με το υδροξείδιο του χαλκού για να σχηματίσει ανθρακικό χαλκό, το οποίο είναι ένα από τα συστατικά της πατίνας.

Cu(OH)2 + CO2 → CuCO3 + H2O

Βήμα 5:Το οξείδιο του χαλκού αντιδρά επίσης με ρύπους τριοξειδίου του θείου για να σχηματίσει θειικό χαλκό.

CuO + SO3 +H2O→ CuSO4 + H2O

Η πατίνα είναι ο σχηματισμός υδροξειδίου του χαλκού, ανθρακικού χαλκού, χλωριούχου χαλκού και θειικού χαλκού. Το υδροξείδιο του χαλκού και ο ανθρακικός χαλκός είναι αδιάλυτα στο νερό, αλλά ο θειικός χαλκός και ο χλωριούχος χαλκός εισχωρούν μέτρια στο νερό, επομένως όταν το νερό αποθηκεύεται σε τέτοια διαβρωμένα χάλκινα δοχεία ή σωλήνες, αφήνει πίσω του μια δυσάρεστη μεταλλική γεύση.

Συμπέρασμα

Η διάβρωση του χαλκού αφήνει ένα σύνθετο στρώμα από διαλυτά και αδιάλυτα άλατα χαλκού στην επιφάνεια του μετάλλου. Αυτό χρησιμεύει ως προστατευτικό στρώμα που αποτρέπει την περαιτέρω διάβρωση του μετάλλου από κάτω. Ωστόσο, τα διαλυτά άλατα χαλκού μπορούν να διαλυθούν διακριτικά στο νερό που είναι αποθηκευμένο στα δοχεία για να δημιουργήσουν μια μεταλλική γεύση που πολλοί άνθρωποι βρίσκουν δυσάρεστη!