Co łączy prąd elektryczny i chemię?
W życiu codziennym bardzo często mamy do czynienia ze zjawiskami z zakresu elektrochemii, chociaż nie zawsze o tym wiemy. Elektrochemia jest dziedziną nauki, badającą zjawiska chemiczne, którym towarzyszy przepływ prądu. Dzięki jej rozwojowi możemy korzystać m.in. z różnych rodzajów baterii i akumulatorów, tworzyć atrakcyjne powłoki chromowe, uzyskiwać i oczyszczać niektóre metale, produkować gazy, takie jak tlen lub wodór, czy stosować zabiegi wykorzystujące prąd elektryczny do wprowadzania substancji aktywnych w głębsze warstwy skóry. Elektrochemia bada też zjawiska towarzyszące np. powstawaniu rdzy.
Czym różni się bateria od akumulatora?
Chyba każdy z nas ma w domu baterie. Ale skąd tak naprawdę bierze się w nich prąd? Baterie przechowują energię w sposób chemiczny i nie wymagają wcześniejszego ładowania. Energia elektryczna jest wytwarzana w wyniku zachodzenia reakcji na elektrodach wewnątrz baterii. Reakcje te zachodzą tylko po zamknięciu obwodu, czyli połączeniu dodatniego i ujemnego bieguna baterii. Wewnątrz znajduje się elektrolit, który przewodzi jony pomiędzy elektrodami. Gdy zamkniemy obwód, zaczynają zachodzić jednocześnie dwa procesy: oddawania elektronów z ujemnej elektrody do dodatniej, w której te elektrony są następnie wykorzystywane. W zależności od tego, jakiego materiału użyjemy do budowy elektrod i elektrolitu, możemy uzyskać baterie o różnym napięciu. Najczęściej używanym rodzajem baterii są ogniwa Leclanchégo. W baterii takiej elektrodę ujemną stanowi cynkowy kubek. Wewnątrz umieszcza się grafitową pałeczkę, otoczoną masą tlenku manganu(IV), będącą elektrodą dodatnią, a całość nasącza się roztworem chlorku amonu, który stanowi elektrolit. Całość pokrywa się masą smołową, chroniącą przed wyciekiem i przed wyschnięciem elektrolitu. Podczas pracy takiej baterii zachodzą procesy, które są nieodwracalne. Skutkuje to tym, że nie da się jej naładować.
Akumulatory są natomiast ogniwami, w których zachodzą reakcje chemiczne w pełni odwracalne. Gdy akumulator ulegnie rozładowaniu, można go ponownie naładować poprzez podłączenie do odpowiednio dobranego prądu. W trakcie ładowania przez akumulator prąd płynie w przeciwnym kierunku niż w trakcie jego pracy, a reakcje chemiczne zachodzą w odwrotną stronę. W naszych telefonach najczęściej spotykamy akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion), w których jedną elektrodę stanowi porowaty węgiel, natomiast druga jest wykonana z tlenków metali. Elektrolit w takich bateriach stanowią sole litu rozpuszczone w rozpuszczalnikach organicznych. Ważne jest to, by tego typu akumulatorów nie poddawać działaniu wysokiej temperatury ani nie próbować pod żadnym pozorem otwierać, ponieważ może to spowodować samozapłon i wybuch.
Co może mieć wspólnego zardzewiały płot z bateriami?
Brzydkie rdzawe nacieki na rowerze lub karoserii samochodu, zapieczone śruby, kosztowna wymiana części urządzeń domowych, to tylko niektóre skutki procesu zwanego korozją. Może być on groźny dla naszego zdrowia i życia, gdy przyczynia się do niszczenia konstrukcji budowlanych, mostów, środków transportu czy rurociągów. Szacuje się, że w skali całego świata procesy korozyjne niszczą ok. 25 milionów ton stali rocznie. Koszty wywołane pośrednio i bezpośrednio przez korozję w 2010 roku stanowiły w Polsce w przybliżeniu 8% PKB, czyli około 100 mld zł. Nie dziwi zatem, że nie lubimy korozji. Spróbujmy jednak spojrzeć na nią z innej strony. Badając problem z naukowej strony, korozja jest ciekawym procesem o skomplikowanym mechanizmie chemicznym i elektrycznym!
Co zatem łączy rdzewiejące gwoździe z bateriami? Istnieje kilka rodzajów korozji. W przypadku stali i żelaza, najczęściej mamy do czynienia z korozją elektrochemiczną. Na powierzchni przedmiotów wykonanych z tych materiałów tworzą się ogniwa, które potocznie nazwalibyśmy bateriami. Gdy obecna jest woda, będą zachodziły co najmniej 2 różne reakcje. W jednej z nich żelazo będzie pozbywało się swoich elektronów i przechodziło do roztworu tworząc jony, które w różnych wtórnych procesach zamienią się w rdzę – będzie to ujemny biegun ogniwa (baterii). Elektrony z pierwszej reakcji przejmie woda lub woda z tlenem – będzie to dodatni biegun ogniwa (baterii). Mamy zatem tutaj styczność z przepływem prądu, pomiędzy jednym a drugim biegunem ogniwa (baterii). Korozja elektrochemiczna jest zatem procesem, w którym metale ulegają zniszczeniu na skutek reakcji, które wywołuje przepływ prądu. Reakcje te biegną jednocześnie, ale mogą zachodzić w dwóch oddalonych od siebie miejscach. Może to skutkować np. powstawaniem pęcherzy na lakierze samochodu lub korozją instalacji podziemnych. Korozji sprzyja wilgoć, roztwory soli, a nawet niektóre mikroorganizmy.
Jak zapobiegać korozji?
Tu znowu z pomocą przychodzi chemia. Każdy z nas na pewno miał styczność z blachą ocynkowaną. Dlaczego blachę żelazną pokrywa się cynkiem? Jeśli zetkniemy ze sobą dwa różne metale i zanurzymy je w roztworze soli, okaże się, że jeden z metali chętniej będzie ulegał korozji niż drugi. Cynk jest metalem bardziej aktywnym niż żelazo, co znaczy tyle, że chętniej będzie reagował, zatem jako pierwszy ulegnie korozji (produkty tego procesu będą miały biały kolor).
Każdy z nas zna też metale, które są oporne chemiczne, jak np. złoto, które nawet po upływie wielu lat nie zmienia zasadniczo swojego wyglądu. Co by było, gdybyśmy blachę żelazną pokryli złotem? Złoto nie ulegałoby korozji, więc póki warstwa złota byłaby szczelna, wszystko byłoby w porządku. Jednak wystarczyłaby jedna rysa i żelazo zaczęłoby korodować bardzo szybko. Można wykonać eksperyment w warunkach domowych, który świetnie to ilustruje: potrzebne są 3 gwoździe – na jeden zawijamy kawałek foli aluminiowej, drugi owijamy drutem miedzianym (miedź jest metalem szlachetniejszym niż żelazo), a trzeci zostawiamy nieowinięty. Gwoździe wkładamy do oddzielnych pojemników z wodą z odrobiną soli. Obserwujemy zmiany przez kilka dni.
Ochrona przed korozją ma szczególne znaczenie, np. w transporcie morskim. Śruby statków są wykonane często ze stopów (np. mosiądzu), które są szlachetniejsze i mniej aktywne chemicznie niż poszycie wykonane z różnych stopów żelaza. Sprzyja to zatem korozji poszycia. By temu zapobiec, montuje się niedaleko śrub statków kształtki (protektory) z metali, takich jak cynk, magnez lub aluminium, które reagują chętniej niż żelazo. Niszczeniu będą ulegać zatem bardziej reaktywne kształki, a nie stalowe elementy statku.
Zatem dlaczego nie rdzewieją nam garnki i sztućce? Przybory kuchenne wykonane są najczęściej ze stali nierdzewnej. Jest to specjalny rodzaj stali, który zawiera dodatek chromu. Na powierzchni takiej stali powstaje szczelna powłoka tlenku chromu (III) (Cr2O3), która nie dopuszcza wody i innych substancji do głębszych warstw stali. Nawet po zarysowaniu powłoka ta ulega odtworzeniu. Dzięki temu stal taka jest odporna na korozję i wysokie temperatury, ma lśniący połysk oraz może być stosowana nawet w bardzo agresywnym chemicznie środowisku.
Do czego można wykorzystać tę wiedzę?
Nie każdemu z nas chemia jest bliska, jednak każdy z nas ma styczność w życiu codziennym ze skutkami reakcji chemicznych. Wiedza o nich pomaga nam uchronić się przed ich negatywnymi skutkami. Pewne zjawiska, takie jak korozja, są nieuchronne. 1/3 światowej produkcji stali jest przeznaczana na usuwanie strat przez nią wywołanych. Być może rdzewienie dla niektórych może być nudnym tematem, ale z wiedzą z zakresu elektrochemii możemy zbudować baterię na tysiące sposobów (np. z ziemniaka), możemy rozłożyć wodę na części pierwsze czy też pokryć jeden metal innym metalem. Fajne? Na pewno tak.
Zespół CN EXPERYMENT
