La chimica della patina

La chimica della patina

I metalli possono essere classificati in base alla loro reattività. Alcuni, come il sodio, sono così reattivi che esplodono a contatto con l’acqua. Altri sono più stabili: l’oro ha una nobiltà così elevata che lo troviamo inalterato anche dopo migliaia di anni. Il rame è poco reattivo: significa che può reagire con l’ambiente circostante, ma più lentamente della maggior parte degli altri metalli: nella tavola periodica occupa la stessa colonna dell’argento e dell’oro ed è un metallo “quasi-nobile”.

Ha un potenziale elettrochimico superiore a 0 (che convenzionalmente è quello della reazione di ossidoriduzione dell’idrogeno (H+/H) e per questo non viene attaccato dagli acidi, tranne da quelli fortemente ossidanti.

La patina

Esposto all’aria e all’acqua, il rame si combina con l’ossigeno contenuto in esse e forma uno strato superficiale di ossido molto resistente. A differenza della ruggine del ferro, che è porosa e debole, questo composto del rame è resistente e ben ancorato al metallo sottostante, che quindi ne viene protetto: si tratta di una “corrosione positiva”, chiamata passivazione.  Il rame non si combina solo con l’ossigeno, ma anche con altri elementi contenuti nell’ambiente, dando luogo a composti dalla stechiometria variabile, che può cambiare da luogo a luogo: per esempio, in prossimità del mare, questi composti sono più ricchi di cloruri. Lo strato superficiale cambia anche nel corso del tempo e questo lo si osserva in architettura: un tetto di rame perde la sua brillantezza dopo qualche settimana e diventa sempre più scuro, a mano a mano che l’ossido si forma. Nel corso degli anni, quando il composto diventerà un sale composto anche da altri elementi, il suo colore tenderà al verde o verdeazzuro, una tonalità caratteristica di tanti sali di rame. Questa superficie protettiva di colore verde viene chiamata “patina” e non deve essere confusa con il verderame, che è un composto – solubile in acqua, quindi non durevole – usato in agricoltura.

In Italia, la Basilica palladiana di Vicenza viene considerata la più bella copertura di rame d’Italia: essa è rivestita in rame dal 1829, quindi quasi due secoli: un esempio della resistenza del rame e della sua patina.

La chimica del Patina

Il primo passo nello sviluppo di una patina è l’ossidazione del rame a l’ossido di rame (I) – ossido rameoso, Cu2O – che ha un colore rosso o rosa (equazione 1), che si forma inizialmente quando il metallo comincia a reagire con le molecole di ossigeno nell’aria.

L’ossido di rame (I) viene ulteriormente ossidato in ossido di rame (II) – ossido rameico, CuO – che è di colore nero (equazione 2).

Se l’aria contiene tracce di zolfo, dovuto ad esempio dalla combustione di combustibili fossili, si forma anche il solfuro di rame nero (CuS) (equazione 3).

Equazione 1     4Cu + O2 → 2Cu2

Equazione 2     2Cu2O + O2 → 4CuO

Equazione 3     Cu + S → CuS

Nel corso degli anni, CuO e CuS reagiscono lentamente con l’anidride carbonica (CO2) e gli ioni idrossido (OH) dell’acqua, formando vari sali come Cu2CO3(OH)2 (equazione 4), Cu3(CO3)2(OH)2 (equazione 5) e Cu4SO4(OH)6(equazione 6), che costituiscono la patina.

L’umidità e la concentrazione degli elementi nell’aria (composti dello zolfo, cloruri, ecc.) e perfino l’orientamento della superficie in rame hanno un impatto significativo sulla velocità di sviluppo della patina, nonché sul rapporto relativo dei tre componenti.

Equazione 4     2CuO + CO2 + H2O → Cu2CO3(OH)2

Equazione 5     3CuO + 2CO2 + H2O → Cu3(CO3)2(OH)

Equazione 6     4CuO + SO3 + 3H2O → Cu4SO4(OH)6

Nella tavola periodica, il rame è nella stessa colonna dell’argento (Ag) e oro (Au) e ne condivide numerose coratteristiche: la condizione di calore ed elettricità, nonchè una resistenza chimica superiore alla media dei metalli.

La patina verde del rame può essere creata anche a livello industriale: lastre diu rame pre-inverdite vengono impiegate in architettura per tetti, coperture e facciate, come in questo caso (ambasciata dei Paesi Nordici a Berlino)