Oxidation - Reduktion

Sidan senast granskad/uppdaterad: 2013-01-16
Förteckning

1. Fotosyntesen - en redoxreaktion av största betydelse

2. Redoxreaktioner - viktig för återvinning av kemikalier i massaindustrin

2.1 Röntgenstrålning till hjälp

2.2 Förnyad konserveringsteknik

2.3 Källor

1. Fotosyntesen – en redoxreaktion av största betydelse

Kanske en av de viktigaste reaktionerna på vår planet är fotosyntesreaktionen som sker i de gröna växterna. Fotosyntesen är en komplicerad reaktion som sker i flera delsteg, men kan sammanfattas med följande reaktionsformel: 

6CO2 (g) + 6 H2O (g) + ljusenergi → C6H12O6 + 6 O2(g) 

När vattenmolekylen sönderdelas med hjälp av solljuset till H+ och O2, frigörs elektroner (oxidation). Samtidigt tar koldioxid upp vätejonerna elektronerna (reduktion) och bildar glukos. 

2. Redoxreaktioner – viktig för återvinning av kemikalier i massaindustrin

Vid framställningen av pappersmassa i den så kallade sulfatprocessen återvinns många av de kemikalier som används i processen.

Träflisorna kokas med en lösning som kallas vitlut och består av natrium­hydroxid, NaOH och natriumsul­fid, Na2S. När natriumsulfiden löses i vatten reagerar sulfidjonerna med vatten och ger vätesulfidjoner och hydroxidjoner. Under kokningens gång förändras vitlutens sammansättning. Hydroxidjonerna bildar karbonat och vätesulfiden blir till sulfat. Dessutom mörknar färgen på kokvätskan på grund av att den bland annat innehåller lignin och därför kallas den för svartlut. 

När kokningen är klar så indunstas (vatten kokas bort) svartluten. Den förbränns sedan i en jättelik ugn som är uppdelad i flera sektioner och som kallas sodapanna. Sodapannan är ofta den mest dominerande byggnaden i en massafabrik och fungerar både som ångpanna och kemisk reaktor. Svartluten sprutas in i botten där det råder brist på syrgas. Här sker en ofullständig förbränning av organiska ämnen där kolmonoxid, vatten och vätgas bildas. Högre upp i pannan finns överskott på luft och där sker en fullständig förbränning av gaserna.

Södra Cells sodapanna i Väröbruk 
Foto: Mårten Ericsson


 

Kontrollrummet varifrån man styr och kontrollerar olika parametrar i sodapannan
Foto: Mårten Ericsson

En stor mängd värme bildas vid förbränningen. Värmeenergin transporteras i form av het vattenånga till övriga delar av fabriken. I vissa fall kan även överskottsvärme exporteras ut i fjärrvärmenät för uppvärmning av byggnader utanför fabriken. Så förser exempelvis Södra Cells massafabrik på västkusten centralorten Varberg med energi. Av värmen kan även elektricitet produceras.

I den höga temperaturen i ugnen reduceras natriumsulfat tillbaka till natriumsulfid. I botten på ugnen bildas en smälta av natriumsulfid och natriumkarbonat. Den löses i vatten och får en grönaktig färg och kallas därför grönlut. Natriumkarbonaten i grönluten ombildas genom en rad reaktioner till natriumhydroxid i andra delar av fabriken. 

Många kemikalier i massaindustrin återvinns och bildar ett kretslopp.

Redoxreaktioner påverkar hållbarheten på gamla skeppsvrak i trä. 

Under de senaste decennierna har ett flertal berömda historiska skeppsvrak bärgats ur havet och ställts ut på museum. Mest välbekant för den svenska allmänheten är regalskeppet Vasa, som sjönk på sin jungfrufärd i Stockholms hamn 1628 och bärgades 333 år senare. Andra internationellt kända skeppsvrak är Mary Rose (1545) i Portsmouth, England och Batavia (1629) i Fremantle, Australien. Gemensamt för dessa och andra marinarkeologiska träföremål är att de anaeroba (syrefattiga) förhållandena bevarat dem relativt väl. Miljön på sjöbotten kan dock innebära andra, mer negativa konsekvenser för det långsiktiga bevarandet.

 

Ekskrovet från Vasa har spraybehandlats med en polyetylen-glykollösning som ersätter vattnet och förhindrar sprickbildning när träet torka

Ett problem som nyligen uppmärksammats är utvecklandet av svavelsyra i skrovet på många konserverade marinarkeologiska träföremål. Svavelsyran bildas från olika reducerade svavelföreningar som ackumulerats i träet under tiden på havsbotten. Vid nedbrytningen av organiskt avfall i havsvatten konsumeras syre. När bakterier i syrefattigt vatten bryter ned organiskt material, till exempel kolhydrater (CH2O)n, reduceras samtidigt sulfatjoner; SO42- till svavelväte; H2S (aq). 

(CH2O)n + n/2SO42- n/2H2S(aq) + nHCO3-

Det upplösta svavelvätet kan tränga in i träet. Där övergår det till fasta reducerade svavelföreningar i träets lignin. Exempel på en grupp svavelföreningar är tioler, R-SH (R innebär en organisk del). Om järnjoner finns närvarande bildas även järn(II)sulfider.

Kemiska analyser visar att det under århundradena ackumulerats omkring 1% (ca 2 ton) totalsvavel i Vasas respektive Mary Rose’s skrov.   

När skeppen bärgas och exponeras för syre och fukt började svavelföreningarna långsamt oxidera till svavelsyra; H2SO4. Syran kan på sikt bryta ned cellulosafibrerna i träet, vilket minskar skrovets stabilitet. Under åren på botten har även skeppens järnbultar och spikar rostat och tillfört järnjoner, vilket utgör ett särskilt problem eftersom järn katalyserar oxidationsprocessen och alltså påskyndar bildningen av svavelsyra. Kombinationen svavelväte och järn(II)joner på havsbotten bildar järnsulfider t.ex. pyrit; FeS2, som är instabila när det fuktiga träet kommer i kontakt med syre: 

FeS2 (s) +  7/2O2 + (n+1)H2O FeSO4·n(H2O)(s) + H2SO4 (aq) 

Sulfatjonerna från svavelsyran bildar järnsalter, till exempel jarosit; NaFe3(SO4)2(OH)6 (s), vilka syns på träets yta i form av missprydande utfällningar (se Figur 1). 

2.1 Röntgenstrålning till hjälp

Röntgenstrålning är känd för sin medicinska användning, men kan också vara till hjälp vid behandlingen av känsliga skeppsvrak. Provet som skall studeras röntgenstrålas med given energi, som gör att elektroner i atomernas inre elektronskal exiteras till ett högre energitillstånd, eller skickas ut som fotoelektroner. Därefter mäts antingen den kinetiska energin hos dessa fotoelektroner (fotoelektronspektroskopi), eller så analyseras den röntgenstrålning som provet avger när den exiterade atomen återvänder till sitt normaltillstånd (röntgenfluorescens). 

I en så kallad synkrotron förmås elektroner accelerera tills de uppnår mycket hög energi. Röntgenstrålningen som produceras vid en synkrotron är tusen miljarder gånger starkare än strålningen som produceras av sjukhusröntgeninstrument. På grund av detta kan den smala och mycket intensiva strålningen av synkrotronljus användas till att studera materia på en detaljnivå som är omöjlig att uppnå med standardröntgen. Synkrotronljuskällor (det finns för närvarande 70 synkrotroner i världen) kan därför liknas vid supermikroskop, vilka används inom en mängd forskningsområden, såsom materialvetenskap, biologi och fysik men också för analys av trä från historiska skeppsvrak där kvantitet, spridning och kemiskt tillstånd hos svavel- och järnföreningarna fastställs i detalj. Denna information är väsentligt för att kunna dra slutsatser om den bästa strategin för att åtgärda de skadliga svavel- och järnföroreningarna samt förbättra konserveringsmetoderna. 

 

Foto: Statens Maritima Museer

2.2 Förnyad konserveringsteknik

Järnet i Vasas, Mary Rose’s och Batavia’s träskrov samspelar sannolikt även med konserveringsmedlet PEG (polyetylenglykol), som de flesta större marinarkeologiska föremål världen över behandlats med. Eftersom järn är känt för att katalysera många oxidativa processer finns det goda skäl att försöka avlägsna det ut träet.

En metod att lösa järnföreningar i träet är att använda ett ämne kallat EDMA. EDMA bildar mycket starka bindningar med järn(III) och löser upp järnföreningarna i arkeologiskt trä. Natriumsaltet av det lösliga järnkomplexet, [Fe(III)-EDMA]-, används i stora kvantiteter för ge näring (järntillskott) åt plantor i citrusodlingar i södra Europa. Järn är olösligt i jordar med högt pH värde s.k. alkaliska jordar. Även rost, FeOOH(s), bildar vattenlösliga komplex i alkaliska lösningar med EDMA och kan tvättas ur träet (Figur 2).

2.3 Källor

Texten om restaurering av regalskeppet Vasa är hämtad från artikel av Yvonne Fors ”Skeppsvrak, svavel & syra; Ny forskning för bevarandet av marinarkeologiska skatter” som publicerades i KRC´s informationsbrev nr. 39, 2006. 

Mer om skeppen Batavia,  Mary Rose  ochVasa samt museerna där du kan beskåda dem hittar du på:
www.maryrose.org
www.vasamuseet.se

Detaljer om forskningen kring att bevara Vasa och Mary Rose finns på:
http://www.fos.su.se/~magnuss/index.html

Texten kan också laddas ner här

Ett samarbete mellan: