Aktywność chemiczna miedzi: patynowanie

Aktywność chemiczna

Metale można uszeregować według ich aktywności chemicznej. Niektóre są bardzo aktywne, jak np. sód, który w zetknięciu z wodą reaguje gwałtownie, prawie wybuchowo. Inne, jak złoto, są tak dalece nieaktywne, że nawet zakopane na tysiące lat pozostają niezmienione. Miedź znajduje się u dołu tej skali – reaguje, lecz wolno. Ta właśnie niska aktywność, w połączeniu z kowalnością, czyni z niej idealny materiał do zastosowań w architekturze. Można z niej przez wycinanie lub młotkowanie, tworzyć dekoracyjne formy, które z czasem pokryją się bladoniebieską ochronną powłoką soli miedzi, zwaną patyną. Uwaga: nie należy mylić patyny z grynszpanem– którą to nazwą określa się zielone wykończenie przez traktowanie kwasem octowym, w wyniku czego powstaje octan miedziowy. Grynszpan jest rozpuszczalny i nie jest tak trwały, jak patyna.

Royal Observatory Edinburgh domes before restoration(Dzięki uprzejmości Królewskiego Obserwatorium Astronomicznego w Edynburgu)

Royal Observatory Edinburgh after restorationOdnowione kopuły ukazują nową miedź, która dopiero po wielu dekadach pokryje się patyną. (Dzięki uprzejmości Królewskiego Obserwatorium Astronomicznego w Edynburgu)

Royal Observatory Edinburgh DomeWidok z wnętrza kopuły ukazuje, jak cienka jest ta konstrukcja (Dzięki uprzejmości Eric Begbie)

Budynek Królewskiego Obserwatorium Astronomicznego w Edynburgu posiada dwie kopuły. Zdjęcie zostało wykonane przed odnową w 2010 r. Miedziana okładzina jest pokryta warstwą zielonej patyny, która formowała się od czasu wybudowania kopuł w 1894 r. Patynę tworzą sole miedzi, które są nieaktywne chemicznie i chronią miedź przed dalszą korozją.

Kopuły te są lekkimi konstrukcjami, które obracają się na kołowej szynie, co umożliwia skierowanie teleskopu w dowolnym kierunku poprzez otwierany przesuwnie panel. Kopuły są także narażone na silne wiatry.

Jednak, to nie korozja miedzi stanowiła problem. Przez ponad stulecie, cienkie konstrukcje kopuł podlegały wstrząsom i uderzeniom wiatru i po prostu rozpadły się.

The Statue of Liberty's copper plates(Dzięki uprzejmości National Parks)

Ta słynna statua, właściwie w ogóle nie skorodowała. Jest prawie w tym samym wieku, co obserwatorium. Miedziane blachy widoczne na zdjęciu mają grubość tylko 2,5 mm i od 1886 r. utraciły z grubości zaledwie 0,1 mm.

Copper Box London Olympic Park(Courtesy of Make Architects.)

Hala sportowa Copper Box w londyńskim parku olimpijskim jest pokryta 3000 m2 miedzianej blachy, wstępnie oksydowanej przez producenta. Czekoladowo-brązowa warstwa tlenku przyspiesza proces patynowania i stwarza architektom możliwość wyboru innej barwy niż nowa lśniąca miedź. Ostatecznie na warstwie tlenku pojawi się cienka zielona warstwa złożona z różnych soli miedzi. Zajmie to około dwadzieścia, lub więcej, lat.

Colonne de Juillet(Wikimedia Commons.)

Szczyt Kolumny Lipcowej na Placu Bastylii w Paryżu. Pomnik jest wykonany z brązu (stopu miedzi i cyny), ale brązowa figura na szczycie – Duch Wolności, jest pozłacana płatkami złota.

Chemia patynowania

Pierwszą fazą powstawania patyny jest utlenianie, podczas którego tworzy się tlenek miedzi(I) (Cu2O) o czerwonym lub różowym zabarwieniu, gdy atomy miedzi reagują z molekułami tlenu z powietrza (równanie 1). Tlenek miedzi(I) utlenia się następnie do tlenku miedzi(II) (CuO), o czarnym kolorze (równanie 2). Jeżeli powietrze jest zanieczyszczone siarką, pochodzącą np. ze spalania paliw kopalnych, to tworzy się także siarczek miedzi(II) (CuS) (równanie 3).

Równanie 1: 4Cu + O2 → 2Cu2O
Równanie 2: 2Cu2O + O2 → 4CuO
Równanie 3 Cu + S → CuS

Z upływem lat, CuO i CuS powoli reagują z dwutlenkiem węgla (CO2) oraz z jonami wodorotlenkowymi (OH-) pochodzącymi z wody zawartej w powietrzu, w wyniku czego powstają: Cu2CO3(OH)2 (równanie 4) , Cu3(CO3)2(OH)2 (równanie 5) i Cu4SO4(OH)6 (równanie 6), które tworzą patynę. Stopień wilgotności powietrza i poziom zanieczyszczeń związanych z zawartością siarki, mają istotny wpływ na szybkość powstawania patyny, jak również na proporcję tych trzech składników.

Równanie 4: 2CuO + CO2 + H2O → Cu2CO3(OH)2
Równanie 5: 3CuO + 2CO2 + H2O → Cu3(CO3)2(OH)2
Równanie 6: 4CuO + SO3 + 3H2O → Cu4SO4(OH)6

Pytania i Działania

1. Które metale nie reagują z tlenem lub wodą, a zatem nie tworzą patyny?

2. Czy złoto jest używane na zewnątrz budynku?

3. Dowiedz się, który najbardziej aktywny metal może być użyty jako materiał do pokrycia dachu.

4. Patyna na budynkach położonych w bliskości morza zawiera chlorek miedzi jak również węglan miedzi i siarczan miedzi. Co jest tego przyczyną?

Odpowiedzi

1. Które metale nie reagują z tlenem lub wodą, a zatem nie tworzą patyny?

Patyna nie tworzy się na złocie i platynie. Na srebrze powstają zaczernienia, ale jest to nalot korozyjny (tlenkowy lub siarczkowy).

2. Czy złoto jest używane na zewnątrz budynku?

Tak. Jest używane w postaci folii (tzw. “płatków złota”) w celu uzyskania atrakcyjnego wykończenia, zazwyczaj na kopułach lub posągach.

3. Dowiedz się, który najbardziej aktywny metal może być użyty jako materiał do pokrycia dachu.

Do krycia dachów używany jest cynk. Odznacza się matowym, szarym, niezbyt przyjemnym kolorem. Jest głównie stosowany w budownictwie przemysłowym.

4. Patyna na budynkach położonych w bliskości morza zawiera chlorek miedzi jak również węglan miedzi i siarczan miedzi. Co jest tego przyczyną?

Chlorek sodu zawarty w morskiej wodzie wywołuje reakcję w wyniku, której powstaje chlorek miedzi.