Oxideringen i luft
Syret i luften reagerar med kopparen i två steg. Först bildas koppar(I)oxid (Cu2O), som är röd:
| 2 Cu(s) |
+ |
O2(g) |
® |
Cu2O(s) |
| koppar
| |
syre
| |
koppar(I)oxid
|
Koppar(I)oxidskiktet märks inte eftersom det är så tunt och dessutom snart reagerar vidare till koppar(II)oxid (CuO), som är svart:
| Cu2O(s) |
+ |
½ O2(g) |
® |
2 CuO(s) |
| koppar(I)oxid
| |
syre
| |
koppar(II)oxid
|
Koppar oxideras inte i torr luft. Även i fuktig luft sker oxidationen långsamt. Om man däremot upphettar kopparen till över 200 °C blir oxidationen ganska snabb. Ytan blir först gulröd av Cu2O och sedan svart av CuO.
Om den fuktiga luften innhåller andra ämnen, som t ex svaveloxider, bildas ett grönt skikt av ärg (patina). Även karbonater och klorider kan bildas [1].
Brytvärda förekomster av koppar i jorskorpan är ofta i form av koppar(I)oxid (Cu2O) och kallas röd kopparmalm eller kuprit.
Oxidskiktets reaktion med syror i allmänhet
Egentligen är syran HA dissocierad (uppdelad) i vattenlösning:
HA ® H+ + A-
När myntet, som har en mörk beläggning av koppar(II)oxid, doppas i syra förväntar man sig följande reaktion:
syra(aq) + CuO(s) ® salt + H2O(l)
Det är vätejonen, H+, som reagerar med oxiden. I princip kan man använda alla syror, men det förutsätter att syran är tillräckligt stark. Ättiksyra, t ex, är för svag för att reaktionen ska ske inom rimlig tid. 1 M svavelsyra, H2SO4, är däremot tillräckligt stark och koncentrerad för att lösa upp oxidskiktet.
Oxidskiktets reaktion med saltsyra
I saltsyra är emellertid situationen lite mer komplicerat än en ren reaktion mellan syra och metalloxid. Vi har en nämligen bildning av ett starkt komplex med klorid [2]:
Cu+ + 2 Cl- ® CuCl2-
Dessutom kan den envärda kopparen disproportioneras [3]:
Cu2+ + Cu(s) « 2 Cu+
Bildningen av CuCl2- driver jämvikten Cu2+ + Cu(s) « 2 Cu+ åt höger och vi får reaktionen:
Cu2+ + Cu(s) + 4 Cl- « 2 CuCl2-
Man kan också skriva reaktionen på följande sätt:
| CuO(s) |
+ |
Cu(s) |
+ |
4 HCl(aq) |
® |
2 H+ |
+ |
2 CuCl2- |
+ |
H2O |
| koppar(II)oxid
| |
koppar
| |
saltsyra
| |
vätejoner
| |
kopparklorid-
komplex
| |
vatten
|
Man kan alltså tacka kloriden för att den driver på reaktionen så kraftigt. I lika koncentrerad svavelsyra, H2SO4, märks knappt någon reaktion alls. Sulfatet, SO42- bildar inte kompelx med koppar på samma sätt som kloriden, Cl-. Observera att slanten förlorar dubbelt så mycket koppar i denna reaktion jämfört med om man endast haft den vanliga reaktionen mellan syra och metalloxid.
Kan man blanda ättika och klorid?
Ja, det kan man! Ättiksyran enbart ger ingen märkbar reaktion och koksaltet är inte heller effektivt. Men tillsammans rår vätejonerna från ättiksyran och kloridjonerna från koksaltet på oxidskiktet.
Oxidskiktets reaktion med citronsyra
Att citronsyra, som är en svag syra, fungerar så pass bra beror till en del på att anjonen, citrat, har förmågan att komplexbinda till flervärda metalljoner. Citratets negativa grupper omfamnar den positiva metalljonen på grund av attraktionen mellan positiva och negativa laddningar. Citratet plockar ivrigt åt sig kopparjonerna, vilket gör att vätejonerna lättare kan reagera med oxiden. Vi har alltså reaktionerna:
citronsyra ® vätejoner + citrat
vätejoner + CuO(s) ® Cu2+ + vatten
citrat + Cu2+ ® kopparcitrat-komplex
Summareaktionen blir:
citronsyra + CuO(s) ® kopparcitrat-komplex + vatten
En syra som liknar citronsyran, ättiksyra, reagerar inte märkbart. Skillnaden är att ättiksyrans negativa jon (anjon), acetat, inte bildar något starkt komplex som hjälper till att driva på reaktionen.
Kan själva kopparen reagera?
Om man tittar på vätets plats i spänningsserien ser man att vätejonen inte kan oxidera kopparen. Kopparen är en ganska ädel metall som inte är så reaktiv.
Däremot kan det vara så att anjonen av syran ger upphov till reaktion. Salpetersyra, HNO3, är en oxiderande syra. Dess anjon, NO3-, är ett oxidationsmedel med tillräcklig styrka att oxidera grundämnet koppar till kopparjoner. Om salpetersyran är tillräckligt koncentrerad så kommer kopparslanten att upplösas helt.
Cu(s) + NO3- ® Cu2+ + nitrösa gaser.
Legeringar med koppar
En legering är en fast lösning av flera ämnen i varandra.
Mässing är en legering mellan koppar och zink. Vanliga är 5-45 vikts-% zink. Om zinkhalten är låg blir färgen mera röd. Med högre zinkhalt ljusnar färgen till "mässingsgul". [1]
Brons är en legering mellan koppar och tenn. Tennhalten kan vara 5-30 vikts-% men är vanligtvis under 10 vikts-%. Brons är ganska hårt och är lätt att smälta och gjuta. [1]
Nysilver (nickelmässing) är en legering som typiskt innehåller 60 vikts-% koppar, 22 vikts-% zink och 18 vikts-% nickel. Nysilvret liknar silver i färgen, men innehåller alltså inget silver. [1]
Kopparslantar är vanligtvis legeringar av flera metaller, där t ex nickel ingår.
Korrosion av koppar i havsvatten
Koppar i havsvatten är utsatt för kraftig korrosion på grund av den närvarande kloriden i koksaltet [4]. Drygt 4 % av havsvattnet är ju koksalt, NaCl. Första reaktionerna är följande:
Cu(s) ® e- + Cu+
Cu+ + Cl-(aq) ® CuCl(s)
Men koppar(I)klorid (CuCl) är inte stabil i luften. När man tar upp föremålen reagerar koppar(I)kloriden med luftens syre (O2) och luftfuktigheten (vatten, H2O) vilket kan leda till bronssjukan. Basisk koppar(II)klorid (CuCl2.3 Cu(OH)2) bildas samtidigt som saltsyra (HCl).
4 CuCl(s) + 4 H2O(l) + O2(g) ® CuCl2.3 Cu(OH)2(s) + 2 HCl(aq)
Saltsyran reagerar sedan vidare med okorroderad kopparmetall under bildning av mera koppar(I)klorid under avgivande av vätgas (H2).
2 Cu(s) + 2 HCl(aq) ® 2 CuCl(s) + H2(g)
På så sätt fortsätter processen till dess all koppar korroderat. För att få stopp på korrosionen måste kloriden avlägsnas, t ex genom reduktion av kopparkloriden med natriumditionit (finns i fläckborttagningsmedlet Remol), som i experimentet "Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi".
|
Introduktion
