Handout: Korrosion

Von Artur Brening
21.1.13
Handout: Korrosion
Allgemeines:
•
•
•
Chemische/elektrochemische Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner
Umgebung
Zersetzungsprozess
Beschleunigung durch Feuchtigkeit
Thermodynamische Betrachtung:
𝐹𝑒 2+ (𝑎𝑞) + 2 𝑒 − ⟶ 𝐹𝑒(𝑠)
 In saurer Lösung:
(𝑎) 2 𝐻 + (𝑎𝑞) + 2 𝑒 − ⟶ 𝐻2 (𝑔)
; 𝐸 ∘ = −0,44𝑉
; 𝐸 ∘ = 0𝑉
(𝑏) 4 𝐻 + (𝑎𝑞) + 𝑂2 (𝑔) + 4 𝑒 − ⟶ 2 𝐻2 𝑂(𝑙) ; 𝐸 ∘ = +1,23𝑉
 In basischer Lösung:
(𝑐) 2 𝐻2 𝑂(𝑙) + 𝑂2 (𝑔) + 4 𝑒 − ⟶ 4 𝑂𝐻 − (𝑎𝑞) ; 𝐸 ∘ = +0,40𝑉
→ Alle Redoxpaare können Eisen oxidieren, sie hängen jedoch vom pH-Wert ab!
Aus der Nernst’schen Gleichung folgt
𝐸(𝑎) = −0,059 𝑉 ∙ 𝑝𝐻
𝐸(𝑏) = 1,23 𝑉 − 0,059 𝑉 ∙ 𝑝𝐻
Kinetische Betrachtung:
•
•
•
Saurer (oder basischer Tropfen)
Ränder des Tropfens (Sauerstoff in geringen
Mengen gelöst): Auf Fläche A Reduktion von O2
durch Elektronen des Metalls
Inneres des Tropfens: Auf sauerstoffarmen Fläche
A‘ Oxidation des Metalls
→Bildung eines Lokalelements; kleine, kurzgeschlossene galvanische Zelle, die nur
innerhalb eines geringen Umkreises (lokal) wirkt
•
Betrachtung des Korrosionsstroms
→ Maß für die Geschwindigkeit der Korrosion
→Herleitung anhand der Butler-Volmer-Gleichung 𝑗 = 𝑗0 �𝑒 (1−𝑎)𝑓𝜂 −𝑒 −𝑎𝑓𝜂 }
j: Stromdichte, j0: Austauschstromdichte, a: Durchtrittsfaktor, 𝜂: Überspannung,
𝑓=

𝐹
𝑅𝑇
𝑓𝐸
𝐼𝐾𝑜𝑟𝑟 = 𝐴 ∙ 𝑗0 𝑒 4
Betrachtung der Austauschstromdichten:
(𝑎) 2 𝐻 + (𝑎𝑞) + 2 𝑒 − ⟶ 𝐻2 (𝑔)
𝐴
𝑐𝑚2
𝐴
10−14 𝑐𝑚2
; 𝑗0 = 10−6
(𝑏) 4 𝐻 + (𝑎𝑞) + 𝑂2 (𝑔) + 4 𝑒 − ⟶ 2 𝐻2 𝑂(𝑙) ; 𝑗0 =
→Eisen korrodiert demnach in saurer Lösung unter Wasserstoffentwicklung
→Allg.: Die Korrosionsgeschwindigkeit ist proportional zur Differenz der
Elektrodenpotenziale
Korrosionsschutz:
•
•
Korrosion abhängig von der exponierten Oberfläche des Metalls
Oberfläche muss unzugänglich gemacht werden
⇒ Lackschicht:
 Vergrößert effektiven Widerstand der Lösung
 Versagt, sobald der Lack porös wird
 Mögliche Fortschreitung der Korrosion unter dem Lack
⇒ Galvanisierung:
 Beschichtung mit passivierenden Metallen, z.B. Zink
 Schicht aus Zinkoxid schützt vor Korrosion
 Zinkoxid ist kinetisch inert
𝑀
 Pilling-Bedworth Verhältnis 𝑃 = 𝑀𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜𝑥𝑖𝑑
∙𝜌
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙
∙𝜌𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙𝑙𝑜𝑥𝑖𝑑
P>1: Oxidschicht hat eine passivierende Wirkung
P<1: Keine passivierende Oxidschicht
 Verringerung der Austauschstromdichte durch Oberflächenbeschichtung
⇒ Kathodischer Korrosionsschutz:
 Funktion eines Metalls als Opferanode
 Opferanode ist mit dem zu schützenden Metall von außen verbunden
 Abgabe von Elektronen der Opferanode an das zu schützende Metall
 Oxidation der Opferanode statt des zu schützenden Metalls
⇒ Aktiver kathodischer Korrosionsschutz:
 Statt einer Opferanode wird eine äußere Stromquelle angeschlossen
 Stromquelle stellt Elektronen zur Verfügung
Quellen:
 Elektronische Quellen:
 http://www.wegertseder.com/pages/techdat/td9-korrosion-rostschutz.asp
 http://der-andreas.de/TITELBILD.JPG
 http://www.honeywell.de/fp/fi/korrosion/Korrosion.jpg
 http://www.fys-online.de/wissen/ch/korrosion.htm
 http://d-nb.info/97390061x/34
 Literatur:
 Atkins/De Paula: Physikalische Chemie. - 4. Aufl. - Wiley-VCH, 2006
 Charles E. Mortimer, Chemie - Das Basiswissen der Chemie, Georg Thieme Verlag,
Stuttgart, 1996
 Riedel: Anorganische Chemie, 4. Aufl., de Gruyter ;Berlin, New York 1999