Każdego roku korozja pochłania w skali świata kwoty liczone w bilionach dolarów, a zaczyna się od czegoś tak banalnego jak zapomniany na deszczu gwóźdź. Rdza nie pojawia się jednak sama z siebie — żelazo potrzebuje do jej powstania konkretnych składników. Pięć probówek i kilka dni cierpliwości wystarczą, żeby samodzielnie ustalić, których.

Co nam będzie potrzebne?

  • 5 identycznych, czystych gwoździ stalowych (bez ocynku — najlepiej zwykłe, jasne, nieocynkowane)
  • 5 przezroczystych słoików lub wysokich szklanek
  • woda przegotowana i ostudzona oraz zwykła woda z kranu
  • olej roślinny
  • sól kuchenna
  • chlorek wapnia (osuszacz do wilgoci, np. do szaf lub łazienek) lub żel krzemionkowy
  • drobny papier ścierny do odtłuszczenia i oczyszczenia gwoździ
  • zakrętki lub folia spożywcza, naklejki i flamaster do opisania słoików

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie gwoździ. Każdy gwóźdź przetrzyj papierem ściernym, a następnie umyj ciepłą wodą z odrobiną płynu do naczyń i wytrzyj do sucha. Dzięki temu usuniesz fabryczną warstewkę tłuszczu i ewentualne ślady korozji, a wszystkie próbki zaczną od takiego samego stanu. Opisz pięć słoików numerami od 1 do 5.

Krok 2: Ustawienie pięciu warunków. W słoiku nr 1 umieść gwóźdź i zalej go do połowy zwykłą wodą z kranu, tak aby część gwoździa wystawała nad powierzchnię. W słoiku nr 2 włóż gwóźdź do przegotowanej, ostudzonej wody (pozbawionej większości rozpuszczonego tlenu) i delikatnie wlej na wierzch cienką warstwę oleju, która odetnie dostęp powietrza. W słoiku nr 3 zalej gwóźdź wodą z kranu, w której rozpuściłeś kilka łyżek soli. W słoiku nr 4 wlej tylko olej roślinny tak, żeby przykrył gwóźdź w całości. W słoiku nr 5 wsyp na dno łyżkę chlorku wapnia, połóż gwóźdź na kawałku papieru, aby go nie dotykał, i szczelnie zakręć słoik — gwóźdź znajdzie się w suchym powietrzu.

Krok 3: Obserwacja. Postaw wszystkie słoiki w jednym miejscu, w temperaturze pokojowej, i oglądaj je codziennie przez około tydzień. Zapisuj, w którym słoiku i po ilu godzinach pojawia się pierwszy pomarańczowo-brunatny nalot. Dobrze jest zrobić zdjęcie każdego słoika codziennie o tej samej porze.

Krok 4: Wnioski. Po tygodniu porównaj gwoździe. Najszybciej i najmocniej zardzewieje zwykle gwóźdź w słonej wodzie, w zwykłej wodzie rdza będzie mniejsza, a gwoździe w oleju i w suchym powietrzu powinny pozostać jasne. Wyjmij je i sprawdź, w którym miejscu rdza jest najgrubsza — często jest to linia styku wody i powietrza.

Wyjaśnienie naukowe

Rdza to uwodnione tlenki żelaza(III), których ogólny skład zapisujemy jako Fe₂O₃·nH₂O. Powstaje w procesie elektrochemicznym: na jednym fragmencie powierzchni żelazo oddaje elektrony i przechodzi do roztworu jako jony Fe²⁺ (to tzw. anoda), a na innym fragmencie elektrony te wiąże tlen rozpuszczony w wodzie, tworząc jony wodorotlenkowe (to katoda). Jony żelaza reagują potem z tlenem i wodą, dając brunatną rdzę. Do korozji potrzebne są więc jednocześnie trzy elementy: żelazo, tlen i woda. Brak któregokolwiek z nich — jak w oleju, w przegotowanej wodzie pod warstwą tłuszczu albo w suchym powietrzu — wystarczy, aby proces praktycznie się zatrzymał.

Sól nie bierze udziału w reakcji, ale ją znacząco przyspiesza. Rozpuszczone w wodzie jony sodu i chlorkowe sprawiają, że roztwór dobrze przewodzi prąd, a obwód elektrochemiczny między anodą a katodą zamyka się znacznie sprawniej. Dodatkowo jony chlorkowe niszczą cienkie, ochronne warstewki tlenków na powierzchni metalu. Dlatego samochody zżerane są przez rdzę najszybciej tam, gdzie zimą sypie się sól drogowa, a statki w wodzie morskiej wymagają starannej ochrony. Podobny mechanizm ogniwa z dwoma różnymi miejscami na metalu poznasz w doświadczeniu z baterią z cytryn , a kontrolowaną odmianę reakcji redoks na powierzchni metalu zobaczysz przy miedziowaniu elektrochemicznym .

Rdza ma jedną niekorzystną cechę, której nie ma wiele innych tlenków: jest porowata i kruszy się, zajmując więcej miejsca niż metal, z którego powstała. Nie chroni więc żelaza pod spodem, a korozja postępuje w głąb, aż do całkowitego przeżarcia elementu. Dla porównania glin pokrywa się cienką, szczelną warstwą tlenku, która zatrzymuje dalsze utlenianie, a stal nierdzewna zawdzięcza swoją odporność dodatkowi chromu tworzącemu podobną warstwę. W praktyce przed rdzą chronimy żelazo na wiele sposobów: malowaniem, olejowaniem, cynkowaniem (cynk koroduje zamiast żelaza i jest jego „ofiarną anodą”) czy emaliowaniem. Niektóre z tych metod opierają się na tej samej zasadzie co czyszczenie srebra , w którym przemiany zachodzą na styku metali w elektrolicie.

Warianty

Rdza w octu. Dodaj szósty słoik, w którym gwóźdź leży w occie spirytusowym. Kwaśne środowisko rozpuszcza ochronne warstewki tlenków i rdza pojawia się już po kilku godzinach, choć ostatecznie często osadza się w postaci luźnego brązowego osadu.

Ochrona cynkiem. Weź gwóźdź ocynkowany i zwykły, połóż oba w słonej wodzie. Gwóźdź ocynkowany będzie rdzewiał znacznie wolniej, bo cynk utlenia się pierwszy. Zarysuj powierzchnię ocynkowanego gwoździa pilnikiem i sprawdź, że ochrona działa nawet w miejscu uszkodzenia.

Różne metale razem. Owiń gwóźdź drutem miedzianym i zanurz w słonej wodzie. Rdza pojawi się szczególnie szybko, bo żelazo w kontakcie z bardziej szlachetną miedzią staje się anodą ogniwa i rdzewieje gwałtownie.

Często zadawane pytania

Czy rdza w ogóle jest groźna dla zdrowia? Sama rdza nie jest trująca, a tlenki żelaza stosuje się nawet jako barwniki w kosmetykach. Niebezpieczne bywa natomiast zranienie się zardzewiałym przedmiotem, ponieważ w jego nierównościach mogą bytować bakterie wywołujące tężec. Dlatego po skaleczeniu rdzewiejącym metalem warto sprawdzić, czy mamy aktualne szczepienie przeciwtężcowe.

Dlaczego ocynkowane i nierdzewne przedmioty nie rdzewieją? Cynk pokrywający stal utlenia się szybciej niż żelazo, więc „poświęca się” w jego miejsce i chroni metal pod spodem, nawet gdy powłoka jest zarysowana. Stal nierdzewna zawiera co najmniej około 10,5% chromu, który tworzy na powierzchni cienką, szczelną i samoodnawiającą się warstwę tlenku. Dzięki niej tlen i woda nie mają dostępu do żelaza.

Czy rdzę można usunąć? Tak, mechanicznie papierem ściernym lub szczotką drucianą, albo chemicznie, zanurzając przedmiot na kilka godzin w occie lub roztworze kwasku cytrynowego, który rozpuszcza tlenki żelaza. Po takim zabiegu metal trzeba dokładnie spłukać, osuszyć i zabezpieczyć olejem lub farbą, bo odsłonięte żelazo zardzewieje ponownie bardzo szybko. Warto o tym pamiętać szczególnie przy narzędziach, które często leżą w wilgotnym garażu.