Je leest:

Theorie over de vorming van roest bewezen

Theorie over de vorming van roest bewezen

Auteur: | 1 januari 1999

Dat ijzer roest is al sinds mensenheugenis bekend. Hoe is in vredesnaam over zo’n ordinair proces nog iets nieuws te melden? Het antwoord is afkomstig uit Utrecht waar men een theorie bewezen heeft die al tientallen jaren bestond, maar waarvan het bewijs nog nooit geleverd was.

Oxidatie

Alle metalen (behalve goud en platina) komen in de natuur in verbindingen voor, meestal in oxiden en sulfiden. In deze zouten is het metaal aanwezig als positief ion, bijvoorbeeld als Fe3+ ion in ijzer(III)oxide (Fe2O3). Het kost moeite (lees: energie) om deze metaalionen met behulp van een reduktor om te zetten in metaalatomen. Daarom is het bereiden van metalen uit ertsen een endotherm proces.

Het is dan ook niet vreemd dat de door ons bereide metalen de ionvorm weer nastreven, het is onder normale omstandigheden namelijk de toestand van de laagste vrije energie. Metalen reageren met zuurstof terug tot metaaloxiden. Het streven naar lagere energie wordt zichtbaar op het metaal in de vorm van een oxidehuid. De algemene naam voor dit oxidatieproces van metalen is corrosie, in het geval van ijzer spreekt men over roesten. De maatschappelijke en economische gevolgen van corrosie zijn enorm. In 1980 bijvoorbeeld kapseisde het hotelplatform de Alexander Kjelland voor de kust van Noorwegen ten gevolge van een doorgeroeste lasverbinding. Er waren meer dan honderd mensenlevens te betreuren.

Typen corrosie

Er bestaan twee typen corrosie: chemische corrosie (of droge corrosie) en elektrochemische corrosie. Chemische corrosie treedt op wanneer metalen worden aangetast door de zuivere inwerking van bepaalde elementen of verbindingen. De meest voorkomende vorm van chemische corrosie is de aantasting van metalen door zuurstof bij hoge temperatuur, zonder medewerking van vocht (hoge temperatuuroxidatie). Elektrochemische corrosie treedt verreweg het meest op, het verloopt in het algemeen onder gelijktijdige inwerking van de elektrolyt. Ook als het metaal niet nat is, bevindt zich op het oppervlak een uiterst dunne film van water. Door opgeloste bestanddelen is dit water elektrisch geleidend. Hieronder staat uitgelegd hoe het elektrochemische roestproces verloopt.


Elektrochemisch roestproces

Als ijzer in aanraking komt met water gaat het gedeeltelijk in oplossing, waarbij ionen gevormd worden. De volgende evenwichtsreactie kan ontstaan: Fe <→ Fe2+ + 2e. Het evenwicht verschuift naar rechts als de elektronen worden weggevangen. Dat gebeurt bijvoorbeeld via een reactie van het in water opgeloste zuurstof, meestal onder vorming van hydroxyl-ionen: O2 + 2H2O + 4e <→ 4OH- Vervolgens wordt ijzer(II)hydroxide Fe(OH)2 gevormd. Het oplosbaarheidsproduct van dit ijzer(II)hydroxide wordt al snel overschreden waardoor het neerslaat en vervolgens snel wordt geoxideerd tot de bekende roestbruine ijzeroxides. ‘Roest’ kan afhankelijk van de omstandigheden waaronder het proces plaatsvindt in samenstellingen nogal variëren: FeO, Fe2O3maar bijvoorbeeld ook Fe3O4.nH20.


Nieuw onderzoek

In het Van de Graaff-laboratorium in Utrecht zijn speciale ultra-hoogvacuümapparaten gebouwd waarin zuivere ijzerpreparaten uiteenlopende analyses ondergaan. Met bundels uit een deeltjesversneller worden aangegroeide oxides atoomlaag voor atoomlaag van ijzerkristallen afgepeld en gekarakteriseerd. In speciale reactiekamers kunnen op beheerste wijze ook extreem dunne oxidelagen worden aangebracht. Met een combinatie van meettechnieken is na te gaan hoe ijzeroxiden op een ijzeroppervlak groeien, wat precies de uiteindelijke dikte van roestlagen bepaalt, en wat de groeisnelheden van die oxidelagen zijn. In het Van de Graaff-laboratorium zijn de afgelopen jaren vele experimenten uitgevoerd. Het resultaat daarvan is dat men nu veel meer weet over de oxidatiemechanismen. Het blijkt, in tegenstelling tot wat veel mensen altijd dachten, dat het aangroeien van de oxidelagen niet gebeurd aan de grenslaag tussen het metaal en het oxide, maar juist aan de buitenkant. Dat komt doordat de ijzeratomen door de oxidelaag heen naar buiten wandelen, in plaats van de zuurstofatomen naar binnen. Het bewijs is op de volgende manier verkregen. Men stelde schone ijzerkristallen bloot aan normale zuurstof (zuurstof-16) tot een oxidelaagje van twee miljoenste millimeter dik was gevormd. Vervolgens ging het oxidatieproces verder, maar nu met de zwaardere isotoop zuurstof-18. Deze zuurstofsoort, chemisch identiek aan gewone zuurstof, is bij beschieting met protonen uit de deeltjesversneller herkenbaar door de alfadeeltjes die vrijkomen. Na afloop van dit experiment trof men aan de buitenkant van het dunne roestlaagje uitsluitend zuurstof-18 atomen aan, het bewijs dat het oxidatieproces zich niet onder de eerste zuurstof-16 laag voltrekt, maar er bovenop. Het uitwisselingsproces met de naar buiten wandelende ijzeratomen kan alleen optreden wanneer tegelijk met de elektrisch positief geladen ijzerionen ook de negatief geladen elektronen door de oxidelaag bewegen. Dat kost ze steeds meer moeite naarmate de laag ijzeroxide dikker wordt; dat is dan ook het snelheidsbepalende proces voor de aangroei van de roestlagen.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 1 uit de jaargang 1999 van het blad Archimedes.

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.