Opgaver til 8.5

Opgaverne hører til afsnit 8.5 Korrosion. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven. Du får brug for spændingsrækken i flere af opgaverne.

Opgave 8.5.1: Hvad er korrosion?

  1. Hvad betyder korrosion?
  2. Hvad kaldes korrosion af jern?
  3. Bliver metallet oxideret eller reduceret, når det korroderer?

Læs de første linjer under overskriften Hvad er korrosion? i afsnit 8.5.

Metallet ender som positive ioner. Tænk over, om det har afgivet eller optaget elektroner.

  1. At et metal bliver nedbrudt, fordi det reagerer med stoffer i omgivelserne.
  2. At ruste
  3. Oxideret. Metallet afgiver elektroner og bliver til ioner.

Opgave 8.5.2: Tre søm

Tre ens jernsøm ligger i hver sit reagensglas i en uge.

Glas Indhold
1 sømmet ligger i tør luft sammen med et tørremiddel
2 sømmet ligger i vand, der er kogt fri for oxygen, under et lag olie
3 sømmet ligger halvt nede i almindeligt vand
  1. I hvilket glas ruster sømmet?
  2. Forklar, hvorfor sømmet ikke ruster i de to andre glas.

Rust kræver tre ting. Find ud af, hvad der mangler i hvert glas.

Olien i glas 2 holder luften væk, så der ikke kommer ny oxygen ned i vandet.

  1. I glas 3
  2. I glas 1 mangler der vand. I glas 2 mangler der oxygen. Kun i glas 3 er der både jern, vand og oxygen.

Opgave 8.5.3: Delreaktionerne i rust

  1. Skriv delreaktionen for det, der sker med jern under en vanddråbe.
  2. Skriv delreaktionen for det, der sker med oxygen ved dråbens kant.
  3. Hvilken af dem er oxidationen?
  4. Hvordan kommer elektronerne fra det ene sted til det andet?

Se på figurerne med vanddråben og på reaktionsskemaerne lige over dem.

Jern bliver til Fe2+. Oxygen reagerer sammen med vand og bliver til hydroxidioner.

  1. Fe → Fe2+ + 2 e−
  2. O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH−
  3. Reaktionen med jern, fordi jern afgiver elektroner.
  4. De vandrer gennem metallet.

Opgave 8.5.4: Den samlede reaktion

Brug de to delreaktioner fra opgave 8.5.3.

  1. Hvad skal oxidationen ganges med, for at der afgives lige så mange elektroner, som der optages?
  2. Skriv den samlede reaktion.
  3. Tjek, at ladningen er den samme på begge sider.

Jern afgiver 2 elektroner, og oxygen optager 4.

Gang oxidationen med 2, og læg de to delreaktioner sammen. Elektronerne skal ikke stå i det samlede skema.

  1. Med 2

  2. 2 Fe + O2 + 2 H2O → 2 Fe2+ + 4 OH−

  3. Ladningen er 0 til venstre, og til højre er den også 0:

    \[ \text{ladning til højre} = 2 \cdot (+2) + 4 \cdot (-1) = 0 \]

Opgave 8.5.5: Saltede veje

Biler ruster hurtigere i lande, hvor vejene bliver saltet om vinteren.

  1. Hvilke ioner er der i vejsalt, NaCl, når det er opløst i vand?
  2. Forklar, hvorfor saltvand får jern til at ruste hurtigere end rent vand.

Læs afsnittet Salt gør det værre i afsnit 8.5.

Du kan begynde dine sætninger sådan:

  • Rent vand leder … , fordi der er få …
  • Saltvand indeholder mange … og leder derfor …
  • Når vandet leder godt, kan …
  1. Na+ og Cl−
  2. Rent vand leder dårligt, fordi der er få ioner i det. Saltvand indeholder mange ioner og leder derfor godt. Når vandet leder godt, kan ionerne hurtigt flytte sig mellem det sted, hvor jern oxideres, og det sted, hvor oxygen reduceres, og så går reaktionen hurtigere.

Opgave 8.5.6: To metaller i kontakt

To metaller er skruet sammen og står i regnvejr. Hvilket af de to korroderer?

  1. Jern og kobber
  2. Jern og zink
  3. Aluminium og kobber
  4. Jern og magnesium

Det er altid det mest uædle af de to metaller, der korroderer.

Find de to metaller i spændingsrækken. Det, der står længst til venstre, afgiver elektronerne.

  1. Jern
  2. Zink
  3. Aluminium
  4. Magnesium

Opgave 8.5.7: Offeranoden

Et skib har skrog af jern. En mekaniker skal vælge mellem klodser af kobber, zink og magnesium til at beskytte skroget.

  1. Hvilke af de tre metaller kan bruges som offeranode?
  2. Hvad sker der, hvis mekanikeren sætter kobber på skroget?
  3. Hvorfor skal en offeranode skiftes en gang imellem?

En offeranode skal være mere uædel end det metal, den skal beskytte.

Zink og magnesium står til venstre for jern i spændingsrækken. Kobber står til højre.

  1. Zink og magnesium
  2. Så er jern det mest uædle af de to metaller. Skroget ruster hurtigere end uden kobber.
  3. Offeranoden bliver selv oxideret og tæres langsomt væk. Når den er brugt op, er jernet ikke længere beskyttet.

Opgave 8.5.8: Fra jern til rust

Et jernsøm på 11,17 g ruster helt igennem. Forenklet kan reaktionen skrives sådan:

4 Fe(s) + 3 O2(g) → 2 Fe2O3(s)

  1. Find oxidationstallet for jern i Fe2O3.
  2. Beregn massen af det jern(III)oxid, der dannes.

Brug mængdeberegningsskemaet fra afsnit 4.5. Forholdet mellem Fe og Fe2O3 er 4 : 2.

Molarmasserne er 55,85 g/mol for Fe og 159,70 g/mol for Fe2O3. Der dannes halvt så mange mol jern(III)oxid, som der bruges jern.

  1. +III

  2. Massen findes i tre trin.

\[ n(\mathrm{Fe}) = \frac{m}{M} = \frac{11{,}17\ \mathrm{g}}{55{,}85\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 0{,}2000\ \mathrm{mol} \]

\[ n(\mathrm{Fe_2O_3}) = \frac{2}{4} \cdot 0{,}2000\ \mathrm{mol} = 0{,}1000\ \mathrm{mol} \]

\[ m(\mathrm{Fe_2O_3}) = n \cdot M = 0{,}1000\ \mathrm{mol} \cdot 159{,}70\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 15{,}97\ \mathrm{g} \]

Der dannes 15,97 g jern(III)oxid. Rusten vejer mere end sømmet, fordi oxygen fra luften er blevet bundet til jernet.

Opgaver med fødevaretema

Køkkenet er fyldt med metal, vand og salt. Det er de tre ting, korrosion har brug for.

Opgave 8.5.mad.1: Støbejernspanden

En stegepande af støbejern må ikke stå i blød i vasken natten over. Efter opvask skal den tørres af og smøres med et tyndt lag olie.

  1. Hvad sker der med panden, hvis den står våd natten over?
  2. Forklar, hvordan olien beskytter panden.
  3. Hvorfor har en gryde af rustfrit stål ikke brug for olie?

Støbejern er jern. Se i tabellen Sådan beskytter man jern i afsnit 8.5.

Olie er upolær og kan ikke blandes med vand. Rustfrit stål indeholder chrom.

  1. Den ruster, fordi jernet er i kontakt med både vand og oxygen.
  2. Olien lægger sig som en hinde på jernet og holder vand og oxygen væk.
  3. Chrom i stålet danner en tæt, usynlig hinde af oxid, som beskytter jernet nedenunder.

Opgave 8.5.mad.2: Konservesdåsen

En konservesdåse er lavet af stål, som er dækket af et tyndt lag tin eller lak på indersiden.

  1. Hvorfor kan man ikke bruge en dåse af rent stål til syrlige fødevarer som tomater?
  2. Hvad sker der, hvis laget på indersiden får en ridse, så stålet er i kontakt med tomaterne?
  3. En dåse, der buler udad, skal smides ud. Hvilken gas kan være dannet, hvis syren har reageret med jernet?

Find jern og hydrogen i spændingsrækken. Syrlige fødevarer indeholder H+.

Metaller til venstre for hydrogen reagerer med syre. Se i afsnit 8.2, hvilken gas der dannes.

  1. Jern står til venstre for hydrogen og reagerer med syren i tomaterne. Jernet ville blive til jernioner i maden.
  2. Jernet ved ridsen reagerer med syren og bliver tæret.
  3. Hydrogen, H2. En bulet dåse kan også skyldes gas fra bakterier, så den skal altid smides ud.

Opgave 8.5.mad.3: Opvaskemaskinen

Knive af almindeligt stål kan få rustpletter i opvaskemaskinen, især hvis de ligger op ad bestik af rustfrit stål, og der er brugt meget salt i maskinen.

  1. Hvilke tre ting skal der til, for at jern ruster? Er de til stede i opvaskemaskinen?
  2. Hvad betyder saltet for, hvor hurtigt det går?
  3. Forklar, hvorfor det gør det værre, at kniven rører et andet metal.

Brug afsnittene Salt gør det værre og To metaller i kontakt i afsnit 8.5.

Når to forskellige metaller rører hinanden i vand, løber elektronerne fra det mest uædle over i det mest ædle.

  1. Jern, vand og oxygen. Alle tre er til stede, for maskinen er både våd og fuld af luft.
  2. Saltet giver mange ioner i vandet, så det leder bedre, og reaktionen går hurtigere.
  3. Det almindelige stål er mere uædelt end det rustfri stål. Når de to rører hinanden, afgiver det almindelige stål elektroner til det rustfri, og kniven korroderer hurtigere.

Opgaver med klimatema

Vindmøller på havet står i saltvand hele deres levetid, og hvert ton stål, der ruster væk, skal fremstilles igen. Opgaverne træner det samme som opgave 8.5.1 til 8.5.8, men handler alle om vindmøller, rust og stål. Baggrunden står på siden Tema: Batterier og rust.

Opgave 8.5.klima.1: Rust på en vindmølle

Fundamentet til en havvindmølle er lavet af stål, som mest består af jern.

  1. Hvad kaldes det, når et metal bliver nedbrudt af sine omgivelser?
  2. Hvad kaldes det, når det er jern, der bliver nedbrudt?
  3. Bliver jernet oxideret eller reduceret?

Læs afsnittet Hvad er korrosion? i afsnit 8.5.

Når et metal bliver nedbrudt, bliver metalatomerne til positive ioner. De afgiver altså elektroner.

  1. Korrosion
  2. Rust
  3. Oxideret, fordi jernatomerne afgiver elektroner.

Opgave 8.5.klima.2: Tre steder på en havvindmølle

Stålet i en havvindmølle sidder tre meget forskellige steder.

Sted Forhold
1 inde i tårnet, hvor et anlæg holder luften helt tør
2 dybt nede i havbunden, hvor der ikke er noget oxygen
3 lige ved havets overflade, hvor bølgerne slår op
  1. Hvilket sted ruster stålet hurtigst?
  2. Forklar, hvorfor stålet næsten ikke ruster de to andre steder.

Jern ruster kun, når der er to bestemte stoffer til stede på samme tid.

Der skal både vand og oxygen til. Se, hvilket af de to stoffer der mangler på sted 1 og på sted 2.

  1. På sted 3. Her er der både vand og oxygen, og vandet er oven i købet salt.
  2. På sted 1 mangler der vand, og på sted 2 mangler der oxygen. Jern ruster kun, når begge dele er der.

Opgave 8.5.klima.3: Delreaktionerne på en stålbro

Det har regnet, og der ligger vanddråber på en stålbro.

  1. Skriv delreaktionen for det, der sker med jern under en vanddråbe.
  2. Skriv delreaktionen for det, der sker med oxygen ved dråbens kant.
  3. Hvilken af dem er reduktionen?
  4. De to delreaktioner sker hvert sit sted. Hvordan kommer elektronerne fra det ene sted til det andet?

Se på figurerne med vanddråben og på reaktionsskemaerne lige over dem.

Jern bliver til Fe2+. Oxygen reagerer sammen med vand og bliver til hydroxidioner.

  1. Fe → Fe2+ + 2 e−
  2. O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH−
  3. Reaktionen med oxygen, fordi oxygen optager elektroner.
  4. De vandrer gennem stålet.

Opgave 8.5.klima.4: Rust er et lille batteri

Brug de to delreaktioner fra opgave 8.5.klima.3.

  1. Hvad skal oxidationen ganges med, for at der afgives lige så mange elektroner, som der optages?
  2. Skriv den samlede reaktion.
  3. I et batteri sker oxidationen og reduktionen også hvert sit sted. Hvad er forskellen på et batteri og en rustplet?

Jern afgiver 2 elektroner, og oxygen optager 4.

Gang oxidationen med 2, og læg de to delreaktioner sammen. Til spørgsmål c: Tænk på, hvilken vej elektronerne går i et batteri, og om man får glæde af dem.

  1. Med 2
  2. 2 Fe + O2 + 2 H2O → 2 Fe2+ + 4 OH−
  3. I et batteri bliver elektronerne ledt gennem en ledning, så de kan gøre nytte. I en rustplet løber de bare gennem metallet, og jernet bliver ødelagt uden nogen nytte.

Opgave 8.5.klima.5: Saltvand

Stål ruster meget hurtigere i havet end i en sø.

  1. Hvilke ioner er der i havvand, når saltet NaCl er opløst?
  2. Forklar, hvorfor saltvand får jern til at ruste hurtigere end ferskvand.

Læs afsnittet Salt gør det værre i afsnit 8.5.

Ioner kan lede strøm gennem vand. Jo lettere ladningerne kan flytte sig i vandet, jo hurtigere går redoxreaktionen.

  1. Natriumioner, Na+, og chloridioner, Cl−
  2. Ionerne gør vandet bedre til at lede strøm. Ladningerne kan lettere flytte sig mellem de to steder, hvor delreaktionerne sker, og derfor går rustdannelsen hurtigere.

Opgave 8.5.klima.6: Skruer i et solcelleanlæg

I et solcelleanlæg bliver flere metaller skruet sammen, og de står ude i regnvejr. Hvilket af de to metaller korroderer?

  1. En ramme af aluminium med skruer af jern
  2. En ledning af kobber med en klemme af zink
  3. Et beslag af jern med en skive af bly
  4. En klods af magnesium på en skinne af aluminium

Find de to metaller i spændingsrækken.

Når to metaller rører hinanden, er det altid det mest uædle, der afgiver elektronerne og korroderer.

  1. Aluminium
  2. Zink
  3. Jern
  4. Magnesium

Opgave 8.5.klima.7: Offeranoder på en havvindmølle

Fundamentet til en havvindmølle er lavet af jern. En ingeniør skal vælge mellem klodser af bly, zink og aluminium til at beskytte det.

  1. Hvilke af de tre metaller kan bruges som offeranode?
  2. Hvad sker der, hvis ingeniøren sætter bly på fundamentet?
  3. Hvorfor skal offeranoderne være store, når møllen skal stå i 25 år?

En offeranode skal være mere uædel end det metal, den beskytter.

Zink og aluminium står til venstre for jern i spændingsrækken. Bly står til højre for jern.

  1. Zink og aluminium
  2. Jern er mere uædelt end bly. Så er det jernet, der afgiver elektronerne, og fundamentet ruster hurtigere.
  3. Offeranoden bliver langsomt tæret væk, mens den beskytter jernet. Der skal være metal nok til alle årene.

Opgave 8.5.klima.8: Fra jernmalm til grønt stål

Jern kan fremstilles af jernmalm med hydrogen. Et stykke jernmalm indeholder 159,7 g jern(III)oxid.

Fe2O3(s) + 3 H2(g) → 2 Fe(s) + 3 H2O(g)

  1. Find oxidationstallet for jern i Fe2O3 og i Fe.
  2. Beregn massen af det jern, der dannes.

Oxygen har −II. Til spørgsmål b bruger du de tre trin fra afsnit 4.5.

Molarmassen for Fe2O3 er

\[ M(\mathrm{Fe_2O_3}) = 2 \cdot 55{,}85\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} + 3 \cdot 16{,}00\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 159{,}70\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

Forholdet er 2 divideret med 1, så der dannes dobbelt så mange mol jern, som der bruges jern(III)oxid.

  1. Jern har +III i Fe2O3 og 0 i Fe. Jernet bliver altså reduceret.

  2. Massen af jern er

\[ n(\mathrm{Fe_2O_3}) = \frac{m}{M} = \frac{159{,}7\ \mathrm{g}}{159{,}70\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 1{,}000\ \mathrm{mol} \]

\[ n(\mathrm{Fe}) = \frac{2}{1} \cdot 1{,}000\ \mathrm{mol} = 2{,}000\ \mathrm{mol} \]

\[ m(\mathrm{Fe}) = n \cdot M = 2{,}000\ \mathrm{mol} \cdot 55{,}85\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 111{,}7\ \mathrm{g} \]

Der dannes 111,7 g jern.