בכימיה, כדי לענות על השאלה אם חומר א' מגיב עם חומר ב' ישנן, בעיקרון, 2 אפשרויות: האפשרות הראשונה (והכי מדוייקת) היא פשוט לנסות, ובאמת, במשך מאות שנים הייתה הכימיה (והאלכימיה שהייתה ה'אמא' של מדע הכימיה) מדע ניסויי טהור, ישנן אנציקלופדיות לתגובות כימיות בהם רשימה של אלפי תגובות כימיות, לפי המידע שהצטבר במשך שנים רבות של ניסויים, בהם ניתן לחפש האם חומר כלשהו יגיב עם חומר אחר. אולם, למרות הדיוק של שיטה כזאת חיפשו הכימאים דרך לדעת מראש, ללא ניסוי, האם חומר כלשהו יגיב עם אחר – וכאן באה לעזרת הכימיה תורת התרמודינמיקה, התרמודינמיקה קובעת שתגובה כימית תצא אל הפועל רק אם היא מגדילה את האנטרופיה (מעין מדד לאי-סדר) ביקום. (למעשה, התרמודינמיקה קובעת קביעה חזקה עוד יותר: שום תהליך לא יתרחש ביקום אם הוא לא מגדיל בו את אי הסדר). מכיוון שאנטרופיה היא גודל מדיד, ניתן לדעת באמצעות מדדים אנטרופיים (בעיקר אנרגיה שנפלטת בזמן תגובות כימיות, ומתחים חשמליים שנוצרים בעת תגובות חימצון-חיזור) האם תגובה כימית כלשהי תצא אל הפועל, בלי לערוך ניסוי – כלומר לתרמודינמיקה יש כוח ניבויי אדיר.
תגובת קורוזיה של מתכת היא תגובת חימצון-חיזור: תגובה בה המתכת מוסרת אלקטרונים לחומר אחר (מחמצן). הטבלא הבאה מציגה מתחים חשמליים של תגובות חיזור (כפי שנמדדו מול תגובה של חימצון מימן, שהוגדרה, שרירותית כמתח אפס. הדבר דומה לכך שבגיאוגרפיה מגדירים את גובה פני הים – כגובה הייחוס להרים ועמקים, או את העיר גריניץ' בלונדון כמקום בו עובר קו האורך הגיאוגרפי אפס מעלות).
על ידי חיבור של תגובות החיזור בטבלא עם תגובות חימצון (תגובות הפוכות לתגובות הרשומות בטבלא, עם מתחים חשמליים הפוכים) ניתן לדעת האם תתרחש תגובת חימצון-חיזור באופן ספונטני: אם המתח המתקבל חיובי – התגובה תתרחש, ואם שלילי – התגובה לא תתרחש באופן ספונטני. (כדי לדייק בחישוב יש להתחשב גם בריכוז החומרים, אולם כדי לא לסרבל יותר מדי את התשובה אנו נתעלם מכך).
נדגים למה הכוונה עבור תגובת חימצון של נחושת:
-Cu -> Cu2+ + 2e מתקבל מתח של 0.34- וולט.
נראה האם אפשרית תגובה של נחושת עם חומצה רגילה, כלומר עם היון +H שמאפיין חומצות.
2H+ +2e- -> H2 תגובה זו עם מתח אפס וולט, כאמור.
התגובה הכוללת מתקבלת מחיבור שתי התגובות למעלה:
Cu + 2H+ -> Cu2+ + H2 והמתח של תגובה זו הוא מינוס 0.34 וולט, כלומר מתח שלילי, כלומר – תגובה בין נחושת לחומצה לא תצא אל הפועל. ובאמת נחושת נחשבת למתכת יחסית 'אצילה' שלא נוטה להגיב עם חומרים אחרים, ורק מחמצנים חזקים ביותר כמו חומצה חנקנית, HNO3, או חומצה גופרתית, H2SO4 רותחת מסוגלים להגיב איתה.
מחברי צינורות מנחושת (התמונות באדיבות אתר ויקיפדיה)
צינורות מים מנחושת נחשבים לעמידים ולטובים ביותר, בגלל עמידותה של הנחושת בפני חימצון. כמובן שסבון נוזלי לא מכיל חומרים חריפים כמו חומצה גופרתית, אולם, הרבה סבונים מודרניים מיוצרים כשהם בעלי רמת חומציות קלה, pH=5.5, שמותאמת לזו של העור. בסביבה חומצית בעלת חשיפה לאוויר, המכיל חמצן (O2) אפשרית תגובת החימצון הזו:
O2 + 4H+ +4e- -----> 2H2O, בעלת מתח של 1.23 וולט, שבסך הכל יוצרת תגובה ספונטנית עם נחושת: +2Cu + O2 + 4H+ -------> 2H2O + 2Cu2
בעלת מתח כולל של 1.23-0.34=0.89V+ כלומר מתח חיובי.
לסיכום – התרמודינמיקה מנבאה כי: לא תהייה תגובה בין כלי מנחושת לבין סבון נוזלי שיאוחסן בתוכו. אבל – סבון נוזלי שישפריץ על הכלי מבחוץ, בשילוב עם החמצן שבאוויר יובילו בהחלט לקורוזיה של הנחושת (אפשר יהיה לראות אותה על ידי הצבע האופייני ליון הנחושת +Cu2 - צבע ירוק-כחלחל)
מאת:ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
