Mengapa Tembaga Berubah Menjadi Hijau?

Tembaga tidak sekadar bertukar warna. Atom tembaga pada permukaannya bertindak balas dengan komponen persekitaran dan menghasilkan lapisan produk kakisan. Lapisan yang berkembang lama itu disebut patina. Kajian terhadap tembaga di atmosfera menunjukkan patina boleh mengandungi oksida, sulfat, klorida dan bahan lain, dengan komposisi yang berbeza mengikut lokasi dan keadaan pendedahan.

Kakisan ialah tindak balas redoks

Atom tembaga pada permukaan boleh mengalami pengoksidaan, iaitu kehilangan elektron. Secara ringkas, satu langkah pengoksidaan boleh ditulis Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Persamaan ini ialah separuh tindak balas dalam penerangan elektrokimia, bukan dakwaan bahawa semua tembaga terus menjadi ion Cu²⁺ bebas.

Elektron yang dilepaskan mesti digunakan dalam proses penurunan yang berlaku bersama. Pada permukaan lembap, oksigen boleh bertindak sebagai penerima elektron. Lapisan air yang sangat nipis penting kerana ia membolehkan pergerakan spesies bercas, maka kakisan atmosfera berlaku pada antara muka logam, kelembapan dan udara.

Perubahan warna berlaku berperingkat

Tembaga baharu berkilau kemerahan. Antara produk awal yang penting ialah kuprum(I) oksida, Cu₂O, yang boleh menghasilkan lapisan kemerahan atau perang. Pendedahan berterusan menghasilkan lapisan yang semakin kompleks. Pemeriksaan patina atmosfera berusia satu hingga 100 tahun menunjukkan struktur berlapis, dengan oksida dan sulfat sebagai komponen dominan dalam sampel yang dikaji.

Apakah bahan hijau itu?

Jawapan yang sering diberikan ialah karbonat kuprum, tetapi itu terlalu umum. Kajian klasik terhadap patina di kawasan bandar, luar bandar dan pantai mendapati patina hijau yang matang lazimnya mengandungi sulfat kuprum berbes sebagai komponen penting. Dalam atmosfera marin, klorida kuprum berbes boleh mendominasi. Karbonat kuprum berbes hanya menyumbang sedikit dalam sampel yang diperiksa.

Analisis spektroskopi terhadap patina lain menemui sulfur, klorin dan oksigen, dengan mineral brochantite, Cu₄(SO₄)(OH)₆, sebagai komponen utama pada permukaan beberapa sampel lama. Mineral berklorin seperti atacamite juga boleh hadir. Maka ayat yang lebih tepat ialah patina hijau ialah campuran produk kakisan tembaga yang komposisinya bergantung pada persekitaran.

Mengapa kawasan pantai boleh berbeza?

Udara pantai membawa aerosol garam yang kaya dengan ion klorida. Apabila ia mendap pada permukaan tembaga yang lembap, klorida boleh mengambil bahagian dalam kimia kakisan dan pembentukan mineral patina. Sebab itu dua bumbung tembaga daripada logam yang sama tidak semestinya mempunyai warna dan komposisi yang sama jika satu berhampiran laut dan satu lagi jauh di pedalaman.

Kelembapan juga sangat penting. Masa permukaan kekal lembap ialah pemboleh ubah kritikal dalam perkembangan patina semula jadi, dan dalam persekitaran sangat kering, patina sulfat matang mungkin tidak terbentuk.

Adakah patina merosakkan atau melindungi tembaga?

Patina matang yang melekat dengan baik boleh memperlahankan kakisan selanjutnya kerana bertindak sebagai lapisan pelindung relatif. Namun dakwaan bahawa patina sentiasa melindungi terlalu mutlak. Komposisi, keliangan, pencemaran dan keadaan basah-kering boleh mempengaruhi sifat lapisan, jadi fungsi patina perlu dinilai berdasarkan keadaan sebenar, bukan warnanya sahaja.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?