Jerns Korrosion - Rapport i Kemi

Side 1

HTX 2. år

2.V, HTX-SUKKERTOPPEN VALBY

KEMI A MED BODIL MARIANNE BRAUNER

Korrosion
      1
   September 2009

1

Forside foto: http://www.dr-maiko.com/images/korrosion.jpg

Forsøgene er udført i samarbejde med Michelle K. Theisen, Junaid Asif og Emil A. Thyregod, torsdag d 3. september 2009.

Resultatet på forsøgene er aflæst mandag d 7. september 2009.

Side 2

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 2 af side 10

Indhold

Teori ..................................................................................................................................................................................................... 3 Formål ................................................................................................................................................................................................. 4 Forsøgsbeskrivelse ........................................................................................................................................................................ 4 Hypoteser .......................................................................................................................................................................................... 5 Materialeliste ................................................................................................................................................................................... 6 Fremgangsmåde ............................................................................................................................................................................. 6 Resultater .......................................................................................................................................................................................... 7 Fejlkilder ............................................................................................................................................................................................ 8 Diskussion ......................................................................................................................................................................................... 8 Konklusion ..................................................................................................................................................................................... 10 Perspektivering ............................................................................................................................................................................ 10

Side 3

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 3 af side 10

Teori

Rustdannelse

2

Korrosion er når metaller oxideres til metalioner. Rust er en korrosion af jern. Jern korroderer, når

det på samme tid er i kontakt med vand (𝐻_{2} 𝑂) og luftens oxygen (𝑂_{2}).
Der findes ikke nogen konkret definition på rust, da mængden af Fe^{+++}, O^{--} og OH^{-} kan variere, og

danne forskellige former for rust. I reaktionerne her under skrives rust som 4𝐹𝑒𝑂 ( 𝑂𝐻), men kunne

lige så godt skrives 𝐹𝑒_{2} 𝑂_{3} • 𝐻_{2} 𝑂.

2𝐹𝑒(𝑠) + 𝑂_{2} (𝑔) + 2𝐻_{2} 𝑂(𝑙) → 2𝐹𝑒^{++} (𝑎𝑞) + 4𝑂𝐻^{−} (𝑎𝑞)
Jern + Oxygen + Vand → Jern (II)ioner + Hydroxidioner

                                ++
Herefter oxideres jern(II)ionerne (𝐹𝑒 ) af det oxygen, der er opløst i vandet (𝐻 𝑂) til jern(III)ioner
                                                                    2

(𝐹𝑒^{+++}). Jern(III)ionerne danner nu sammen med hydroxidionerne (𝑂𝐻^{−}) det vi i daglig tale kalder

rust. Denne reaktion ses følgende:

𝑂_{2} (𝑎𝑞) + 4𝐹𝑒^{++} (𝑎𝑞) + 8𝑂𝐻^{−} (𝑎𝑞) → 4𝐹𝑒𝑂 ( 𝑂𝐻) (𝑠) + 2𝐻_{2} 𝑂(𝑙)
Oxygen + Jern(II)ioner + Hydroxidioner → Rust/Korrosion + Vand

Forhindring af rustdannelse

Jern anvendes ofte udendørs. Det er derfor nødvendigt at beskytte jernet mod at korrodere, ved at

forhindre det i at komme i kontakt med vand (𝐻_{2} 𝑂) og oxygen (𝑂_{2}). Forhindringen af rustdannelse

kan ske på mange måder. Man kan for eksempel anvende et offermetal til at forhindre jern i at korrodere. Offermetallet afgiver så sine elektroner i stedet for jernet, således at det er offermetallet der tæres og ikke jernet. Offermetaller, der kan anvendes til at forhindre dannelsen af rust, kan i princippet være alle metaller til venstre for jern (Fe) i spændingsrækken, da disse metaller er mere elektropositive end jern (Fe).

Ofte anvendes zink (Zn) som offermetal – dette kaldes at forzinke jernet eller galvanisering. Jernet overtrækkes ved hjælp af elektrolyse med et tyndt lag af zink bestående af zinkoxid og zinkcarbonat.

Selv om der går hul i zinklaget, vil jernet stadig være beskyttet, da zink står til venstre for jern i spændingsrækken, og derfor nemmere afgiver elektroner.

Jernet kan også males med en tæt og vandfast maling eller behandles med vandfortrængende olier.

Luftfugtighed

I vores atmosfære befinder der sig vandmolekyler (H

2

O). Disse vandmolekyler kommer blandt andet af ånding og fordampning fra vandoverflader. Vandet i luften kan bindes ved at tilsætte et salt

(selvfølgelig kun inden for et begrænset område), for eksempel saltet silikat (SiO) og

4 magnesiumchlorid (MgCl).

2

2

Kilde: KEMI 2000, c-niveau af Helge Mygind. 1. udgave, 1. oplag 1994, 18 oplag 2008. Side 138 – 139 om Korrosion.

Side 4

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 4 af side 10

Reaktionen af mellem H O og MgCl ser således ud:

2 2

𝑀𝑔𝐶𝑙_{2} + 2𝐻_{2} 𝑂 → 𝑀𝑔𝐶𝑙_{2} • 𝐻_{2} 𝑂

Anaerobt miljø

Vand (H O) indeholder oxygen (O). Hvis man ønsker at fjerne dette oxygen kan man koge det (100

2 2 o

C). Når vandet koges, fordamper vandmolekylerne som gasser. Når disse gasser frigives, frigives samtidig også det oxygen, der befandt sig i vandet. Det kogte vand indeholder nu ikke noget oxygen, men kommer det i forbindelse med oxygen igen, vil det ikke blive ved med at være anaerobt.

Formål

Forsøgets formål er at påvise hvilke forhold, der skal være til stede, for at jern kan korrodere.

Samtidig undersøges der, hvilke faktorer der skal være til stede for at forhindre rustdannelser.

Forsøgsbeskrivelse

Forsøg 1: I dette forsøg er formålet at påvise, at jern ikke kan ruste, når der kun er oxygen (O)

2 tilstede. Reagensglasset, med prop, indeholder et søm og saltet natriumchlorid (NaCl). Formålet er her at binde alle vandmolekylerne, således at jernsømmet ikke er i kontakt med vand (H O) og dermed

2 ikke ruster.

Forsøg 2: Formålet med dette forsøg er at undersøge, om et jernsøm kan ruste blot ved at ligge i atmosfærisk luft, helt an på luftfugtigheden. Dette forsøg består derfor blot af et jernsøm i et reagensglas.

Side 5

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 5 af side 10

Forsøg 3: Formålet ved dette forsøg er at påvise, at jern ikke ruster, når kun den ene af de to faktorer, der danner rust er til stede. Reagensglasset, også med prop, indeholder et søm og er fyldt helt op med kogt vand.

Forsøg 4: I dette forsøg påvises at ved tilstedeværelse af begge faktorer, vand (H O) og oxygen (O), vil

2 2 der forekomme dannelse af rust. Reagensglasset indeholder et søm, og er halvt fyldt med vand, således at den ene halvdel af sømmet er over vandoverfladen og den anden halvdel er under vandoverfladen.

Forsøg 5: Ved dette forsøg undersøges, hvorledes og om et offermetal virker. Der er viklet 50 cm.

kobbertråd, stramt og fast, om sømmet. Ud over at reagensglasset indeholder sømmet med kobbertråd, er det halvt fyldt med vand. Vandoverfladen skal befinde sig i det område med kobbertråden, fordi der ved overfladen vil være størst sandsynlighed for rustdannelse.

Hypoteser

Skema1 (opstillede hypoteser):

Forsøg

Hypotese

Forsøg 1

Saltet (NaCl) vil binde de vandmolekyler (H

2

O) der befinder sig i luften. Dermed er kun den ene faktor (O

2

) tilstede og der vil derfor ikke forekomme nogen rustdannelse.

Forsøg 2 Jernsømmet vil ruste, da sømmet er i kontakt med både vand

(H O) og oxygen (O) fra den atmosfæriske luft.

2 2

Forsøg 3 Der vil ikke forekomme rustdannelser, da kun den ene faktor

(H O) er til stede.

2

Side 6

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 6 af side 10

Forsøg 4 Da begge faktorer er til stede, vand (H O) og oxygen (O), vil

2 2 jernsømmet derfor ruste.

Forsøg 5

Selv om begge faktorer, vand (H

2 2

O) og oxygen (O

), er til stede i dette forsøg, vil der ikke dannes rust, da kobberet virker som offermetal og dermed forhindre korrosionen af jernsømmet.

Materialeliste

I materialelisten herunder er der taget højde for kontrolforsøgene. Antallet af materialer svare derfor til forsøgene inklusiv kontrolforsøg: o 10 reagensglas o 10 jernsøm o 4 propper til reagensglassene o 1 m. kobbertråd.

o 1. tsk. NaCl (almindeligt køkkensalt) o Kogt vand til at fylde to reagensglas helt.

o Vand, så 4 andre reagensglas kan fyldes halv.

o Lidt sandpapir

Fremgangsmåde

Der opstilles fem forsøg. Alle forsøgene udføres to gange, for også at have et kontrolforsøg:

- Forarbejde: o Alle jernsømmene slibes grundigt med sandpapir for at få de rustdannelser af, der eventuelt kan være i forvejen.

- Forsøg 1: o Der hældes ½ tsk. NaCl i det første reagensglas.

o Der efter lægges et jernsøm i, og der sættes prop på reagensglasset.

- Forsøg 2: o I reagensglas nummer to lægges blot et jernsøm.

Side 7

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 7 af side 10

- Forsøg 3: o En smule vand koges – men nok til at fylde et reagensglas helt.

o Et nyt søm lægges i et tredje reagensglas.

o Det kogende vand hældes ned i reagensglasset, og der sættes hurtigt prop på

(OBS! Reagensglasset bliver varmt at holde på, når det fyldes med kogende vand, så sørg for at have en klud eller lignende i nærheden til at vikle om, hvis reagensglasset skal flyttes rundt)

- Forsøg 4: o I det fjerde reagensglas lægges endnu et jernsøm.

o Reagensglasset fyldes med vand, således at kun halvdelen af sømmet er under vand.

- Forsøg 5: o Omkring det femte jernsøm vikles 50 cm kobbertråd fast og stramt.

o Som i forsøg 4 fyldes reagensglasset med vand, således at kun halvdelen af sømmet er under vand, men sørg for at vandoverfladen er der, hvor kobbertråden er viklet om.

- Lad forsøget stå i 4 dage, hvorefter resultaterne aflæses.

Resultater

Skema2 (resultatskema):

Forsøg: Betragtning: Resultat:

Forsøg 1 Ingen rustdannelse

Ikke noget iøjnefaldende, det ser ikke ud til, at der er forekommet nogen reaktion.

Kontrolforsøget er magen til.

Forsøg 2 Ingen rustdannelse

Heller ikke noget iøjnefaldende, og heller ikke her ser det ud som om, der er forekommet nogen reaktion.

Kontrolforsøget er magen til.

Forsøg 3 Korrosion af jernsømmet

En del rustdannelse, vandet var temmelig grumset.

Af kontrolforsøget kan samme resultat aflæses.

Forsøg 4 Korrosion af jernsømmet

Meget rustdannelse, især ved sømmet i vandoverfladen

Betragtningen af kontrolforsøget er magen til.

Forsøg 5

Jernsømmet så ud til at være rustet, der hvor kobbertråden ikke var viklet omkring. Under kobbertråden var der ingen rustdannelse. korrosion af sømmet.

Kontrolforsøget viser samme resultat.

Ingen rustdannelse /

Side 8

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 8 af side 10

Fejlkilder

Ikke alle resultater stemmer overens med hverken teorier eller hypoteser. Herunder nævnes nogle af de fejlkilder, der muligvis kan ligge til grund for de misvisende resultater: o I forsøg 2 var der forventet rustdannelse. Dette skete dog ikke, selv om der var fri adgang til både oxygen (O) og vand (H O) fra atmosfæren. Det kan tænkes, at forsøget skulle have brugt

2 2 længere tid til at reagere i, før der var forekommet noget synligt resultat. Det kan også tænkes, at luftfugtigheden ikke var særlig høj den dag forsøget blev udført (det skulle vi selvfølgelig have undersøgt, og aflæst inden forsøget).

o I forsøg 3 var der ikke forventet rustdannelse, da det var meningen, at der skulle have været dannet et anaerobt miljø. Der må dog alligevel have været oxygen (O

2

) til stede, da jernsømmet er rustet alligevel. Vi kogte vandet i en almindelig elkedel. Elkedler stopper ofte opvarmningen, lige når de når kogepunktet. Hvis vi i stedet havde lade vandet koge i en gryde i længere tid, kunne man forestille sig at en større del af oxygenet (O

2

) var blevet frigivet, således at jernsømmet ikke var rustet.

o En anden fejlkilde til at der er blevet dannet rust i forsøg 3, kunne være at proppen på reagensglasset måske ikke har lukket helt tæt.

Diskussion

Ved forsøg 1 lød hypotesen på, at der ikke ville forekomme nogen rustdannelse, hvilket der heller ikke gjorde. Men dette skyldes måske mere en tilfældighed end et vellykket forsøg. Vi har anvendt natriumchlorid (NaCl) for at binde vandmolekylerne i luften. NaCl binder dog imidlertid ikke

Side 9

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 9 af side 10 vandmolekyler – vi har altså anvendt et forkert salt til dette forsøg. I stedet skulle vi have anvendt magnesiumchlorid (MgCl) eller silikat (SiO), der netop binder vandmolekylerne.

2 4

Resultatet af forsøg 2 stemte ikke overens med hypotesen. Det forventede var, at der ville dannes rust, da jernsømmet var i kontakt med vand (H

2 2

O) og oxygen (O

) fra atmosfæren. At hypotese og resultat ikke passede med hinanden, kan måske skyldes at reaktionstiden for forsøget ikke var lang nok. Hvis vi havde ladet forsøget stå længere tid, ville vi måske have fået et resultat, der stemte med hypotesen.

Vi burde have målt luftfugtigheden inden forsøget, men dette fik vi ikke gjort. Hvis vi går ud fra, at luftfugtigheden var nogenlunde gennemsnitlig denne dag, kan det konstateres, at et jernsøm ikke ruster ved kontakt med atmosfærisk luft i løbet af få dage. Sømmet ville muligvis begynde at korrodere, hvis vi lod det ligge i meget længere tid.

Heller ikke i forsøg 3 stemte hypotesen og resultatet overens. Formålet var at skabe et anaerobt miljø, for på denne måde at påvise at jern ikke korrodere, når det kun er i kontakt med vand (H O). Desværre

2 var jernsømmet meget rustent, og derfor må der ifølge teorien have været oxygen (O) til stede

2 alligevel. Som jeg skriver i afsnittet med fejlkilder, kunne dette sandsynligvis skyldes at en elkedel stopper med opvarmningen, så snart vandet koger. Derfor er alt oxygen (O) måske ikke blevet

2 frigivet. Ellers kunne det tænkes, at proppen til reagensglasset ikke havde været helt tæt lukkende og der derved er der kommet oxygen til – men jeg tror dog nærmere, at det er elkedlen, der kan ligge til grund for dette.

Hypotese og resultat for forsøg 4 passede fint på hinanden. Der var forventet rustdannelse, da både oxygen (O) og vand (H O) var til stede. Sømmet i reagensglasset var også meget rustent – især

2 2 omkring sømmet i vandoverfladen, men det er jo også netop her, at der er størst tilgang til begge faktorer.

I hypotesen til forsøg 5 forventedes det, at der ikke ville dannes rust, da offermetallet ville forhindre dette. I forsøget var der heller ikke dannet rust, der hvor kobbertråden havde været viklet om jernsømmet. Der hvor kobbertråden ikke havde dækket sømmet, var der til gengæld en stor forekomst af rust. Og selvom hypotese og resultat passer på hinanden, skyldes dette sandsynligvis, lige som i forsøg 1, at resultatet er mere baseret på held og tilfældighed end noget vellykket forsøg. Kobber (Cu) kan ikke anvendes som offermetal, da det står til højre for jern (Fe) i spændingsrækken - kobber fremmer ligefrem korrosionen af jernsømmet. I stedet for kobber kunne vi have f.eks. have anvendt metallerne magnesium (Mg) eller zink (Zn), da de står til venstre for jern (Fe) i spændingsrækken, og derfor nemmere afgiver deres elektroner.

Side 10

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 10 af side 10

Konklusion

Af forsøgene ønskede vi at påvise, hvilke forhold der skulle være til stede, for at jern korroderer.

Derudover skulle det undersøges, hvilke faktorer der kunne forhindre denne korrosion af jernet.

At jern korrodere ved kontakt med både oxygen (O

2 2

) og vand (H

O) kan konkluderes ud fra forsøg 4, da der i dette forsøg forekommer rustdannelse.

At jern ikke korroderer ved kun den ene faktors tilstedeværelse, lykkedes os ikke at påvise, da begge disse forsøg mislykkedes. I forsøg 1 anvendte vi det forkerte salt (NaCl). Dette salt har ikke haft nogen indvirkning på resultatet, så derfor er der muligvis foregået den samme reaktion i forsøg 1 som i forsøg 2. Modsat forsøg 1 skulle forsøg 3 påvise, at jern ikke korroderer kun ved vands (H O)

2 tilstedeværelse. Her var resultatet dog uventet rustdannelse. Ud fra disse forsøg kan vi derfor ikke konkludere, at jern ikke korrodere ved kontakt med kun den ene faktor, selv om det er det teorien beskriver.

I forsøg 2 dannes der ikke rust, hvilket var modstridende i forhold til hypotesen. Af dette kan der derfor konkluderes, at et jernsøm ikke ruster af at være i kontakt med atmosfærisk luft inden for kortere tid (4 dage).

Den sidste ting vi ønskede at påvise med dette forsøg var, at et offermetal kan beskytte jernet, så det ikke korrodere. Men heller ikke dette lykkedes os at påvise, da vi her anvendt et forkert metal som offermetal. Vi anvendte nemlig kobber, som fremmer korrosionen af jern og ikke forhindrer den. Også her har vi derfor kun teorien at forholde os til.

Perspektivering

Det udførte forsøg kan forbedres en hel del. Det ville være en god ide at sætte sig bedre ind i teorien, således at man ikke begår den fejl at anvende forkerte materialer.

Hvis forsøget skulle udføres endnu engang, ville det være klogt at ændre følgende for at få knap så misvisende resultater: o I forsøg 1 bør der ikke anvendes natriumchlorid (NaCl) for at binde de vandmolekyler (H

2

O), der befinder sig i den atmosfæriske luft. I stedet bør salte som magnesiumchlorid

(MgCl) eller silikat (SiO) anvendes, da de binder

2 4 vandmolekyler, hvilket natriumchlorid (NaCl) ikke gør.

o Det vand, der koges til forsøg 3, bør ikke koges i en elkedel.

Men bør koges i en gryde i længere tid, da dette sandsynligvis gør, at mere af den oxygen (O) der befinder

2 sig i vandet frigives og derved vil chancen for at skabe et anaerobt miljø være større.

o I forsøg 5 bør kobber ikke benyttes som offermetal, da dette ikke forhindrer rustdannelse, men tvært imod fremme den. I

Side 11

, 2.V

Kemi A – HTX SUKKERTOPPEN VALBY

September 2009

Side 11 af side 10 stedet kunne magnesium (Mg) eller zink (Zn) anvendes, da disse metaller er mere elektropositive end jern (Fe).