Hrđa je najpoznatiji vid hemijske korozije i sa njom se svakodnevno susrećemo. No, šta ustvari znamo o njoj? Znamo vjerovatno da iznervira oca kada nešto kucka po bašti u starim papučama pa slučajno nagazi na hrđav ekser. To znamo jer počne psovati ekser, majka počne psovati njega jer je smotan i jer psuje pred djecom i šalje ga u hitnu da primi tetanus, a on njoj vikne da ne pretjeruje i da mu nije ništa– nije dijete! (Tata inače ne voli ići doktoru, to je za malu djecu.)
Hrđa je prevlaka na površini komada željeza koja se javlja ako je željezo duže vremena izloženo dejstvu zraka ili vode. Ona je spoj željeza, kisika i vode i hemijski se označava formulom: Fe2O3·nH2O. Ona sama (pitajte tatu) nije cool, ali eksperiment koji bi se mogao uraditi u školi jeste.
Eksperiment prvi: kako, gdje i zašto?
Njime možemo pokazati šta uzrokuje hrđanje željeza, tako što ćete željezne eksere izložiti različitim uslovima poput vlage, suše, odsustva zraka i dejstva soli. Ipak, eksperiment ima jedan nedostatak – ne može se uraditi tokom jednog školskog časa. Naime, eksere je u pomenutim uslovima potrebno ostaviti barem tri dana prije nego što budemo mogli uspješno analizirati rezultate eksperimenta. Najbolje je eksperiment pripremiti najednom času, što neće potrajati dugo, a analizu rezultata vršiti narednog časa.
Za eksperiment je potrebno sljedeće:
- Četiri željezna eksera
- Granule bezvodnog kalcijevog hlorida (NAPOMENA: ova supstanca je jak iritans te učenici sa osjetljivom kožom trebaju koristiti zaštitne rukavice)
- Kuhinjsko ulje
- Destilovana voda
- Vrela destilovana voda (koja je vrila otprilike 15 minuta)
- Natrijev hlorid (kuhinjska so)
- Četiri epruvete
- Stalak za epruvete
- Gumeni čep za epruvetu
- Pinceta
- Marker ili nešto slično za označavanje epruveta
- Čista laboratorijska čaša
Postupak:
Najprije je sve četiri epruvete potrebno označiti brojevima (1-4). U približno jednu četvrtinu prve epruvete treba nasuti destilovane vode, zatim pincetom uzeti ekser i ubaciti ga u epruvetu. U drugu isto toliko vrele destilovane vode i, naravno, ubaciti ekser. Nakon toga ćemo po površini vrele vode nasuti malčice ulja i tako spriječiti ostvarenje kontakta između vode i zraka. U laboratorijskoj čaši treba posebno pripremiti otopinu natrijevog hlorida u destilovanoj vodi. Tom otopinom ćemo napuniti jednu četvrtinu treće epruvete i u nju staviti treći ekser. U četvrtu epruvetu ćemo također staviti ekser i napuniti je granuliranim kalcijevim hloridom do visine od otprilike dva centimetra. Ove granule inače apsorbuju vodu, a gumenim čepom ćemo spriječiti dalje prodiranje vlage u epruvetu. Sve treba ostaviti da odstoji barem tri dana, nakon čega ćemo izvršiti analizu rezultata eksperimenta, tako što ćemo uočiti i zabilježiti promjene izgleda eksera.
Na idućem času ćemo vidjeti šta se dogodilo s ekserima. U međuvremenu, pripremili smo tabele:
Broj epruvete: | 1 | 2 | 3 | 4 |
Sadržaj epruvete: | voda i zrak | voda bez zraka | voda, zrak i so | zrak bez vode |
Prisustvo hrđe: | + | - | +++ | - |
Ekseri u epruvetama 2 i 4 nisu zahrđali, dok ekser u epruveti broj 3 pokazuje najveće promjene po pitanju izgleda. U epruveti 2 imamo vodu, ali ne i zrak koji je odstranjen ključanjem (ulje je spriječilo da dodatna količina zraka dođe do eksera). U epruveti broj 4 imamo samo zrak, jer je kalcijev hlorid odstranio svu vlagu iz okoline, a čep spriječio njen dalji ulazaku epruvetu.
Na osnovu ovoga, zaključujemo da su voda i zrak, odnosno kisik iz zraka, esencijalni za odvijanje procesa hrđanja. Također i da soli pojačavaju intenzitet hrđanja. Dakle, hrđanje je reakcija željeza sa kisikom, ali voda također igra bitnu ulogu, dok rastvor soli ubrzava odvijanje reakcije.
Šta da radimo s ovim zaključkom?
Naprimjer, otvorimo diskusiju o prevenciji hrđe. Čemu služi boja? Ne samo ljepoti, nego ona (i drugi pokrivni premazi) štite metalne materijale od hrđe tako što sprečavaju utjecaj vode i zraka, što je sigurno korisno u svakodnevnici. Osim toga, ovaj uvodni eksperiment svakako nam ostavlja prostora za neke nove. Potrebna je, prije svega, spremnost inešto kreativnosti.
Eksperiment drugi: koliko zraka potroši hrđanje?
Ni ovaj eksperiment se ne može odraditi tokom jednog školskog časa, jer je potrebno proći barem sedam dana između dva mjerenja. Što se tiče praktičnog dijela izvođenja eksperimenta, on od oba časa ne bi trebao oduzeti više od 20 minuta.
Potrebni su nam:
- Čelična vuna
- Epruveta (NAPOMENA: hrđa može ostaviti tvrdokorne mrlje na dnu epruvete, koje je dosta teško odstraniti)
- Laboratorijska čaša (100 mL)
- Linijar
Postupak:
U epruvetu stavimo nešto čelične vune (približno do tri centimetra visine) i nakvasimo je vodom. Višak vode odlijemo. U laboratorijsku čašu treba nasuti 20 mililitara vode, a kasnije u nju staviti naopako okrenutu epruvetu – sa otvorom u čaši. Linijarom izmjerimo visinu zraka u epruveti, između vode i čelične vune. Mjerenje možemo ponoviti nakon što prođe najmanje sedam dana, ali moramo povesti računa o tome da tokom mjerenja ne dižemo epruvetu iz vode.
S obzirom da čelična vuna reaguje sa kisikom i odstranjuje ga iz zraka, voda se penje uz stijenke epruvete, a mi posmatramo smanjenje volumena zraka u epruveti koje se desilo tokom sedam dana. Pomoću ova dva mjerenja možemo izračunati postotak zraka koji se potrošio za vrijeme trajanja reakcije hrđanja.
Izračunati postotak bi trebao iznositi oko 20%, jer je otprilike toliki sadržaj kisika u zraku. Znamo da je reakcija završena jer se daljim stajanjem ne bi ništa više dogodilo, što nam ukazuje na to da je potrošen sav kisik iz zraka. Kako nam je željezo ovdje u višku, sva vuna naravno neće zahrđati.
Šta je sa ostalim metalima?
Neki metali korodiraju, a neki ne. Znamo da postoje metali koje nazivamo plemenitim i znam da vam odmah na um padaju zlato, srebro i platina. Oni su jako lijepog izgleda i skupocjeni su jer su otporni na koroziju. Takozvani poluplemeniti metali su jeftiniji i manje otporni na koroziju. Takav je, naprimjer, bakar. Znamo da bakar vremenom poprimi zelenkastu bojuako stoji na zraku duže vremena. Na njemu se stvara sloj patine. Patina je drugačija od hrđe na željezu, drugog je hemijskog sastava i nastaje zbog drugih hemijskih reakcija i, što je najbitnije, štiti bakar od daljeg neželjenog trošenja.
Sa kisikom reaguju i neki metali koji ne spadaju ni u plemenite ni u poluplemenite – aluminij, cink i olovo, naprimjer. Na njima se također stvara zaštitni korozivni sloj. Ovakvu koroziju nazivamo površinskom iako se ona u biti i dalje odvija, samo sporo i neznatno. Sprečavanjem stvaranja zaštitnih prevlaka ubrzali bismo proces hrđanja ovih metala.
S druge strane, hrđa nije zaštitna i ne sprečava propadanje ogromnih količina željeza iz godine u godinu. Također, iz godine u godinu se dosta novca ulaže u zaštitu od hrđe. Uprkos tome, željezo se najviše koristi jer je jeftino, pristupačno, lako se proizvodi i ima sjajne mehaničke karakteristike. Najveća konkurencija mu je aluminij, koji je još pristupačniji jer ga je više u Zemljinoj kori i gotovo ne korodira, ali je nešto skuplji, mekši i dosta se teže vari.
Pošto u dogledno vrijeme željezo neće naći dostojnu zamjenu, tati treba savjetovati da ne hoda u papučama po bašti koju je vrijeme zasijalo hrđavim ekserima. Tako će najbolje dokazati da nije dijete i da ne mora ići doktoru.
