Experimentalvortrag Korrosion von Kathrin Adam

Gliederung Allgemein Definition (Korrosion/Rost) Bedeutung Arten von Korrosion Erscheinungsformen von Korrosion Korrosionsvorgang Entfernen von Rost Korrosionsschutz Schulrelevanz

Korrosion – lat. corrodere = zerfressen, zernagen Allgemein Korrosion – lat. corrodere = zerfressen, zernagen Definition nach DIN 50900 Teil 1: Korrosion ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder eines ganzen Systems führen kann. [...]

Erste schriftliche Aufzeichnungen über Rost: PLATON (427-347 v. Chr.) Allgemein Rost: Als Rost bezeichnet man für gewöhnlich die Korrosion von Eisen an der Luft oder in wässrigen Lösungen. Erste schriftliche Aufzeichnungen über Rost: PLATON (427-347 v. Chr.) Rost = Erdige, das sich aus dem Metall ausscheidet

Bedeutung von Korrosion Allgemein Bedeutung von Korrosion 25 Mrd. Euro Verlust am BSP durch Korrosion ⅓ der jährlichen Eisenproduktion nur für Ausgleich der Verluste durch Rost Umweltkatastrophen (defekte Erdöltanks) Unfälle (Hauseinsturz, defekte Halterungen)

Arten von Korrosion Chemische Korrosion: Allgemein Arten von Korrosion Chemische Korrosion: Metallkorrosion in oxidierenden Gasen Elektrochemische Korrosion: Metallkorrosion in wässrigen Elektrolyten (Sauerstoffkorrosion, Säurekorrosion)

Was passiert beim Rosten? Allgemein Versuch 1 Was passiert beim Rosten?

0 -2 Korrosion = Redox-Reaktion Oxidation: Reduktion: Allgemein Korrosion = Redox-Reaktion Oxidation: 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- Reduktion: 0 -2 O2 (aq) + 2 H2O + 4 e- 4 OH-(aq)

Erscheinungsformen von Korrosion Allgemein Erscheinungsformen von Korrosion Ebenmäßige Korrosion: Korrosion parallel zur Oberfläche des Metalls Lochfraß: lokalisierte Korrosion Interkristalline Korrosion: Korrosion entlang von Korngrenzen, vor allem bei Legierungen

Korrosionsvorgang: Primäroxidation 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- Reduktion 0 -2 O2 (aq) + 2 H2O + 4 e- 4 OH-(aq) Fällung 2 Fe2+(aq) + 4 OH-(aq) 2 Fe(OH)2 (s) Sekundäroxidation +2 +3 2 Fe(OH)2 (s) + ½ O2 (aq) 2 FeO(OH)(s) + H2O Rostbildung 2 FeO(OH)(s) „Fe2O3·H2O“(s) (rotbraun)

+2 +2/+3 Zu wenig O2 für vollständige Oxidation des Fe(OH)2 (s) Korrosionsvorgang Zu wenig O2 für vollständige Oxidation des Fe(OH)2 (s) Bildung von Zwischenstufen: +2 +2/+3 6 Fe(OH)2 (s) + O2 (aq) 2 Fe3O4·H2O(s) + 4 H2O (grün) 2 Fe3O4·H2O(s) 2 Fe3O4 (s) + 2 H2O (schwarz)

Korrosionsvorgang Sauerstoffkorrosion Säurekorrosion

Demo 1 Korrosion von Eisen Korrosionsvorgang Demo 1 Korrosion von Eisen

gebogener Nagel Knickstelle geglüht Korrosionsvorgang gebogener Nagel unveränderter Nagel geglühter Nagel gebogener Nagel Knickstelle geglüht

(lösliches Turnbulls-Blau) rote Zone: Überschuss an OH--Ionen Korrosionsvorgang blaue Zone: 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- (Primäroxidation) +2 +3 +2 +3 Fe2+(aq) + 3 K+(aq) + [Fe(CN)6]3-(aq) K[FeFe(CN)6](aq) + 2 K+(aq) (lösliches Turnbulls-Blau) rote Zone: Überschuss an OH--Ionen Indikator Phenolphthalein bei pH > 9 rot

Überschuss an OH--Ionen durch: Sauerstoffkorrosion: 0 -2 Korrosionsvorgang Überschuss an OH--Ionen durch: Sauerstoffkorrosion: 0 -2 O2 (aq) + 2 H2O + 4 e- 4 OH-(aq) Säurekorrosion: +1 0 2 H3O+(aq) + 2 e- H2 (aq) + 2 H2O

Korrosion besonders stark am Nagelkopf Geglühter Nagel: Korrosionsvorgang Unveränderter Nagel: Korrosion besonders stark am Nagelkopf Geglühter Nagel: keine Korrosion im geglühten Bereich Gebogener Nagel: besonders starke Korrosion an der Knickstelle Gebogener und geglühter Nagel: keine Korrosion an Knickstelle

Lokalelemente beschleunigen elektrochemische Korrosion Korrosionsvorgang Lokalelemente beschleunigen elektrochemische Korrosion sind kurzgeschlossene galvanische Elemente Galvanisches Element: benannt nach Luigi Galvani (1737-1798) elektrochemische Zelle in der chemische in freie elektrische Energie umgewandelt wird Aufbau: 2 verschiedene Metalle, Elektrolyt

Kontaktkorrosion zwischen Korrosionsvorgang Versuch 2 Kontaktkorrosion zwischen Fe und Cu

EMK = elektromotorische Kraft Korrosionsvorgang Anode (Eisennagel): 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- E0 = -0,41 V Kathode (Kupferblech): +1 0 2 H3O+(aq) + 2 e- H2 (aq) + 2 H2O E0 = 0 V EMK = ΔE0 = E0 (Kathode) + (-E0 (Anode)) ΔE0 = 0,41 V EMK = elektromotorische Kraft

Korrosionsvorgang

Korrosionsvorgang

Entfernen von Rost Rost: Fe2O3 , FeO(OH) mechanische Entfernung (z.B. schmirgeln) Rostentferner (z.B. Säure) Rostumwandler

(Rostentferner/-umwandler) Entfernen von Rost Versuch 3 Entfernen von Rost (Rostentferner/-umwandler)

Citronensäure Komplexierung durch Citronensäure (C6H8O7): Entfernen von Rost Citronensäure Komplexierung durch Citronensäure (C6H8O7): FeO(OH)(s) + 2 C6H8O7 (aq) + H2O [Fe(C6H5O7)2]3-(aq) + 3 H3O+(aq)

Cola Komplexierung durch Citronensäure: Umwandlung des Rosts: Entfernen von Rost Cola Komplexierung durch Citronensäure: FeO(OH)(s) + 2 C6H8O7 (aq) + H2O [Fe(C6H5O7)2]3-(aq) + 3 H3O+(aq) Umwandlung des Rosts: Fe3+(aq) + PO43-(aq) FePO4 (s) Phosphatierung: 0 +1 +2 0 3 Fe(s) + 6 H3O+(aq) + 2 PO43-(aq) Fe3(PO4)2 (s) + 3 H2 (g) + 6 H2O

Korrosionsschutz Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion) kathodischer Korrosionsschutz Verbindung mit unedleren Metallen (Opferanode)

Versuch 4 Opferanode (Mg) Korrosionsschutz Versuch 4 Opferanode (Mg)

Kathode (Eisennagel): +1 0 2 H3O+(aq) + 2 e- H2 (g) + 2 H2O Korrosionsschutz Anode: 0 +2 Mg(s) Mg2+(aq) + 2 e- E0 = -2,36 V Kathode (Eisennagel): +1 0 2 H3O+(aq) + 2 e- H2 (g) + 2 H2O

Opferanoden aus einem Warmwasserbereiter Korrosionsschutz Opferanoden aus einem Warmwasserbereiter

Zink-Opferanoden an einem Schiff Korrosionsschutz Zink-Opferanoden an einem Schiff

Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion) kathodischer Korrosionsschutz Verbindung mit unedleren Metallen (Opferanode) Verbindung mit anderer metallischer Struktur, die über Fremdstromversorgung zur Anode wurde anodischer Korrosionsschutz Überzug mit Metall, auf dem sich eine festhaftende Oxidschicht bildet Entfernung bzw. Reduzierung der Wirkung der angreifenden Stoffe Umgebung wird Reduktionsmittel zugesetzt Inhibitor

Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe) anorganische und organische Überzüge und Deck- und Sperrschichten Oxide, Phosphate, Silikate, Emaille, Zement, Gummi, Polyethylen, Polypropylen Lackierungen Anstriche (Bsp.: Kunstharze, Mennige, Bleichromat) metallische Überzüge Überzug mit edlerem Metall Überzug mit unedlerem Metall

Verkupfern eines Eisennagels Korrosionsschutz Versuch 5 Verkupfern eines Eisennagels

Kupferabscheidung auf Eisennagel Korrosionsschutz Oxidation: 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- Reduktion: +2 0 Cu2+(aq) + 2 e- Cu(s) Kupferabscheidung auf Eisennagel

Schutzwirkung durch Kupfer- bzw. Zinküberzug Korrosionsschutz Versuch 6 Schutzwirkung durch Kupfer- bzw. Zinküberzug

Wenn schützende Cu-Schicht defekt: Anode (Fe-Nagel): 0 +2 Korrosionsschutz Cu-Überzug Wenn schützende Cu-Schicht defekt: Anode (Fe-Nagel): 0 +2 Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- Kathode (Cu-Schicht): +1 0 2 H3O+(aq) + 2 e- H2 (g) + 2 H2O Nachweis von Fe2+-Ionen: +2 +3 +2 +3 Fe2+(aq) + 3 K+(aq) + [Fe(CN)6]3-(aq) K[FeFe(CN)6](aq) + 2 K+(aq) (lösliches Turnbulls-Blau)

0 +2 +1 0 Zn-Überzug Mit der Zeit: Auflösung der Zn-Schicht Korrosionsschutz Zn-Überzug Mit der Zeit: Auflösung der Zn-Schicht Wenn Zn-Schicht defekt: Anode (Zn-Schicht): 0 +2 Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e- Kathode (Fe-Nagel): +1 0 2 H3O+(aq) + 2 e- H2 (g) + 2 H2O Nachweis von Zn2+-Ionen: 3 Zn2+(aq) + 2 [Fe(CN)6]3-(aq) Zn3[Fe(CN)6]2 (aq) (hellgelb)

Korrosionsschutz

Überzug mit einem edleren Metall: Nachteil: wenn Überzug defekt Korrosionsschutz Fazit Überzug mit einem edleren Metall: Nachteil: wenn Überzug defekt raschere Korrosion, da Kontaktkorrosion Überzug mit einem unedleren Metall: Vorteil: Überzug schützt auch dann noch, wenn dieser defekt ist Nachteil: Überzug löst sich auf ständige Abgabe von Schwermetallionen an die Umwelt

Wann korrodiert eine verzinnte Dose? Korrosionsschutz Demo 2 Wann korrodiert eine verzinnte Dose?

Korrodierte Weißblechdose Korrosionsschutz Korrodierte Weißblechdose

Sn(s) + ½ O2 (aq) + 2 H3O+(aq) Sn2+(aq) + 3 H2O Korrosionsschutz Oxidation: 0 +2 Sn(s) Sn2+(aq) + 2 e- Reduktion: 0 -2 ½ O2 (aq) + H2O + 2 e- 2 OH-(aq) OH-(aq) + H3O+(aq) 2 H2O Gesamtreaktion: 0 0 +2 -2 Sn(s) + ½ O2 (aq) + 2 H3O+(aq) Sn2+(aq) + 3 H2O

Schulrelevanz (nach G8) 7G.2 Stoffe werden verändert (Die chemische Reaktion) Reaktionen von Metallen und Nichtmetallen mit Luft (Sauerstoff) 10G Redoxreaktionen 12G.2 GK/LK Wahlthema Angewandte Chemie Werkstoffe (Metalle) 12G.2 LK Wahlthema Elektrochemie Wahlthema Komplexchemie

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!