שיתוך ומעקבי חמצון

תרגול

  1. תגובת השיתוך (קורוזיה) של ברזל גורמת ליצירת חלודה על גבי חפצים רבים הבנויים מחומר זה. שיתוך של ברזל, הוא תהליך לא רצוי המתרחש בצורה ספונטנית בנוכחות חמצן ומים (מספיקה הלחות  שבאוויר).  אחד הנזקים הנגרמים לברזל כתוצאה משיתוך הוא פגיעה בחוזק של המתכת דבר שעלול לגרום לתאונות כתוצאה משבירת מבנים המכילים ברזל.

להלן ניסוח התגובה הכוללת של שיתוך הברזל.

(1)               2Fe(s) + 3/2 O2(g) + 3H2O(l) → Fe2O3 •3H2O(s)n

א. ציינו מה סוג החומרים במגיבים ובתוצרים.

ב. אלומיניום מחזר טוב יותר מאשר ברזל ובכל זאת אין פגיעה משמעותית בחוזק החומר באוויר הלח כפי שיש בברזל. הסבירו מה הסיבה שבברזל נגרם נזק שונה מאשר באלומיניום.

ג. מתוך הסתכלות על התגובה הכוללת של שיתוך הברזל (1), האם אפשר להגיד שהמים משתתפים בתגובה? הסבירו (הערה: משמעות הניסוח Fe2O3 •3H2O(s)n היא שמולקולות המים משתתפות במבנה הגבישי של המוצק ביחס של 3 מולקולות מים ליחידה אחת של תחמוצת הברזל).

ד. ידוע שתהליך השיתוך הוא תהליך המורכב ממספר שלבים (התגובה לעיל מתארת את התהליך הכולל).
להלן ניסוח השלב הראשון בתהליך שיתוך הברזל (לא מאוזן):

(2)       Fe(s)  + O2(g) + H2O(l)  → Fe2+(aq)  + OH(aq)n                     

i. רשמו דרגות חמצון של כל היסודות בתגובה
ii. רשמו שתי חצאי התגובה 
iii.  אזנו את התגובה (2) – תאזנו בסוף את המטען החשמלי של המגיבים והתוצרים בעזרת הוספת מים ויוני OH.
iv. מה תפקיד המים בתגובה? (ציינו 2 תפקידים)
v. הציעו 2 שינויים בסביבה אשר יקטינו את תופעת הקורוזיה ונמקו אותם בעזרת נוסחת השלב הראשון בתהליך השיתוך (נוסחה 2)
vi. האם העלאת הטמפרטורה תגרום להקטנת תופעת השיתוך של הברזל? נמקו

  1. עיריית אמסטרדם הזמינה תלמידי מגמת כימיה לייעץ אותם בנושא אומנות סביבתית.
    העירייה מקדמת פרויקט של הצבת פסלים ולפי ניסיון העבר, נדרשה להוציא ממון רב על תחזוקת פסלים המוצבים בחוצות העיר*.

להלן מספר פסלים שהתלמידים נדרשו  לחוות את דעתם על כדאיות החומרים מהם ייבנו הפסלים לגבי כושר ההגנה מפני שיתוך בהתחשב בעלות הבנייה והתחזוקה של הפסלים:

פסל א – עשוי מברזל מצופה באבץ Zn(s) n

פסל ב – עשוי מברזל מצופה בשכבת פולימר שקוף

פסל ג – עשוי מברזל ללא ציפוי מחובר בחיבור חשמלי לגושי מגנזיום המוסתרים מן העין.

פסל ד – עשוי מנירוסטה

פסל ה – עשוי מברזל בציפוי ניקל 

פסל ו – עשוי מברזל בציפוי אלומיניום

נתון סדר כושר לחזר של המתכות: Mg > Al > Zn > Fe > Ni

א. ציינו עבור כל חלופה, מה השיטה או שיטות ההגנה נגד שיתוך (קורוזיה).

ב. להלן הטיעונים של התלמידים. האם הנכם מסכימים או לא מסכימים אתם? נמקו את תשובתכם

i. ציפוי הניקל עדיף על ציפוי האבץ. הסיבה היא שציפוי ניקל הרבה יותר זול מציפוי אבץ ושניהם מונעים מהחמצן והמים לחדור לברזל במידה מספקת .
ii. סוג פסל ג’ עם הגנה קתודית עדיפה על סוג פסל א’ עם ציפוי בלבד.
iii. סוג פסל ג’ עם הגנה קתודית עדיפה על סוג פסל ד’ מכיוון ששריטות תיגרמנה לחלודה בנירוסטה
iv. סוג פסל ה’ עדיף על סוג פסל ב’ מכיוון שבמקרה של שריטות סוג פסל ה’ לא יעבור שיתוך.

ג. לאחר ניתוח עלויות החומרים והתחזוקה נשארו שתי חלופות: פסל מסוג ה’ ופסל מסוג ו’.
מה החלופה שהייתם ממליצים מביניהן בהנחה שמבחינת עלויות הן דומות? נמקו

* סיפור הרקע לשאלה הנו בדוי

3. קרינה אלקטרומגנטית בתחום ה-UV (אולטרה סגול) היא קרינה בעלת אנרגיה גבוהה. בפגיעה של קרינה זו  בחומרים מסוימים, הקרינה מסוגלת לשבור קשרים קוולנטים וליצור רדיקלים חופשיים. במקרים מסוימים, בליעת קרינת UV יכולה להוציא אלקטרונים מהאטומים המרכיבים את התרכובות ועל כן קרינה זו מכונה קרינה מייננת.

קרם ההגנה נגד קרינת השמש מונעת מקרני השמש האולטרה סגולים להגיע לעור  על ידי בליעת הקרינה באמצעות חומרים המרכיבים את קרם ההגנה והפיכת אנרגיית הקרינה לאנרגיית חום לא מזיקה*.
בליעת האור בקרם ההגנה יכולה לגרום להיווצרות  של חומרים שעלולים להזיק בעצמם לרקמות העור כמו רדיקלים חופשיים**.

א. תענו על השאלות הבאות:

i. מהם רדיקלים חופשיים ואיך הם נוצרים מבליעת קרינת UV?
ii. מה סימן המטען של היונים שקרינת UV עלולה ליצור? נמקו
ןןן. האם החומרים שנוצרים כתוצאה מבליעת קרינת UV הם חומרים מחזרים חזקים, מחמצנים חזקים או חומרים יחסית אינרטיים (לא פעילים מבחינה כימית). נמקו את תשובתכם.

ב. מדענית באחת החברות ליצור קרם ההגנה רצתה לשפר את קרם ההגנה על מנת להגן על העור מפגיעת החומרים מזיקים שעלולים להיווצר בקרם בזמן החשיפה לאור השמש. היא החליטה להוסיף אחד מהחומרים הרשומים בהמשך.

רשימת חומרים:  ויטמין C,  ויטמין E, ננוחלקיקים (חלקיקים קטנים מאוד) של Cu2O.

i. מה התכונה המשותפת של ויטמין C ושל  ויטמין E  אשר בגללה המדענית רצתה לבדוק אותם? נמקו
ii. מחקרים מראים שגם ויטמין C וגם  ויטמין E יעילים למניעת  רדיקלים חופשיים. מה המנגנון למניעת רדיקלים חופשיים?
iii. על מנת למנוע שטיפה של כרם ההגנה במים, משתמשים בשומנים כחומר העיקרי בכרם ההגנה. בהתבסס על נוסחאות המבנה של ויטמין C ושל  ויטמין E המוצגות בצד שמאל, איזו ויטמין עדיף לשימוש בכרם ההגנה?  נמקו
iv. למה לדעתכם המדענית שקלה לבדוק את החומר Cu2O? האם יתכן שהחמצן שבו יעזור לפעולה הנדרשת או אולי יון הנחושת יכול לחזר? נמקו נתון: הנחושת קיים בדרגות חמצון 1+ ו- 2+ בצורה יציבה.

*לקריאה בנושא: “כיצד עובד קרם ההגנה נגד שיזוף” דר’ מאיר ברק, מכון ויצמן

** לקריאה בנושא: “Light Stabilizers” חברת Basf

נוסחת מבנה של ויטמין E
ויטמין E
נוסחת מבנה של ויטמין C
ויטמין C

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *