Hans Vanhoe Katrien Strubbe Universiteit Gent SLO Chemie
advertisement
Chemie in druppels Hans Vanhoe Katrien Strubbe Universiteit Gent SLO Chemie 3 Spanningsreeks der metalen Wanneer twee verschillende metalen aan elkaar gekoppeld zijn en ondergedompeld in een neutraal elektrolyt, zal het ene metaal geoxideerd worden en het andere niet. Men noemt dit proces galvanische corrosie. Welk metaal geoxideerd wordt hangt af van de relatieve plaats in de zogenaamde spanningsreeks. Dit is een rangschikking van de metalen volgens hun oxiderend vermogen. Hierbij zal het metaal dat het meest links in de spanningsreeks gerangschikt staat het vlugst geoxideerd worden. De kennis van deze spanningsreeks is van groot belang en wordt in de maatschappij veelvuldig toegepast, o.a. bij het leggen van sanitaire leidingen, bij het beschermen van boorplatformen in bijvoorbeeld de Noordzee, het beschermen van staal tegen roesten, … Naargelang de waarde van de normpotentiaal worden metalen soms ingedeeld in “edele” en “nietedele” metalen. De spanningsreeks der metalen is K Ba Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au De metalen tot en met Pb zijn onedel. De metalen van Cu tot Hg zijn half-edel. De metalen Pt en Au zijn edel. Of een metaal al of niet wordt aangetast door een zure oplossing hangt in principe ook af van de zuurgraad van de oplossing. Lood wordt bijvoorbeeld wel aangetast door een zure oplossing met pH 1, maar reageert niet in een oplossing met pH 5. De aantasting van een metaal door zuur zal ook afhangen van aspecten zoals de snelheid van de reactie en de eventuele aanwezigheid van een oxidelaagje op het metaal. In bijlage 5 wordt de galvanische corrosie in waterleidingen besproken, bijlage 6 bespreekt het verband tussen de normpotentiaal van metalen en hun voorkomen op aarde. 3.1 Proeven 3.1.1 Spanningsreeks der metalen Hypothesetoetsend onderzoek Onderzoeksvaardigheden: - opstellen hypothese - opstellen onderzoeksplan - uitvoeren: nauwkeurig en zorgvuldig werken, observeren, analyse, besluit, rapporteren - reflectie: vergelijken resultaten en besluit met gestelde hypothese en met literatuurgegevens Doel: bepalen van de relatieve plaats van verschillende metalen en waterstofgas in de spanningsreeks. Onderzoeksvraag: wat is de relatieve plaats van volgende metalen: …… in de spanningsreeks? Opdracht Lees bijlage 5. Geef de rangschikking die je verwacht op basis van de teksten die je hebt gelezen. Bedenk een plan om experimenteel na te gaan hoe je kunt achterhalen of je rangschikking correct is. Leg dit voor aan je leerkracht en voer je experiment uit. Trek op basis van je resultaat een besluit. Zoek naar bronnen om je resultaat te controleren. Was je voorspelling correct? Maak een verslag, vergeet niet de reacties te noteren en een antwoord te formuleren op de opgegeven vraag. Beschikbaar materiaal: Druppelflesjes met: - 0,5 mol/L CuSO4 (aq) - 0,5 mol/L ZnSO4 (aq) - 0,5 mol/L FeSO4 (aq) - 0,5 mol/L MgSO4 (aq) Vaste metalen - Koper - Zink - IJzer - Magnesium Glazen roerstaaf Papieren doekjes (om op te ruimen) Insteekhoesje met inlegblad 3.1.2 Edele en onedele metalen Hypothesetoetsend onderzoek Onderzoeksvaardigheden: - opstellen onderzoeksvraag - opstellen hypothese - opstellen onderzoeksplan - uitvoeren: nauwkeurig en zorgvuldig werken, observeren, analyse, besluit, rapporteren - reflectie: vergelijken resultaten en besluit met gestelde hypothese en met literatuurgegevens Doel: bepalen van de relatieve plaats van verschillende metalen t.o.v. waterstofgas in de spanningsreeks. Situering Naargelang het voorkomen van metalen in de natuur werden ze vroeger onderverdeeld in “edele” (worden in ongebonden toestand teruggevonden) en “onedele” metalen (komen voor in gebonden toestand). Sommige metalen die zowel in gedegen toestand maar dikwijls in ertsen worden teruggevonden werden als halfedele metalen bestempeld. Deze verdeling in edele, onedele en halfedele metalen kan gekoppeld worden aan de relatieve plaats van de stof in de spanningsreeks ten opzichte van het redoxkoppel H+/H2: onedele metalen staan links van waterstof en edele metalen staan rechts. In dit experiment ga je na waar de verschillende metalen van daarnet zich situeren in de spanningsreeks ten opzichte van waterstof. Je krijgt hiervoor, naast de metalen zelf, een oplossing van 1 mol/L H2SO4 ter beschikking. Opdracht Lees bijlage 6. Formuleer een onderzoeksvraag voor deze proef. Geef de rangschikking die je verwacht op basis van de gelezen tekst. Bedenk een plan om experimenteel na te gaan of je rangschikking correct is. Leg dit voor aan je leerkracht en voer je experiment uit. Trek een besluit uit je resultaten. Zoek naar bronnen om je besluit te controleren. Was je voorspelling correct? Maak een verslag met hierin het antwoord op je onderzoeksvraag. Inlegblad spanningsreeks Bijlage 1: Corrosie in sanitaire leidingen van gegalvaniseerd staal In sanitaire installaties worden nog regelmatig metalen leidingen gebruikt. Deze worden niet zelden aangetast door corrosie, ten gevolge van foutieve beslissingen met betrekking tot de opvatting van de constructie, de materiaalkeuze en het gebruik of onderhoud van de installatie. In dit artikel zullen wij trachten een overzicht te bieden van de meest voorkomende corrosiegevallen in sanitaire installaties uit gegalvaniseerd staal. Stalen leidingen kunnen enkel voor sanitaire toepassingen gebruikt worden indien deze voorzien zijn van een zinklaag. Onbeschermd staal dat in contact komt met zuurstofrijk water is immers heel snel onderhevig aan roest. Vermits zink de ideale partner is in de strijd tegen staalcorrosie, werd in de Belgische norm NBN EN 10240 in deze optiek dan ook een minimale galvanisatiedikte opgenomen. Met het oog op de vorming van de complexe beschermende patinalaag uit zinkoxides en zinkhydroxides (pentazinkhydroxycarbonaat) op de interne buiswand, is de samenstelling van het verdeelde water van primordiaal belang. Indien zich bij de ingebruikname van de sanitaire installatie ongunstige omstandigheden voordoen, zorgt het gevormde zinklaagje voor de kathodische bescherming van het staal. Deze opofferingsbescherming komt tot stand doordat het zink (onedel) gemakkelijker oxideerbaar is dan het staal (edel). Aangezien dit mechanisme impliceert dat het zink gedeeltelijk opgelost wordt, is het essentieel om deze kathodische bescherming in de tijd te beperken. Zo niet zal het staal beginnen corroderen, waardoor het water rood zal kleuren. In 2004 verscheen de Europese normenreeks EN 12502 inzake de bescherming van metalen tegen corrosie, die sinds januari 2005 de status van een Belgische norm heeft. Hierin worden de diverse corrosiefactoren (bv. de materiaaleigenschappen, de waterkwaliteit, het ontwerp, de ingebruikname, het onderhoud en de werking van de installatie), alsook de verschillende corrosievormen uit de doeken gedaan. Corrosie door de vorming van een galvanisch koppel Aanbevolen plaatsing bij gebruik van koperen en gegalvaniseerde leidingen in eenzelfde sanitaire installatie. Er kan ook corrosie ontstaan door de aanwezigheid van koperen elementen in een installatie met verzinkte leidingen. Daarom dient men er bij de uitvoering van gemengde sanitaire installaties (uit verzinkt staal en koper) over te waken dat het koper altijd stroomafwaarts van het verzinkte staal wordt geplaatst. De kans op corrosie door de vorming van een ‘galvanisch koppel’ is immers enkel reëel wanneer het water vanuit een leiding uit een edel materiaal (koper) in een leiding uit een minder edel materiaal (verzinkt staal) terechtkomt. Dit betekent dat het gebruik van koperen leidingstukken in een gesloten circuit met een retourleiding uitgesloten is. In deze context willen we er tevens op wijzen dat het een misvatting is te denken dat de plaatsing van een isolatiemof tussen het verzinkte staal en het koper voornoemde galvanische corrosie zou verhelpen. Het voorzien van een dergelijk isolerend tussenstuk wordt enkel aangeraden om contactcorrosie te vermijden op de plaats waar beide metalen met elkaar in verbinding staan. In sanitaire installaties waarbij er koperen leidingen aanwezig zijn vóór de verzinkte leidingen, zal deze isolatiemof daarentegen geen enkele invloed hebben op de galvanische corrosie van het staal. http://www.wtcb.be/homepage/index.cfm?cat=publications&sub=bbri-contact&pag=Contact14&art=212 Bijlage 2: Edele en onedele metalen De eerste metalen die door de mens werden gebruikt in toepassingen zijn goud, zilver en lood. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat ze in de natuur in min of meerdere mate als gedegen (in zuivere ongebonden) vorm worden aangetroffen. De oudste gekende zilveren sierraden en schatten zijn ongeveer 6000 jaar oud en werden gevonden in Egyptische en Hittietische graven. Goud is waarschijnlijk het eerste metaal geweest waar de mens bewust mee in aanraking kwam. Men kon het in de vorm van klompjes en riviergoud aantreffen tussen het zand en grind van stromend rivierwater. Door de ongewone en aantrekkelijke kleur, de pletbaarheid en hoge weerstand tegen corrosie werd het vanaf 7000 v.C. reeds gebruikt voor decoratieve doeleinden, lang voordat het gieten of sinteren van metaal was ontwikkeld. Omdat het zacht is, is het niet bruikbaar voor het maken van wapens of werktuigen. Het eerste metaal dat door de mens relatief intens gebruikt werd was koper, dat in klompjes in gesteenten werd aangetroffen. Koper is een zacht metaal, waardoor de prehistorische mens in staat was het in vorm te slaan en aldus te gebruiken in dolken, kleine werktuigen en sierraden. Waarschijnlijk werd het zo’n 10000 jaar geleden voor het eerst gebruikt in Mesopotamië. Al vlug bleek dat bij de vervaardiging en het gebruik van werktuigen het metaal grote voordelen had in vergelijking met hout, been en steen: niet alleen kon het worden vervormd, kapotte voorwerpen konden bovendien worden gerepareerd of hergebruikt voor nieuwe voorwerpen. Het toenemend gebruik ervan door de prehistorische mens leidde tot de kopertijd. Omdat koper relatief zacht is was het echter ongeschikt voor de vervaardiging van zwaardere werktuigen zoals bijvoorbeeld bijlen. Daarna ontdekten de vroege metaalbewerkers dat koper kon worden gemengd met andere metalen en daardoor andere eigenschappen kreeg, het werd o.a. harder. Een dergelijke oplossing van een metaal met een andere vaste stof is een legering. In het geval van koper werd in de prehistorie bij voorkeur het van nature in kopererts aanwezige arseen gebruikt. Nog een tijdje later bleek dat een legering van koper en tin een materiaal, brons genoemd, eigenschappen vertoonde die superieur waren aan die van koper: brons is een taai en corrosiebestendig materiaal dat goed bewerkt kan worden (zo is het gemakkelijker te smelten en te gieten dan koper) en al vlug werd het alom gebruikt om het steen in het paleolithicum te vervangen. De periode in de geschiedenis waarin op grote schaal gebruik bronzen voorwerpen gebruikte, heet traditioneel de bronstijd (ca. 3000 tot 800 v.C.). De bronstijd eindigde rond de achtste eeuw voor Christus, toen de technologie voor de productie van ijzer uit zijn ertsen zich voldoende over Europa had verspreid. In de natuur komen de meeste metalen niet in zuivere vorm voor maar onder de vorm van ertsmineralen, verbindingen tussen het metaal en één of meerdere andere elementen. Voorbeelden zijn mineralen als galeniet (PbS, looderts), sfaleriet (ZnS, zinkerts) en hematiet (Fe2O3, ijzererts). Na de winning van het erts moet het metaal uit een economisch waardeloos residu, dat ganggesteente genoemd wordt en dat mee opgeschept wordt bij de ertswinning, onttrokken worden en moeten de metaalverbindingen gereduceerd worden tot het metaal. Het winnen van metalen uit hun ertsen gebeurt in het metallurgisch proces. Bijlage 3: Koper en roestvast staal Tot zo'n 20 à 25 jaar geleden werden de professionele distilleer- en brouwinstallaties uitsluitend gemaakt uit koper. De koperen glimmende brouwketel met de karakteristieke kap met schoorsteen is zelfs uitgegroeid tot een symbool voor brouwerijen. Voordat koper gebruikt werd maakte men brouwketels van ijzer (staal). Ten opzichte van ijzer heeft koper een aantal voordelen : 1) Het is minder corrosiegevoelig met andere woorden koper roest minder dan ijzer 2) Het heeft een beter warmtegeleidend vermogen 3) Het is makkelijker te verwerken waardoor ingewikkeldere constructies gemaakt kunnen worden. Geen wonder dus dat bijna alle brouwerijen voorzien werden van koperen ketels. Het zal wel voortgekomen zijn uit een soort van minderwaardigheidscomplex maar ik weet dat er in het verleden ijzeren ketels beschilderd zijn met koperverf. De laatste jaren wordt het koper helemaal verdrongen door roestvaststaal (RVS, in België meestal aangeduid met de term INOX). Opgelet hier: het is dus niet zoals velen verkeerdelijk zeggen, roestvrijstaal, maar wel roestvaststaal ! Alle nieuwe installaties zijn van dit laatste materiaal. De redenen daarvoor zijn dat RVS zuurbestendig is, geen invloed heeft op de smaak van het uiteindelijke brouwsel en gemakkelijk schoon te maken is. Gebruik echter geen chloorhoudend middel voor het schoonmaken van RVS omdat chloor ongeveer de enige stof is die RVS aantast. Ondanks het feit dat koper als materiaal voor brouw- en distillatie-installaties heeft afgedaan kun je regelmatig nieuwe brouwinstallaties tegen komen met een koper uiterlijk. Dit is vooral het geval bij de nieuwe kleine huisbrouwerijen waar de installatie te zien is vanuit het horecagedeelte van de brouwerij. Het grote publiek associeert schijnbaar nog steeds koper met ambachtelijk brouwen en het oog wil ook wat. Bij deze installaties is meestal sprake van uiterlijke schijn omdat veel van deze ketels dubbelwandig zijn uitgevoerd. De binnenkant is dan gewoon van RVS (roestvaststaal). Ook andere metalen zoals zink, aluminium, lood en tin komt men hier en daar wel eens tegen als onderdeel of ingaand element. Men moet deze allen aandachtig bekijken en de gevaren ervan zo goed mogelijk inschatten. Bij enige onzekerheid is het best deze metalen te mijden. Koperionen Er is nog een andere reden waarom het koper langzaam maar zeker uit de professionele brouwerijen verdwijnt. Wort is zoals jullie allemaal weten licht zuur. Door deze zure omgeving lossen uit de koperen ketels kleine hoeveelheden koperionen op in het wort of beslag. Ook via de mout komt er in het wort. De aanwezigheid van een kleine hoeveelheid koperionen is helemaal niet verkeerd. Gist heeft zelfs een geringe hoeveelheid koperionen nodig voor de opbouw van nieuwe cellen. Ook hier geldt echter overdaad schaadt. Koper behoort tot de zware metalen en hiervan mag je niet te veel binnen krijgen. Ook de gist legt het loodje bij te veel koper. Het fermenteren (vergisten) van het beslag in koperen ketels is dan ook niet aangeraden en dit zeker niet als het wijn betreft. Vruchten bevatten nl. veel meer zuren dan de mout of wort uit granen en lost dus veel meer koperionen op. Bij het brouwen van bier, of het distilleren van dranken geven relatief hoge koperconcentraties smaakafwijkingen aan de geproduceerde dranken. Het is een bekend verhaal dat sommige brouwerijen of stokerijen die de overstap van koperen naar RVS ketels net hadden uitgevoerd, koperen strips in hun brouw- of stookketels hingen om een al te bruuske smaakverandering te voorkomen. Tijdens het brouw- of distillatieproces zelf, worden slechts zeer kleine hoeveelheden koperionen opgelost. Het komt er hier dan ook alleen op aan, alle toestellen en apparaten zuiver en oxidatievrij te onderhouden wanneer deze niet in bedrijf zijn. Koperoxide en schoonmaken Het laatste punt betreft de vorming van koperoxide. Koper is een halfedelmetaal verwant aan goud en zilver. Zuiver koper is roodachtig. Messing, een legering van koper en zink, heeft een gele kleur. Zoals iedereen in zijn geldbeugel kan zien, krijgen koperen munten na verloop van tijd een bruinachtige kleur. Dit is een gevolg van de vorming van koperoxide. Dit koperoxide heeft een beschermende werking voor verdere corrosie van het koper. Ook wordt kopergroen gevormd. Ook dit is een vorm van koperoxide die alleen ontstaat in een vochtige omgeving. Koperoxide is zeer giftig. Dit komt doordat koperoxide veel makkelijker dan metallisch koper oplost in een zure medium (bv. rabarber...etc). Er komen met andere woorden veel meer koperionen in een korte periode in oplossing. Voor de vorming van kopergroen hoef je niet te vrezen als je je koperen apparatuur in een droge omgeving bewaart. In onze koperen drinkwaterleidingen is er geen gevaar voor interne vorming van dit giftige koperoxide. Deze leidingen zijn steeds gevuld en hierdoor niet blootgesteld aan de zuurstof uit de lucht. Alleen aan de buitenkant van de leidingen kan, meestal aan gesoldeerde of lekkende verbindingen, kopergroen gevormd worden. Trek de lekkende verbindingen aan of hersoldeer en reinig de leiding hierna grondig aan de buitenkant met een schuursponsje en lauw water. De koperen apparatuur wordt best gespoeld met heet water en na afloop, volledig droog op een droge plaats opgeslagen. Best is, de opslagplaats een tiental ºC boven omgevingstemperatuur te houden. Er valt dan nooit vocht uit. De pijp of toestel, wordt dan normaal nooit groen door vorming van koperoxide. Als de bewaaromstandigheden bij jou niet zo goed zijn dan kun je, wanneer de apparatuur een bruine of licht groene aanslag heeft, deze gemakkelijk verwijderen met een citroenzuuroplossing. Dat daarna de onderdelen misschien wat minder glad zijn is volgens mij geen probleem zolang de delen maar proper zijn. Voor het schoonmaken van koperen onderdelen kun je overigens maar beter geen gebruik maken van chloorhoudende schoonmaakmiddelen. Onder invloed van chloor wordt zwart gekleurd koperoxide gevormd. Het is denk ik wel handig om de uiteinden van apparaten zodanig te construeren dat deze gemakkelijk geopend kunnen worden. Mout- of beslagrestanten kunnen dan op eenvoudige wijze weggespoeld en zo nodig met een borsteltje verwijderd worden. Er zijn afsluitstukken met schroefdraad in de handel en je kunt natuurlijk ook gebruik maken van siliconen stoppen (rubberen stoppen zijn temperatuurgevoelig en kunnen smaak afgeven). Spoel alle onderdelen altijd goed uit met water en gebruik dus eventueel een zuuroplossing voor het reinigen . De onderdelen moeten "huishoudschoon" zijn, desinfecteren is volgens mij niet nodig in verband met de hoge temperatuur waarbij een distillatieketel wordt gebruikt. Conclusies Koper is een metaal dat beschikt over een aantal unieke eigenschappen. In het verleden is koper veelvuldig gebruikt voor het vervaardigen van distillatie- en brouwinstallaties. Door de taaiheid en buigzaamheid kunnen er eenvoudig ingewikkelde constructies mee worden gemaakt. Een teveel aan koperionen is echter toxisch voor de gist en de mens. Voor een "goed en gezond" resultaat is het dan ook raadzaam rekening te houden met onderstaande aanbevelingen: 1. Fermenteer (vergisten) of maak nooit een beslag in een koperen, verzinkte of aluminium ketel of marmiet (van Franse "mamite" = kookpot of kookketel). Ook geen houten vaten gebruiken om een beslag te vergisten. 2. Bij het gebruik van een koperen brouw- of distillatieketel, moet je normaal niet bang te zijn voor een te hoge concentratie aan koperionen. Toch is het raadzaam ook hier koper te mijden als het enigszins kan. 3. Koper is niet sterk corrosiegevoelig. Als je koperen brouw- of distillatie-apparatuur droog bewaart hoef je niet bang te zijn voor de vorming van het giftige koperoxide. 4. Gebruik geen chloorhoudende middelen voor het schoonmaken van koper of roestvaststaal maar wel azijnzuur of citroenzuur. 5. Voedsel dat veel koper bevat is o.a.: lever, peulvruchten, noten, rozijnen, granen, schelpdieren en garnalen. Wanneer bv. veel bier wordt geconsumeerd dat gebrouwen is in koperen ketels kun je deze voedingsstoffen best vermijden. Denk hieraan bij het organiseren van feestjes….! 6. Een installatie uit RVS (RoestVastStaal) is beter dan een koperen uitrusting maar wel veel duurder om aan te schaffen. RVS is veel moeilijker bewerkbaar dan koper en vereist een hogere graad van vakmanschap van de zelfbouwer. Bron: http://home.scarlet.be/pedroalco/Technisch/Koper/koper.htm Bijlage 4: Dr. Zeepaard poetst koper Bron: NRC Handelsblad, 7 maart 2010 Bijlage 5: Dr. Zeepaard poetst zilver Bron: NRC Handelsblad, 24 okt 2009
