Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

19Metalen: reacties met zuren en corrosie

In een haven zit de stalen romp van een oude vissersboot vol oranje roestvegen. Op de kade staat een verzinkt hek al dertig jaar in de regen en glanst nog steeds dofgrijs. In een museum ligt een gouden ring die drieduizend jaar begraven lag en nog even blinkt als op de dag dat hij gemaakt werd. Niet alle metalen reageren op dezelfde manier op hun omgeving: sommige worden aangetast door water, lucht en zuren, andere nauwelijks.

Wat je al weet

Ionen zijn geladen atomen; metalen vormen kationen zoals $\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Zn^{2+}}$ , $\ce{Al^{3+}}$ , die je met neerslagreacties aantoont (Hoofdstuk 17). Een zure oplossing bevat veel $\ce{H+(aq)}$ -ionen (Hoofdstuk 18). Waterstof verbrandt met een blaffend plofje bij de opening van een reageerbuis (Hoofdstuk 10).

De romp van een oude boot: het staal roest.

19.1 Metalen in zoutzuur

In het laboratorium — Drie metalen in zuur

De docent laat een stukje ijzer, zink en koper vallen in drie reageerbuizen met verdund zoutzuur. Bij het ijzer en het zink stijgen belletjes op, langzaam bij het ijzer, flink bij het zink, en de metalen verdwijnen langzaam; met het koper gebeurt niets. Het gas, opgevangen in een buisje, geeft een blaffend plofje: het is waterstof. Met natriumhydroxide geeft de vloeistof uit de eerste buis een groene neerslag ( $\ce{Fe^{2+}}$ -ionen), die uit de tweede een witte ( $\ce{Zn^{2+}}$ -ionen).

IJzer, zink en koper in verdund zoutzuur: ijzer en zink geven waterstof af; koper reageert niet.

Propositie 19.1 (Metaal plus zuur)

Veel metalen — ijzer, zink, aluminium, magnesium — reageren met de $\ce{H+}$ -ionen van een zuur: het metaal verdwijnt als metaalionen, die opgelost blijven, en er ontstaat waterstofgas. Koper, zilver en goud reageren niet met zoutzuur.

19.2 De reactievergelijking met ionen opschrijven

Definitie 19.2 (Tribune-ion)

Een ion dat tijdens een reactie in de oplossing aanwezig is maar er niet aan meedoet, en aan het eind onveranderd terug te vinden is, is een tribune-ion. Je laat het weg uit de reactievergelijking.

Voorbeeld 19.3 (IJzer en zink in zoutzuur)

Zoutzuur bevat $\ce{H+(aq)}$ - en $\ce{Cl-(aq)}$ -ionen. De chloride-ionen vind je aan het eind onveranderd terug: het zijn tribune-ionen. De reactievergelijkingen zijn

\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}, \qquad \ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}.

Zowel de atomen als de ladingen kloppen: aan elke kant $+2$ .

Methode 19.4 (De reactievergelijking van een metaal met een zuur opschrijven)

Beginstoffen: het metaal (s) en de $\ce{H+(aq)}$ -ionen.
Reactieproducten: het metaalion (aq), met zijn gebruikelijke lading, en waterstof $\ce{H2(g)}$ .
Maak de atomen kloppend, en controleer daarna of de totale lading aan beide kanten gelijk is.

Voor aluminium: $\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ ; lading $+6$ aan elke kant.

Veiligheid

De waterstof die ontstaat, is zeer licht ontvlambaar. De reactie wordt door de docent in kleine reageerbuizen uitgevoerd, ver van elke vlam behalve die voor de knalgasproef.

19.3 Corrosie

Definitie 19.5 (Corrosie en roest)

Corrosie is de langzame aantasting van een metaal door de stoffen om het heen — zuurstof, water, zuren, zouten — die het metaal omzetten in ionen of in verbindingen zoals oxiden. Bij de corrosie van ijzer en staal ontstaat roest, een bruin, kruimelig, gehydrateerd ijzeroxide dat afbladdert, zodat de aantasting dieper kan doorgaan.

Propositie 19.6 (Wat ijzer nodig heeft om te roesten)

IJzer roest alleen als zowel zuurstof als water erbij kan. Zout dat in het water is opgelost, zoals op wegen die in de winter gestrooid worden of aan zee, laat het roesten sneller gaan.

In het laboratorium — Drie spijkers, één week

Drie schone ijzeren spijkers worden in drie reageerbuizen gezet: de eerste met droge lucht en een droogmiddel dat waterdamp wegneemt; de tweede in water dat gekookt is om de opgeloste lucht te verwijderen, afgedekt met een laagje olie; de derde half in kraanwater, half in lucht. Na een week is alleen de derde spijker geroest.

Het experiment met de drie spijkers: ijzer roest alleen waar water en zuurstof er samen bij kunnen, hier aan het wateroppervlak.

Voorbeeld 19.7 (Aluminium en koper beschermen zichzelf)

Aluminium wordt meteen aangetast door de zuurstof van de lucht, maar het dunne oxidelaagje dat ontstaat, hecht aan het metaal en sluit het af van de lucht: aluminium raamkozijnen gaan tientallen jaren mee. Koper, dat langzaam wordt aangetast door lucht, water en koolstofdioxide, raakt bedekt met een groene korst, de patina, die ook hecht en het metaal eronder beschermt. Roest daarentegen bladdert af.

Het Vrijheidsbeeld: zijn koperen huid is bedekt met een groene patina. Foto: Elcobbola, publiek domein.

19.4 Metalen beschermen

Definitie 19.8 (Verzinken)

Verzinken is staal bedekken met een laag zink, door het in gesmolten zink te dompelen. Lucht en water tasten dan het zink aan in plaats van het staal eronder: zelfs waar de laag bekrast is, corrodeert eerst het zink in de buurt en wordt het staal gespaard.

Propositie 19.9 (Manieren om ijzer en staal te beschermen)

houd water en lucht weg: verf, olie, vet, een kunststoflaag;
verzink: een zinklaag die in plaats van het staal corrodeert;
gebruik roestvast staal, een legering van ijzer met chroom, die zichzelf beschermt met een dun, afsluitend oxidelaagje;
bevestig blokken zink aan scheepsrompen: het zink wordt langzaam weggevreten in plaats van het staal, en wordt af en toe vervangen (hoe dat werkt, legt een universiteitsdeel uit).

19.5 Oefeningen

Oefening 19.1 ★

Welk gas ontstaat er als zink met zoutzuur reageert? Hoe toon je het aan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.1.

Waterstof: een brandende spaander bij de opening van de buis geeft een blaffend plofje.

Oefening 19.2 ★

Welke van deze metalen reageren met verdund zoutzuur: ijzer, koper, zink, goud, aluminium?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.2.

IJzer, zink en aluminium reageren; koper en goud niet.

Oefening 19.3 ★

Wat heeft ijzer nodig om te roesten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.3.

Zowel zuurstof als water.

Oefening 19.4 ★

Wat is een tribune-ion? Noem het tribune-ion als ijzer met zoutzuur reageert.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.4.

Een ion dat tijdens een reactie aanwezig is maar er niet aan meedoet. Met zoutzuur: het chloride-ion $\ce{Cl-}$ .

Oefening 19.5 ★★

Schrijf de reactievergelijking op van magnesium met de $\ce{H+}$ -ionen van een zuur (het magnesiumion is $\ce{Mg^{2+}}$ ). Controleer de ladingen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.5.

$\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^{2+}(aq) + H2(g)}$ ; lading $+2$ aan elke kant.

Oefening 19.6 ★★

Hoe kun je, nadat ijzer met zoutzuur heeft gereageerd, laten zien dat de oplossing ijzer(II)ionen bevat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.6.

Voeg natriumhydroxide toe: een groene neerslag van $\ce{Fe(OH)2}$ wijst op ijzer(II)ionen.

Oefening 19.7 ★★

Kijk naar de figuur met de drie spijkers. Waarom is het water in de tweede buis gekookt en afgedekt met olie?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.7.

Door te koken verdwijnt de lucht die in het water opgelost is, en de olie voorkomt dat er weer lucht in oplost: de spijker heeft water, maar geen zuurstof.

Oefening 19.8 ★★

Waarom roest een auto sneller in een stad waar de wegen in de winter gestrooid worden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.8.

Zout dat opgelost is in het water dat tegen de auto spat, laat het roesten sneller gaan.

Oefening 19.9 ★★

Waarom roesten aluminium raamkozijnen niet weg, hoewel aluminium met de zuurstof van de lucht reageert?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.9.

Het oxidelaagje dat ontstaat, hecht aan het metaal en sluit het af van de lucht: de aantasting stopt aan het oppervlak.

Oefening 19.10 ★★

Geef drie manieren om een stalen fietsframe tegen roest te beschermen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.10.

Het verven, het oliën of invetten, het verzinken (of het van roestvast staal maken).

Oefening 19.11 ★★★

Schrijf de reactievergelijking op van aluminium met de $\ce{H+}$ -ionen van een zuur, en controleer haar. Hoeveel waterstofmoleculen ontstaan er per 200 aluminiumatomen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.11.

$\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ : aan elke kant 2 Al en 6 H, lading $+6$ aan elke kant. Voor 200 Al-atomen: $200 \times \frac{3}{2} = 300$ waterstofmoleculen.

Oefening 19.12 ★★★

In een verzinkte stalen emmer zit een kras tot op het staal. Leg uit waarom het staal onder in de kras lange tijd niet roest.

Oplossing

Oplossing van Oefening 19.12.

Het zink rond de kras corrodeert in plaats van het staal: zolang er zink in de buurt is, wordt het staal gespaard.

19.6 Probleem: Hoe dik is het zink?

Probleem 19.1

Weekendprobleem — de zinklaag van een verzinkte plaat oplossen om te weten te komen hoe dik ze was

Een verzinkte stalen plaat, een vierkant met zijde $10.0\,\mathrm{cm}$ , is aan beide kanten met zink bedekt (de randen worden verwaarloosd). In een laboratorium weegt de docent haar, $125.6\,\mathrm{g}$ , en dompelt haar dan in zoutzuur waaraan een middel is toegevoegd dat voorkomt dat het zuur het staal aantast. Als het bruisen ophoudt, wordt de plaat afgespoeld, gedroogd en opnieuw gewogen: $113.5\,\mathrm{g}$ . De massa van $1\,\mathrm{cm}^{3}$ zink is $7.13\,\mathrm{g}$ .

Deel I — De reactie.

Schrijf de reactievergelijking op van zink met de $\ce{H+}$ -ionen van het zuur.
Welk gas veroorzaakt het bruisen? Beschrijf de test ervoor.
Met welke test zou je na afloop de zinkionen in de oplossing aantonen?
Noem de tribune-ionen.

Deel II — Het zink.

Hoeveel zink is er opgelost?
Waarom is het bruisen een teken dat nog niet al het zink is opgelost?
Wat zou er met het staal gebeuren als het zuur het middel niet bevatte? Welke test zou dat dan laten zien?
Waarom beschermt het zink het staal van de plaat zolang het er is?

Deel III — De dikte.

Wat is de totale bedekte oppervlakte van de plaat, in $\mathrm{cm}^{2}$ ?
Welk volume nam het zink in?
Leid daaruit de dikte van de zinklaag af, in centimeter.
Druk deze dikte uit in micrometer ( $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,000\,\text{µ}\mathrm{m}$ ).

Oplossing

Oplossing van Probleem 19.1.

1. $\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}$ .

2. Waterstof: een blaffend plofje met een brandende spaander.

3. Natriumhydroxide geeft een witte neerslag van $\ce{Zn(OH)2}$ .

4. De chloride-ionen $\ce{Cl-}$ .

5. $125.6 - 113.5 = 12.1\,\mathrm{g}$ .

6. Er ontstaat waterstof zolang er zink met het zuur reageert; als er geen zink meer is, houdt het bruisen op.

7. Het ijzer van het staal zou ook reageren, met waterstof en $\ce{Fe^{2+}}$ -ionen als gevolg; natriumhydroxide zou dan een groene neerslag geven.

8. Het zink wordt aangetast in plaats van het staal en houdt water en lucht ervan weg.

9. $2 \times 10.0 \times 10.0 = 200\,\mathrm{cm}^{2}$ .

10. $12.1 \div 7.13 \approx 1.70\,\mathrm{cm}^{3}$ .

11. $1.70 \div 200 = 0.0085\,\mathrm{cm}$ .

12. $0.0085 \times 10\,000 = 85\,\text{µ}\mathrm{m}$ : de zinklaag was ongeveer $85\,\text{µ}\mathrm{m}$ dik.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst