铜做的自由女神像会被腐蚀完吗?

作者: 小庄

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-03-14

本文详细描述了自由女神像的建造过程及其由铜色变为蓝绿色的化学反应,以及为了防止腐蚀所采取的措施和后续的修复工作。

说起美国纽约的标志性建筑物,最有名的要数高举火炬的自由女神像,这个蓝绿色的巨型雕像,矗立在纽约海港内自由岛的哈德逊河口。这个雕像,是法国为庆祝美国独立战争胜利一百周年送来的礼物,1876年奠基动工,直到1886年10月28日方才落成。这件礼物最初是亮锃锃的铜色,和现在的颜色相去甚远,后来的“变身”,要归功于一系列化学反应。

铜会和空气中的氧气反应,铜原子被氧原子夺去电子,生成红色的氧化亚铜:4Cu + O2 ══ 2Cu2O。因为空气中的氧气过剩,所以氧化铜会进一步和氧反应,生成黑色的氧化铜:2Cu2O + O2 ══ 4CuO。接下去,氧化铜又和空气中的二氧化碳和水反应,生成绿色的碱式碳酸铜,这种物质是孔雀石的主要成分:2CuO + CO2 + H2O ══ Cu2CO3(OH)2。

也有可能生成碳酸根和氢氧根配比不同的碱式碳酸铜,呈蓝色:3CuO + 2CO2 + H2O ══ Cu3(CO3)2(OH)2。

在自由女神像刚修建起来的年代,纽约的空气污染比较严重,其中有大量烧煤产生的硫氧化物,氧化铜和空气中的硫氧化物、水经过复杂反应,会生成一种叫做水胆矾的物质,它呈现漂亮的翠绿色:4CuO + SO3 +3H2O ══ Cu4SO4(OH)6。

正是碱式碳酸铜和水胆矾,让自由女神像的外观由棕黄的铜色变为蓝绿色。第一次变绿时,有人提出要给它刷一层漆把颜色变回来,不过后来专业人士指出,其实这层铜绿就是一个非常好的保护层,能够恰到好处地把金属和空气隔绝开,所以并没必要去多此一举。于是重刷女神像外层的计划被搁置,事实上,大家也都接受并喜欢上了它的新外观。

女神像的铜壳历经一个多世纪风霜雪雨,只磨损了5%,是非常了不起的成就,从这一点来说,不能不赞叹其制造者的深思远虑。女神像最初的设计师是一位叫做巴托尔迪的大雕塑家,他做出了整个塑像的外观,但真正把像建成却要依仗另一位建筑工程师埃菲尔——没错,就是设计埃菲尔铁塔的埃菲尔。这位举世闻名的工程师当时面临的难题是:用什么把这个46米高81吨重的铜壳立起来?

作为一个空心像,它其实挺薄,强度不足以支撑自身,另外还要经受大风的考验,必须给它做一个支架。而在一百多年前,可以选择用来做支架的材料并不是那么多,最合适的几乎只有钢材这一种。事实上,建造者们最终确实选了不锈钢,在女神像内部做出类似铁塔的精巧结构。

这个结构能解决支架的问题,却带来了另一个隐患。外层的铜和里面的钢铁架放在一起,暴露于空气中,形成了一个天然的伏打电池,会发生叫做“伽伐尼腐蚀”的化学反应:电子从电负性高的金属(铁)传到电负性低的金属(铜)上,在这个过程中形成电流,而失去电子的金属(铁)则渐渐被腐蚀破坏。雕塑“变身”并非独此一家,图为德国勃兰登堡门上方变为蓝绿色的胜利女神像。

当然,伏打电池的工作原理发现于19世纪早期,埃菲尔不可能不知道这一点,为了防止腐蚀发生,他把一层覆盖着沥青的石棉隔在铜壳和铁架之间,形成绝缘层,认为这样就万无一失了。埃菲尔没想到的是,女神像落成后的几十年里,不断有人以保护的名义,在里头刷漆,一层层的漆越刷越厚,也把大量水分保存起来,变成铜和铁之间传递电子的通道。

以至于到了上世纪80年代初,法、美两国不得不成立修复委员会,花掉数年时间,动用大量技术人员,给它做了个除锈大手术,并替换掉绝大部分的铆钉、螺栓、肋梁,把原来的石棉层换成特氟龙……这才赶上了1986年自由女神像百年庆典时,让它以焕然一新的面目出现,并继续接受此后漫长时期的环境考验。

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