Korrosionschemie und Präventionsmethoden

Korrosion ist die allmähliche Zerstörung eines Metalls durch eine elektrochemische Reaktion mit seiner Umgebung, und das Rosten von Eisen ist das beste.-bekanntes Beispiel: Eisen wird an anodischen Bereichen oxidiert (Fe → Fe²⁺ + 2e⁻) und Sauerstoff in kathodischen Gebieten in Gegenwart von Wasser reduziert wird. Kurz gesagt: Eisen rostet, weil die Reaktion E° = +0.84 V, hat und es kann verhindert werden, indem man das Metall beschichtet, indem man es mit einem aktiveren Metall wie Zink schützt oder indem man es zur Kathode einer elektrischen Schaltung macht.

Korrosion kostet die Volkswirtschaften einen großen Teil ihrer Produktion: Schätzungen gehen von rund 3-4 % des Bruttoinlandsprodukts aus. Es beschädigt Brücken, Pipelines, Schiffe und Autos. Das Verständnis der Elektrochemie von Korrosion zeigt, wie man sie verhindern kann. Dieser Artikel erklärt den Mechanismus des Rosts, die Faktoren, die ihn beschleunigen, die wichtigsten Schutzmethoden mit einer Vergleichstabelle und einer Berechnung für eine Opferanode.

Wie rostet Eisen?

Rosting ist ein elektrochemischer Prozess, der an der Oberfläche des Metalls stattfindet, das als eine winzige galvanische Zelle fungiert. Ein Tropfen Wasser auf der Eisenoberfläche liefert den Elektrolyten. Regionen der Oberfläche unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung, Spannung oder Sauerstoffversorgung und werden so zu Anoden und Kathoden:

• Anode (Oxidation): Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻, E°(Reduktion) = −0.44 V. Dies geschieht in einer Grube oder an einem Kratzer, oft wo die Sauerstoffkonzentration am niedrigsten ist.
• Kathode (Reduktion): O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq), E° = +0.40 V. Dies geschieht in Gebieten mit einer besseren Sauerstoffversorgung. In saurer Lösung, , O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O (1.23 V) ist noch günstiger.
• Insgesamt: 2Fe + O₂ + 2H₂O → 2Fe(OH)₂,, mit E°_cell = 0.40 − (−0.44) = +0.84 V.

Die Elektronen fließen durch das Metall von Anode zu Kathode, und Ionen bewegen sich durch den Wasserfilm. Das Fe(OH)₂ wird durch Sauerstoff weiter zu Fe(OH)₃ und dann zu Eisen(III)oxidhydrat, , Fe₂O₃· xH₂O, oxidiert, das Rost ist. Rost ist porös und flockig, und so schützt es das Metall unten nicht vor weiteren Angriffen. Der Rost bildet sich, wo das Fe²⁺ auf Sauerstoff trifft, oft weg von der Grube, in der sich das Eisen auflöst.

Was beschleunigt die Korrosion?

• Wasser und Sauerstoff: Beides wird benötigt. Eisen in trockener Luft oder in gekochter Luft-Freies Wasser rostet nicht.
• Gelöste Salze: Ionen machen das Wasser leitfähiger, so dass sich Rost in der Nähe des Meeres oder auf im Winter gesalzenen Straßen schneller bildet.
• Säuren: Ein niedriger pH-Wert begünstigt die Reduktion von Sauerstoff und H⁺.
• Kontakt mit einem weniger aktiven Metall: Eisen in Kontakt mit Kupfer oder Zinn korrodiert schneller, weil das andere Metall als Kathode wirkt.
• Belastung und Oberflächenfehler: Gebogene oder zerkratzte Bereiche neigen dazu, Anoden zu werden.
• Temperatur: Wie bei den meisten Reaktionen ist Korrosion schneller, wenn es warm ist.

Wie kann Korrosion verhindert werden?

1. Barrierebeschichtungen: Farbe, Kunststoff, Emaille, Öl oder Fett halten Wasser und Sauerstoff fern. Sie versagen, wenn die Beschichtung zerkratzt ist.
2. Metallische Beschichtungen: galvanisch oder in Metallschmelze tauchend Galvanisieren ist die Beschichtung von Stahl mit Zink; Zinnplattierung wird für Lebensmitteldosen verwendet.
3. Opferschutz: Ein aktiveres Metall (Zink, Magnesium, Aluminium) wird mit dem Eisen verbunden und korrodiert stattdessen. Es ist die Anode, und das Eisen ist die Kathode.
4. Kathodischer Schutz durch einen eingeprägten Strom: Die Struktur ist mit dem negativen Anschluss einer Gleichstromquelle verbunden, mit einer inerten Anode im Boden, die die gesamte Struktur zu einer Kathode macht. Es wird für Rohrleitungen und Lagertanks verwendet.
5. Legierung: Edelstahl enthält mindestens 10.5 % Chrom, das ein dünnes, selbst bildet-Heilschicht aus Chromoxid.
6. Passivierung und Inhibitoren: Chemikalien, die dem Wasser oder der Oberfläche zugesetzt werden und die Reaktionen verlangsamen, z. B. Chromate, Phosphate oder Nitrite.
7. Design: Vermeidung von Rissen, in denen sich Wasser sammeln kann, und Vermeidung des Kontakts verschiedener Metalle.

Vergleich der Schutzmethoden

Warum ist Zink besser als Zinn?

Standard-Reduktionspotentiale: Zn²⁺/Zn, −0.76 V; Fe²⁺/Fe, −0.44 V; Sn²⁺/Sn, −0.14 V. Zink ist aktiver als Eisen, so dass, wenn die Beschichtung zerkratzt wird und Eisen freigelegt wird, Zink wird die Anode und korrodiert zuerst, und Eisen bleibt geschützt als Kathode. Zink bildet außerdem eine Schutzschicht aus Zinkcarbonat. Zinn ist weniger aktiv als Eisen, so dass ein Kratzer Eisen als Anode mit einem großen kathodischen Bereich aus Zinn um ihn herum freilegt, und das Eisen korrodiert schneller, als wenn es nicht plattiert worden wäre. Aus diesem Grund müssen Blechdosen eine intakte Beschichtung aufweisen, die oft mit Lack ergänzt wird.

Wie lange hält eine Opferanode?

Bearbeitetes Beispiel

Eine Rohrleitung wird durch eine 10.0 kg-Magnesiumanode geschützt, die einen durchschnittlichen Strom von 0.050 A liefert. Wie lange hält es, vorausgesetzt, 100 % Effizienz?

1. n(Mg) = 10,000 g / 24.305 g/mol = 411.4 mol.
2. Mg → Mg²⁺ + 2e⁻, so n(e⁻) = 2 × 411.4 = 822.8 mol.
3. Q = 822.8 × 96,485 = 7.94 × 10⁷ C.
4. t = Q / I = 7.94 × 10⁷ / 0.050 = 1.59 × 10⁹ s,, oder etwa 50 Jahre.

Echte Anoden werden nicht vollständig genutzt und einige der Magnesium korrodiert, ohne nützliche Strom zu erzeugen, so dass ihre Lebensdauer kürzer ist, vielleicht 25 Jahre oder weniger, und sie werden regelmäßig ersetzt.

Was ist mit anderen Metallen?

Aluminium ist viel aktiver als Eisen (E° = −1.66 V), aber es widersteht Korrosion in der Luft, weil es eine fest gebundene, transparente Schicht aus Al₂O₃ bildet, die eine weitere Oxidation stoppt. Durch Anodisieren wird diese Schicht dicker. Die grüne Patina auf Kupferdächern und die Anlaufstelle auf Silber, die Ag₂S,, sind andere Formen der Korrosion, die sich schützend oder zumindest langsam bilden-wachsende Filme. Gold korrodiert nicht, da sein Reduktionspotential so hoch ist (+1.50 V für Au³⁺/Au).

Wie wurde Korrosion erklärt?

Humphry Davy vorgeschlagen kathodischen Schutz im Jahr 1824 für die Kupferummantelung der Royal Navy Schiffe, indem Eisen oder Zink Stücke an sie befestigt. Die Idee funktionierte, aber das geschützte Kupfer verhinderte nicht mehr das Wachstum von Meeresorganismen, was die Schiffe verlangsamte. Die elektrochemische Natur der Korrosion wurde in der frühen 20Jahrhundert, in der Arbeit von Ulick Evans, der in der 1920s dass die Rostbildung von getrennten anodischen und kathodischen Bereichen abhängt, die er mit Wassertropfen demonstrierte, die einen Indikator auf Eisen enthielten.

Welche Fehler treten häufig auf?

• Denken, dass Rost nur aus Sauerstoff entsteht: Wasser wird auch benötigt.
• Glauben, dass alle Beschichtungen schützen, wenn sie zerkratzt werden: Zinn nicht.
• Mischen des Opfermetalls und des geschützten Metalls: Das aktivere Metall ist die Anode.
• Angenommen, Rost schützt das darunter liegende Eisen, wie Aluminiumoxid: Rost ist porös.
• Vergessen, dass Salz Rost beschleunigt: es macht den Elektrolyten leitfähiger.