داستان های مهندسی مواد 1: مجسمه آزادی

مجسمه آزادی از طرف فرانسه به ایالات متحده آمریکا در سال 1886 به مناسبت صدمین سال استقلال آمریکا از بریتانیا هدیه داده شد. سازنده این مجسمه فردریک آگوست بارتولدی می باشد. این مجسمه 45 متری در بندر نیویورک نصب گردید.

این مجسمه در ابتدا ظاهری مانند شکل امروزی خود نداشت و رنگ مسی (قهوه ای درخشان) داشت ولی در سال 1900 کم کم مشخص شد که رنگ مجسمه کم کم به سمت رنگ سبز آبی می رود. این موضوع در ابتدا موجب نگرانی هایی در مردم، رسانه ها و مسئولین شد و موجب این سوال شد که آیا رنگ زدن مجسمه نیاز است یا نه. این مهم سبب شکل گیری تحقیقاتی توسط سپاه مهندسی ارتش آمریکا روی این پدیده شد و نتیجه این شد که پتینه (لایه اکسیدی مس) روی سطح، از مجسمه محافظت و آن را زیبا می سازد. پیش از بررسی جنبه های علمی این پدیده، جالب است که بدانید که ظاهراً طراح فرانسوی، بارتولدی، از این موضوع خبر داشته و در طراحی مجسمه این مورد پیش بینی شده بوده.

اکسیداسیون مس همواره و به یک باره به این رنگ نیست منجر نمی شود و شرایط محیطی این مجسمه در طی شدن این روند مؤثر بوده است. در واقع این رنگ سبز حاصل یک واکنش ساده بین مس و اکسیژن نیست. مس واکنش هایش را در محیط ادامه می دهد تا کربنات مس، سولفید مس و سولفات مس تشکیل دهد.

سه ترکیب اصلی پینه سبز آبی را تشکیل می دهند:

• Cu₄SO₄(OH)₆         (سبز)
• Cu₂CO₃(OH)₂         (سبز)
• Cu₃(CO₃)₂(OH)₂      (آبی)

فرآیند تشکیل اکسیدها

فرآیند تشکیل این اکسیدها به صورت زیر است:

در ابتدا مس با اکسیژن هوا واکنش می دهد و یک واکنش اکسایش-کاهش رخ می دهد. مس الکترون به اکسیژن اهدا می کند که سبب اکسایش مس و کاهش اکسیژن می شود:

2Cu + O₂ -> Cu₂O (صورتی یا سرخ)

سپس اکسید مس (I) به واکنش با اکسیژن ادامه می دهد تا اکسید مس (CuO) تشکیل دهد:

2Cu₂O + O₂ -> 4CuO (سیاه)

در زمانی که مجسمه بنا شده، هوا به دلیل سوزاندن ذغال سنگ حاوی مقدار زیادی آلودگی سولفور بوده است:

Cu + S -> CuS (سیاه)

CuO و CuS  با دی اکسید کربن (CO₂) در هوا و یون هیدروکسید (^–OH) از بخار آب واکنش می دهد تا سه ترکیب زیر را تشکیل دهد:

2CuO + CO₂ + H₂O -> Cu₂CO₃(OH)₂ (سبز)

3CuO + 2CO₂ + H₂O -> Cu₃(CO₃)₂(OH)₂ (آبی)

4CuO + SO₃ + 3H₂O -> Cu₄SO₄(OH)₆ (سبز)

سرعت تشکیل پتینه (20 سال در مورد مجسمه آزادی) و رنگ آن تنها به حضور اکسیژن و دی اکسید کربن وابسته نیست و به رطوبت و آلودگی هوا نیز وابسته است. در واقع سرعت تشکیل پتینه و نسبت این سه اکسید به شرایط محیطی بستگی دارد. تقریباً اکثر مس این سازه از ابتدای نصب بوده و 130 سال قدمت دارد.

منابع:

https://www.thoughtco.com/why-statue-of-liberty-is-green-4114936

https://copperalliance.org.uk/knowledge-base/education/education-resources/copper-reactivity-patination/

https://www.jtcroofing.co.uk/news/why-does-copper-turn-green/