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23.03.2010

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A. Allgemeine Chemie6 Elektrochemie• Chem Reaktionen durch/mit Strom• Chem. Reaktionen durch/mit Strom

(zB: Elektrolyse, Beschichtung, Akku-Ladung)• Chem. Reaktionen die Strom liefern

(zB: Batterien, Akku-Entladung, Korrosion)• Oxidation - Reduktion

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A.6.1. Definition Oxidation• chemische Vereinigung von Elementen oder Verbindungen mit

Sauerstoff (Bildung von Oxiden):– Verbrennung von Kohlenstoff: C + O2 = CO2

– Schwefelung von Fässern: S + O2 = SO2 + H2O = H2SO3

– Rosten des Eisens,…• alte Definition: Oxidation ist die Aufnahme von Sauerstoff• Bildung eines Oxids aus Element ist exotherm!

• Oxidation ist eigentlich ein elektrochemischer Prozess:Oxidation ist die Abgabe von Elektronenan ein Oxidationsmittel (meist Sauerstoff),welches dabei selbst reduziert wird (nimmt die e- auf).– Elektronenabgabe (Elektronendonator)

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A.6.1. Definition Reduktion• chemische Abspaltung von Sauerstoff aus Verbindungen:

– Reduktion im Hochofen: FeO + CO = Fe + CO2Reduktion im Hochofen: FeO CO Fe CO2

– Aluminiumgewinnung: Al2O3 + 6 e- (Gleichstrom) = 2 Al + 3 O• alte Definition: Reduktion ist die Abgabe von Sauerstoff• Bildung eines Elements aus Oxid ist endotherm!

• Reduktion ist eigentlich ein elektrochemischer Prozess:Reduktion ist die Aufnahme von Elektronenvon einem Reduktionsmittel (meist H, C, Strom),( , , ),welches dabei selbst oxidiert wird (gibt die e- ab).– Elektronenaufnahme (Elektronenakzeptor)

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RedOx-Reaktionen

• Weder Oxidation noch Reduktion können fü i h ll i ft t d i dfür sich alleine auftreten, sondern sind vielmehr miteinander zeitlich gekoppelt:freie Elektronen sind im chemischen System nicht beständig!

• Räumliche Trennung in Batterien möglich!• Redox-Reaktionen:

Übertragung von Elektronen!

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A.6.2 hierachische Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen1. Elemente / Elementverbindungen haben die Oxidationszahl = 0

Beispiele: Na Fe Cl2 N2 H2 S2 2 2(0) (0) (0) (0) (0) (0)

2. In Verbindungen ist die Summe aller Oxidationszahl = 0Beispiele: H2O HCl CO2 NaBr Fe2O3

(+I).2(-II)(+I)(-I) (+IV)(-II).2 (+I)(-I) (+III).2(-II).3

3. Für einatomige Ionen ist die Oxidationszahl gleich ihrer Ladung!Beispiele: Fe3+ Na+ S2+ O2- Cl-Beispiele: Fe Na S O Cl

(+III) (+I) (+II) (-II) (-I)

4. Für mehratomige (zusammengesetzte) Ionen ist die Summe aller Oxidationszahlen gleich ihrer LadungBeispiele: H3O

+ SO42- NO2

-

(+I).3(-II)=+1 (+VI)(-II).4=-2 (+III)(-II).2=-1 5

5. Metalle haben immer eine positive Oxidationszahl!Alkalimetalle (s1-Metalle können nur 1 e- abgeben) IMMER +I

A.6.2 hierachische Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen

Alkalimetalle (s Metalle können nur 1 e abgeben) IMMER IBeispiele: K Mn O4 NaCl K N O3

(+I)(+VII)(-II).4 (+I)(-I) (+I)(V)(-II).3

6. Wasserstoff (s1-Element) hat in seinen VerbindungenMEIST die Oxidationszahl +IAusnahme sind die Hydride (Metall-H-Verbindungen): -IBeispiele: H2 O HCl NaHBeispiele: H2 O HCl NaH

(+I).2 (-II) (+I)(-I) (+I)(-I) Regeln 2, 5 >> 6!

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7. Sauerstoff (p4-Element) hat in seinen Verbindungen MEIST die Oxidationszahl –II

A.6.2 hierachische Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen

Oxidationszahl IIAusnahme sind die Peroxide: -IBeispiele: H2O H2 S O4 H2O2

(+I).2(-II) (+I).2(+VI)(-II).4 (+I).2(-I).2 Regel 2 >>7!

8. Halogene (p5-Elemente können nur 1 e- aufnehmen!) haben in ihren Verbindungen meist die Oxidationszahl –IAusnahme sind die Halogen-O-VerbindungenAusnahme sind die Halogen O VerbindungenBeispiele: K Mn O4 NaCl K N O3

(+I)(+VII)(-II).4 (+I)(-I) (+I)(V)(-II).

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A.6.3. Spannungsreihe

Beispiel:Die Reaktion: Zn + Cu2+ → Zn2+ + CuDie Reaktion: Zn + Cu → Zn + Cubesteht aus 2 Teilreaktionen:• Oxidation: Zn → Zn2+ + 2e-

• Reduktion:Cu2+ + 2e- → CuDiese Teilreaktionen können räumlich aber nicht zeitlich getrennt durchgeführt werden:Bei einer räumlichen Trennung werden die e- durch einen elektrischen Leiter (Draht) transportiert (sie können dort sogar noch Arbeit leisten).Daniell-Element (Batterie)

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A.6.3. SpannungsreiheSystem als Gesamtreaktion NICHT im

Gleichgewicht:• Zn + Cu2+ → Zn2+ + CuAn Metall/Lösung-Grenzfläche ein Gleichgewicht

(kein Stromfluss):• Zn ↔ Zn2+ + 2e-

• Cu ↔ Cu2+ + 2e-

• Festkörper im Kontakt mit Lösung,Ladungstransfer an Grenzfläche – Elektrode

• e- erzeugen in der Elektrode ein elektrisches• e erzeugen in der Elektrode ein elektrisches Potential

• Messbare Spannung ist Potentialdifferenzzwischen zwei Elektroden:Elektronen fließen IMMERvom unedlen zum edlen Metall!

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Normal-Wasserstoff-Elektrode

E0 =0 bei Normbedingungen cH+ = 1 mol/L, p(H2)=105 Pa, T = 25°C10

Normalpotential E0• Definition der ISO DIN 50900-2 :• Normpotential ist Elektrodenpotentials unter Normbedingungen:

– Konzentration der Metallsalzlösung (1 mol/l)– Reinheit der Metallelektrode– Reinheit der Metallelektrode– für gasförmige Komponenten: Gasdruck 1,01325 bar

• Potential der Metallelektrode gegen die Normalwasserstoffelektrode• Ermittlung von Normpotentialen (im Periodensystem):

– Definition: Potential der Normalwasserstoffelektrode E0(H)=0,00V– Kombiniation von Normalwasserstoff-Elektrode und– Metall-Elektrode in Lösung eines Metallsalzes mit 1 mol/L– für jedes Element Normalpotential (rel. Spannung) in Volt

• Reales Potential:– abhängig von Temperatur!– abhängig von pH-Wert!– Abhängig von Konzentration der Metallsalzlösung!– Redoxpotential über Nernstsche Gleichung ermittelbar:

Abweichung vom Normalpotential E011

A.6.3. Nernst´sche Gleichung

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Spannungsreiheerstmal durch Volta (1794)

• chemischen Elemente nach elektrischem Normpotential geordnet• Unedle Metalle:

– wirken als starke Reduktionsmittel:scheiden edlere Metalle aus ihren Lösungen ausB i i l N l Ei i d i K f lf t Lö k f t!Beispiel: Nagel aus Eisen wird in Kupfersulfat-Lösung verkupfert!

– werden rasch oxidiert zu positiven Metallionen:gehen leicht in Lösung

– Je negativer, desto rascher und heftiger reagieren sie mit Wasser!lösen sich in Wasser auf

– Lösen sich in allen Säuren mit H-Bildung auf– Normpotential: < 0,00 V (negativ)– höchstes negativstes Normalpotential am unedelsten– Li (–3,05V) Al (-1,66V) Zn (-0,76V) Fe (-0,41V) Sn (-0,13V) Pb H

• Edle Metalle:– in elementarer Form stabil– reagieren nicht mit Wasser/ verdünnten Säuren (oxid. Säuren!)– Normpotential: > 0,00 V (positiv)– Ag (+0,80V) Hg (+0,85V) Pt (+1,20V) Ir Au (+1,50V)

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1 Aufbau der Materie2 Trennverfahren für Stoffgemenge3 Grundgesetze der Chemie

A. Allgemeine Chemie

4 Atomaufbau5 Periodensystem

6 Elektrochemie6.1 Oxidation / Reduktion6.2 Oxidationszahlen – Ermittlung6.3 Spannungsreihe der Metalle6 4 K i d K i h t6.4 Korrosion und Korrosionsschutz

6.4.1 Arten der Korrosion

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A.6.4.1 Korrosion / corrosion• Reaktion eines (metallischen) Werkstoffs mit seiner Umgebung,

die eine meßbare Veränderung des Werkstoffs bewirktund zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils führtDIN 50 900-1 04/1982 -2 01/1984 -3 09/1985DIN 50 900 1, 04/1982, 2, 01/1984, 3, 09/1985

• von der Oberfläche ausgehende, durch unbeabsichtigten (elektro)chemischen Angriff hervorgerufene, nachteilige und qualitätsmindernde Veränderung eines Werkstoffs

• Korrosion im engeren Sinn ist nicht rein mechanische Zerstörungdurch Erosion, Kavitation und Verschleiß

• Korrodieren = „Korrosion verursachen“Korrodieren „Korrosion verursachen• korrodiert werden = „Korrosion erleiden“• korrosiv = Eigenschaft von festen, flüssigen, gasförmigen Stoffen, in

ihrer Umgebung Korrosion zu verursachen

• ursprünglich nur Metalle - heute alle Werkstoffe, Bau- u. Kunststoffe15

A.6.4.1 Korrosion / corrosion• (Elektro)chemische, physikalische und biologische Angriffe:

– Wärme, Temperaturwechsel, Frost, Regen, Erdstaub, Wind,…– Lösungsmittel, Luftsauerstoff, UV-Oxidation, Rauchgase,… – Mikroorganismen Pilze Algen Flechten u Moose InsektenMikroorganismen, Pilze, Algen, Flechten u. Moose, Insekten, ….

Schimmelpilze zerstören Anstriche (Kunststoffschichten)• Chemische Korrosion:

– Auslaugen– Auskristallisieren– Basenaustausch– bei Kunststoffen: Quellung, Erweichung, Versprödung, Verfärbung,

Spannungsrißbildung,…A l f• Anlaufen:– DIN 55 945 (12/1988): unerwünschte Veränderung des Aussehens der

Oberfläche einer Beschichtung infolge äußerer Einflüsseengl. blooming

– DIN 50 900, Tl. 1 (04/1982): Reaktion von Metallen mit Gasen unter Bildung dünner (farbiger) Schichten engl. tarnishingz.B. Silber, Kupfer, Messing, Stahl 16

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A.6.4.1 Korrosion / corrosion• Metallkorrosion:

– Metalle suchen energetisch begünstigte Ionenzustände– Metalle relativ beständig, da die Korrosion gehemmt ist (Aktivierung!)

K i S h t t il i f d li h!– Korrosions-Schutz teilweise erforderlich!• Angriffsmedium:

– Gas-Korrosion: Landluft, Stadtluft, Seeluft, Industrie-Luft– Erdboden-Korrosion: Rohrleitungen, Behälter,… im Erdboden– Korrosion in wässrigen Elektrolyten: Säure-, Laugen-, Salz-,

Seewasser-, Flusswasser-Korrosion• Art des Angriffes:

K i d h ll tä di / t il i i d h lt Ei t h– Korrosion durch vollständiges/ teilweises, wiederholtes Eintauchen– Schwitzwasser-Korrosion:

Taupunktsunterschreitungen auf Metalloberflächen– Tropf-Korrosion– Korrosion in strömenden Flüssigkeiten

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A.6.4.1 Korrosion / corrosionAuswirkungen der Korrosion / DIN 50 900-1:• gleichmäßige Flächen-Korrosion:

gleichförmiger Abtrag!

• Mulden-Korrosion:mit örtlich ungleichmäßigem Abtrag!

• Loch-Korrosion:nur an kleinen Stellen → Lochfraß (kraterförmig)

• Spalt-Korrosion oder Riss-Korrosion:örtlich verstärkte Korrosion (Konzentration)

• Kontakt-Korrosion:Berührung unterschiedlicher Metalle

• Korrosion durch unterschiedliche Belüftung:als örtliche Korrosion 18

Korrosion von Eisen

Anode: Fe → Fe2+ + 2e-

Kathode: H2O + ½ O2 + 2 e- → 2 OH-

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A.6.4.1 Korrosion / corrosionAuswirkungen der Korrosion / DIN 50 900-1:• selektive Korrosion: bestimmte Gefügebestandteile bevorzugt gelöst

– interkristalline Korrosion: korngrenzennahe BereicheTranskristalline Korrosion: parallel zur Verformungsrichtung / Inneres– Transkristalline Korrosion: parallel zur Verformungsrichtung / Inneres

– Spongiose: Gusseisens unter Auflösung des Ferrits u. Perlits– Entzinkung: bei Messing– Entnickelung: bei Edelstählen– Chromverarmung: bei Edelstählen– Entaluminierung

• Hochtemperatur-Korrosion in Abgasen• Verzunderung: Korrosion beim Erhitzen/Bearbeiten vom Werkstückg

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A.6.4.1 Korrosion / corrosion• Korrosion als ortsgebundener Vorgang (heterogene Reaktion)

an der Grenzfläche zwischen festem Werkstoff und aggressivem Medium (chemische Reaktion)

• Metalle elektrochemische Reaktion / Spannungsreihe:• Metalle – elektrochemische Reaktion / Spannungsreihe:– Anodische Auflösung des unedleren Metalls (Me → Me+ + e-)– Kathodische Elektronenaufnahme durch das korrosive Mittel (H++e-→H)– Elektronen-Transport im Metall durch e-, im Medium durch Ionen– Korrosions-Elemente sind elektrochemische Elemente

mit örtlich verschiedenen Teilstromdichten für den Metallabtrag• werkstoffseitig: unterschiedliche Metallen oder Inhomogenitäten• mediumsseitig: örtliche Unterschiede in der Konzentrationg• durch unterschiedliche Bedingungen: Temperatur, Strahlung,…

• Korrosions-Prüfung: Klimakammern, Bewitterungs-,Sprühräume,…Werkstoffprüfung: Ultraschall, Radiographie, ElektronenmikroskopieOberflächenchemie wie RFA, …

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A.6.4.1 „Rost“ / rust• Korrosion von Eisen oder Stahl an Luft, in Wasser oder in Lösung• Eisenoxide und –hydroxide:

– Luftsauerstoff als OxidationsmittelWasser in flüssiger Form (Adsorptionsfilm) Luftfeuchtigkeit > 70%– Wasser in flüssiger Form (Adsorptionsfilm) ↔ Luftfeuchtigkeit > 70%

– chemisch:• Fe + ½ O2 + H2O → Fe (OH)2 weißgrünlich• Fe (OH)2 →Fe (OH)3 gelbbraun → Fe3O4·x H2O grauschwarz

• frischer Rost: sehr voluminös, hellgelb, wasserreich, leicht löslich• alter Rost: geringeres Vol., grauschwarz, wasserarm, stabiles Fe3O4

3–4 Monaten alt - von verd. Säuren kaum gelöst!3 4 Monaten alt von verd. Säuren kaum gelöst!• Rost-Schichten: porös, mechanisch schlecht haftend; kein Schutz!!!

• Entrosten:– mit Salzsäure / Beizen– Rostumwandler: Phosphatieren

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A.6.4.1 Flugrost / initial rust• beginnende Rost-Bildung• Eigenrost auf der OberflächeEigenrost auf der Oberfläche

von Eisen und Stahldurch Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre

• leicht entfernbarer Rost• DIN 50 900-1 (04/1982)

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A.6.4.1 Fremdrost/extraneous rust• Rost-Ablagerungen auf fremden

Metalloberflächen• nicht als Folge eines örtlichen Rostvorgangsg g g

auf dem betroffenen Werkstück• von anderer, strömungstechnisch vorgelagerter

Stelle eingetragen (Windrichtung)• Oft:

– in Rohrleitungen aus nichtrostenden Stählen– Fremdrost aus Anlagenteilen aus un- oder g

niedriglegiertem Stahl– Fremdrost kann zu örtlicher Korrosion führen

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A.6.4.1 Spongiose / graphite corrosion

• DIN 50900-1: 1982-04• selektiver Angriff auf Gußeiseng

bei mangelhafter Schutzschicht-Bildungunter Auflösung des Ferrits (α-Eisen) und Perlits.

• ursprüngliche Gestalt des Werkstücks erhalten• Ausbildung galvanischer Mikroelemente

zwischen dem edleren Graphit undpder unedleren ferritischen-perlitischenMetall- Matrix– in sauerstoff-armen Angriffsmitteln– Gußeisen-Werkstücke in Kalt- / Warmwasserkreisläufen

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A.6.4.1 Spannungsrißbildung/stress-crack formation

Metalle / Kunststoffe:gleichzeitiges Einwirken von Chemikalien und mechanischen Kräften:– Zugspannungen führen zur Spannungsriß-Korrosion: z.B. Kabeln

mechanische Wechselbeanspruchungen zur Schwingungsriß Korrosion– mechanische Wechselbeanspruchungen zur Schwingungsriß-Korrosion– Erosionskorrosion (Einwirkung bewegter Medien)– Kavitation– Reib-Korrosion (Abrieb bzw. Passungs-Rost):

durch Reibkorrosion (ohne Wärme) entstandener Rost– Bildung von verästelten (Pseudo-)Rissen auf der Material-Oberfläche– chemisch aggressive Medien:

• oberflächenaktive Stoffe (Waschmittel)• Lösemittel (organische Chemikalien)• Lösemittel (organische Chemikalien)• Säuren, Laugen (anorganische Chemikalien)• Oxidationsmittel

• Anfälligkeit sinkt:– mit steigender Molmasse der Kunststoffe,– bei steigender Vernetzung (Kunstharze),– bei Zugabe von Weichmachern (erhöhen Kettenbeweglichkeit)

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A.6.4.1 Spaltkorrosion/crevice corrosion

• örtlich verstärkte Korrosion in Spalten• DIN 50900-1 1982-04• Lochfraß – Lochkorrosion:

lokal begrenzte, kraterförmige Korrosion!• meist durch Konzentrationsunterschiede

in Spalten / Löchernin Spalten / Löchern

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A.6.4.1 Kavitation / cavitation• Hohlraumbildung durch Entgasung oder Dampfbildung in strömenden

Flüssigkeiten infolge Absinken des Druckes(Zerreißbeanspruchung der Flüssigkeiten)

• Kavitation/Erosion ist die Zerstörung von Werkstoffoberflächen durch• Kavitation/Erosion ist die Zerstörung von Werkstoffoberflächen durch Hohlraumbildung an der Werkstoffoberfläche:– Flüssigkeiten mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten → Turbulenzen– bei auch hohen Drücken durch Hohlräume Druckstöße bis 105 bar– lokalen Aushöhlung der Oberfläche– Verschleiß auf Turbinenschaufeln oder Schiffsschrauben

Sog (Unterdruck) begünstigt die Hohlraumbildung in der Flüssigkeit– Wasserleitungen bei laufendem Wasser: knatterndes Geräusch!

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A.6.4.2 Werkstoffseitiger Korrosionsschutz

1. Beschichtung mit Nichtmetallschichten:• Ölschichten (Verhindern Sauerstoffzutritt), z.B. bei Blankstahl:

• Einölen, Einfetten, EinwachsenA l• Anlassen

• anorganische Beschichtungen:• Emailieren (Glasart)• Keramik-Beschichtungen

• organische Beschichtungen:• Gummiauskleidungen, z.B. Rauchgaswäschen• Kunststoffbeschichtungen, z.B. Teflonbeschichtungen in Tanks/Rohrleitungen• Lacke, Anstrichsysteme: durch Rollen, Streichen, Spritzen, Tauchen

aufgebrachte physikalisch trocknende / chemisch härtende undurchlässigeaufgebrachte, physikalisch trocknende / chemisch härtende undurchlässige, festhaftende, chemisch widerstandsfähige Schutzfilme

• Coil Coating: ein-/doppelseitige Beschichtung von Stahl-Band (0,35–1,6 mm) mit Kunststoffbahnen von max. 300 mm Dicke im DurchlaufverfahrenBeschichteten Stahl-Bänder können stark verformt werdenhochwertige Blechteile dauerhaft (opt. ansprechend) vor Korrosion geschützt

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Rostschutz = Sammelbegriff für alle Verfahren des Korrosionsschutzes• Werkstoffseitig:

Schutz von Werkstoffen gegen aggresive MedienMaßnahmen am Werkstück

• Mediumsseitig:Verringerung der Aggressivität des MediumsMaßnahmen am Medium (Kaltwasser-, Warmwasserkreislauf)

• Konstruktiver Korrosionsschutz:Maßnahmen bei der Konstruktion

• temporärer Korrosionsschutz: für Transports, Lagerung, Verarbeitung,.• Korrosionsschäden:

– ca. 4% des Bruttosozialprodukts– ca. 4% des Umsatzes einzelner Industrien

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2. Beschichtung mit edleren Metallen:• Schichtmetall „edler“ als Werkstück:Schichtmetall „edler als Werkstück:

• Stahlbauteilen –Cr• Vergolden• Versilbern• Verkupfern• Verzinnen (Weißblech)• Verbleien

3. Beschichtung mit unedleren Metallen:• Schichtmetall „unedler“ als Werkstück:• Opferschicht in aggressiver Umgebung

• Stahlbauteilen z. B. Zn, Mg

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4. Passiver (anodischer) Korrosionsschutz:• Passivschicht: durch Oxidation bzw. natürliche Korrosion

entstandene, das darunter befindliche Material jedoch gegen weitere Angriffe schützende Schicht.

• geringfügiger elektrolytischer Metallabtrag im passiven Zustandder Werkstoffoberfläche bei Wirkung einer besonderen Reaktionshemmung durch schützende Passivschichten (DIN 50900-2: 1984-01)

• bei gewissen Metallen: Al, Sn, Fe, Cr, Pb, Co, Ni (wie Edelmetalle)• Wirkung:

l k l di ht O id S hi ht hi d t it A iff d• monomolekulare, dichte Oxid-Schicht verhindert weiteren Angriff des Sauerstoffs

• Chemisorption des Sauerstoffs bewirkt Veränderung des Norm-potentials (oberflächenchemische Erklärung)E0Cr(pass.)=+1,3V E0Cr = -0,5V

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4. Passiver (anodischer) Korrosionsschutz - Verfahren:• Anodische Oxidation:

• Verwendung des Werkstückes als Pluspol• Eloxal-Verfahren (Al), Magnesium

• Behandlung mit oxidierend wirkenden Stoffen:• Eisen in reine, rauchende Salpetersäure• Chrom oder Aluminium in Salpetersäure• Chrom und Aluminium durch Luft passiviert• lückenlos zusammenhängenden, mind. monomolekularen Schicht aus

Oxiden auf dem Metall• Nickel Chrom und nichtrostende StählenNickel, Chrom und nichtrostende Stählen

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4. Passiver (anodischer) Korrosionsschutz - Verfahren:• Passivatoren:

• Chromatieren: heute weniger üblich, CrO3 ist starkes Umweltgift!• Phosphatieren: DIN 50 942 1987-05

Behandeln von Metallen mit sauren, phosphat-haltigen LösungenPhosphat-Schicht an der Oberfläche

• Beizen mit Phosphorsäure• Reaktions- od. Shop-Primern, Rostumwandlern• Einbrenn-Phosphatieren• Heiß-Phosphatieren (>80 °C)• Warm-Phosphatieren (50–80 °C)• Kalt Phosphatieren (20 50 °C)• Kalt-Phosphatieren (20–50 °C)• Tauch-Phosphatieren• Bonder® / Parker® / Granodine® / Atrament® / Granodraw® / Kephos®• Phosphatierungsmittel:

• Zink-, Mangan- od. Schwermetallphosphaten• Phosphorsäure• Beschleunigungsmittel (Nitrate, Nitrite, Chlorate, Wasserstoffperoxid)• Spezialzusätzen (Schichtverfeinerungskomponenten) 34


5. Aktiver (kathodischer) Korrosionsschutz:• DIN 50 900-2 (01/1984)DIN 50 900 2 (01/1984)• zu schützende Werkstoff wird zur Kathode gemacht

durch galvanische Anoden, Fremdstromanlagen• im Erdreich befindliche Lagertanks, Rohrleitungen• Eisen-Fundamenten• Kabeln

Innenschutz von Behältern und• Innenschutz von Behältern undRohrleitungen in Chemieanlagen

• von Wasser umgebene Bauteile:Schiffswänden, Bojen, Turbinen, Pumpen, Eisen unter Meer- und Süßwassereinfluß, …

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5. Aktiver (kathodischer) Korrosionsschutz:• Aktivanode: Zn-Mg-Legierung (91% Mg, 6% Al, 3% Zn)

Pluspol einer natürlichen elektrolytischen ZelleAnode verzehrt sich unter Abgabe des Schutzstroms, Ersatz

• Kathode: zu schützender Eisen- oder Stahlgegenstand• Gleichgewicht der Reaktion: Fe↔Fe2++2e- nach links verschoben• Alternative:

Fremd(gleichstrom)zugeführt:Minuspol derGleichstromquelleschützt die Eisen-bzw. StahlkonstruktionPluspol aus Graphitod. Gußeisen mit 15% Si

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1 Aufbau der Materie2 Trennverfahren für Stoffgemenge3 Grundgesetze der Chemie



6 Elektrochemie6.1 Oxidation / Reduktion6.2 Oxidationszahlen – Ermittlung6.3 Spannungsreihe der Metalle6 4 K i d K i h t6.4 Korrosion und Korrosionsschutz

6.4.1 Arten der Korrosion6.4.2 Werkstoff-seitiger Korrosionsschutz

6.4.3. Medium-seitiger Korrosionsschutz

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A.6.4.3 geschlosseneKalt-/Warmwasserkreisläufe

• ÖNORM EN 12170 (2002):Heizungsanlagen in Gebäuden - Betriebs-, Wartungs- und B di l it H i l diBedienungsanleitungen - Heizungsanlagen, die qualifiziertes Bedienungspersonal erfordern

• ÖNORM EN 12171 (2002):Heizungsanlagen …, die kein qualifiziertes Bedienungspersonal erfordern

• ÖNORM H 5195 Teil 1 (2001):Verhütung von Schäden durch Korrosion und Steinbildung in geschlossenen Warmwasser-Heizungsanlagen mitin geschlossenen Warmwasser-Heizungsanlagen mit Betriebstemperaturen bis 100 °C

• ÖNORM H 5195 Teil 2 (2004):Frostschutz in Heizungsanlagen und sonstigen Anlagen mit Wärmeträgern (-40 °C bis 100 °C):erforderliche Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosion. 38

A.6.4.3 Mediumsseitiger Korrosionsschutz

1. Sauerstoffgehalt:< 0,2 mg/l• seltener Wasserwechsel• dichter Kreislauf• O2-Gehalt sinkt von 12% auf 0,2 mg/l durch Flächenkorrosion

2. Leitfähigkeit:< 200 mS/cm• demineralisiertes (destilliertes) Wasser

3. Wasserhärte (Kalkgehalt):• < 4°dH• Kalk-Plättchen bewirken eine Abriebkorrosion• möglichst geringer Ca-Gehalt!• Im demineralisierten Wasser kein Kalk enthalten!

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4. Störende, oxidierende Anionen:• Nitrat NO3

- + 2 e- → NO2-

• Sulfat SO42- + 2 e- → SO3

2-4 3

• Chlorid Cl-• oxidierende Säureanionen fördern Korrosion• sollen daher nicht enthalten sein!• sind im demineralisierten Wasser nicht enthalten!

5. pH-Wert:• 8,5-10,5 (Kaltwasser)• 8,5-11,0 (Warmwasser)8,5 11,0 (Warmwasser)• Säurekorrosion im alkalischen nicht möglich!• laufende Zudosierung von Natronlauge zum demineralisierten

Wasser: pH-Kontrollen bzw. Messsonde und Dosierpumpe!• Eintrag von störenden Anionen bzw. Ca-Ionen möglich!

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6. Korrosionsschutzinhibitoren:– wirken auf das korrosive Mittel:

Entfernung von aggressiven Bestandteilen (z.B. O2, oxid. Ionen)– Autoxidations- oder Polymerisationenhemmer: Antioxidantien– Physikalische Inhibitoren:

elektr. an Metalloberfläche adsorbiert– Chemische Inhibitoren:

Reaktion mit dem zu schützenden Metall oderReaktion mit Korrosionsmedium

– Inhaltsstoffe:• Sulfite• Hydrazin• Polyamine• Vielzahl von möglichen Inhaltsstoffen (Reduktionsmittel):

Abstimmung auf Werkstoff und Medium

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ÖNORM H 5195 Teil 2 (2004) Frostschutz in Heizungen

• Frostschutz in Heizungsanlagen und sonstigen Anlagen mit Wärmeträgern

• Diese ÖNORM ist vorwiegend für neu zu errichtende Anlagen• Diese ÖNORM ist vorwiegend für neu zu errichtende Anlagen mit einem Betriebsbereich des frostgeschützten Wärmeträgers von -40 °C bis 100 °C anzuwenden.

• Eigenschaften von Frostschutzmitteln und deren Verwendungz.B. in Heizungs-, Klima-, Lüftungs-, Solaranlagen, Wärmepumpen

• Maßnahmen zur Erzielung eines ausreichenden Frostschutzes• erforderlichen Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosion• Hinweise zur Entsorgung der Wasser-Frostschutzmittel-Gemische

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A.6.4.4 Konstruktiver Korrosionsschutz

1. Werkstoffauswahl (wird bei der KU-Zeichnung festgelegt):• notwendige mechanische Eigenschaften?• notwendige Verarbeitbarkeit?• Kosten?• Korrosionsverhalten?

2. Kontakt-Korrosion:• DIN 50 900-1 (04/1982):• Korrosion eines Metalls durch Kontakt mit weiterem Metall oder

elektronenleitendem Festkörper• Bei nichtleitenden Berührungskörpern: Spaltkorrosion, Korrosion g p p ,

durch unterschiedliche Belüftung

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3. Erosionskorrosion:• Strömungsgeschwindigkeit:• Laminare (schichtweise) Strömung:

• bis ca. 7 m/s in Wasser• gut für Wärmelängstransport (nur Außenschicht abgekühlt)• gut für schnellen Transport durch Rohr

• Turbulente Strömung:• durch Einbauten, Ventile, Hähne, Schieber, Messfühler, Abzweigung,

Rohrknie, Veränderungen im Querschnitt• gut für Wärmequertransport: Wärmetauscher, Kühlmantel• schlecht für Erosions Korrosion (Kavation!)• schlecht für Erosions-Korrosion (Kavation!)

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4. Verarbeitungsqualität (temporärer Korrosionsschutz):• Lagerung von Werkstoffen• Verarbeitung von Werkstoffen (Schutzgas?)• Endfertigung von Werkstücken (Kaltverzinken v. Schweißnähten?)• Qualität der Grundierung, Endlackierung

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1 Aufbau der Materie2 Trennverfahren für Stoffgemenge3 Grundgesetze der Chemie4 Atomaufbau



6 Elektrochemie6.1 Oxidation / Reduktion6.2 Oxidationszahlen – Ermittlung6.3 Spannungsreihe der Metalle6.4 Korrosion und Korrosionsschutz6 o os o u d o os o ssc u

6.5 Batterien und Akkumulatoren6.5.1 Kenngrößen von Batterien6.5.2 Chemie von Batterien

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6.5.1 Kenngrößen von Batterien1. Kapazität [Ah]:

Autobatterie: 30-35Ah• Lüftung/Heizung 30-35A max. 1 h• Radio 12 W (1A) max. 30-35h( )• Licht: Abblendlicht 40W*2 = 80 W

Rücklicht: 8W*2 = 16 W96 W = 96 VA

Autospannung: 12 VStromaufnahme: 8 Amaximale Dauer: 4,5 h

AAA-Zelle: 1200 mAhHandy Akku: 1700 mAhHandy-Akku: 1700 mAhDefinition:– Kapazität = Elektrizitätsmenge, die von Batterie abgegeben wird!– wird angegeben in Coluomb (C) oder in Amperestunden (Ah)– 1 Ah = 3600 As = 3600 C– W = As (Arbeit pro Zeit, Leistung)– Ws (Einheit der elektrischen Arbeit): 1 kWh = 3,6*106 Ws 47

6.5.1 Kenngrößen von Batterien2. Stromwirkungsgrad [%]:

Welche Strommenge aus Batterie nach Ladung mit 100%A?(Stromentnahme/zugeführte Strommenge in %)

• NiCd-Akku~54%NiCd Akku 54%• Pb-Akku ~75%• Li-Akkus ~50%

3. Selbstentladung [%/Tag]Batterien/Akkus entladen sich auch beim ungebrauchten Lagern!– Li-Akkus <0,1%/Tag– NiCd-Akku ~0,1-0,3%/Tag– Pb-Akku ~3-10%/Tag

4 M Eff kt4. Memory-EffektDurch unlösliche Bestandteile in Batterie/Akku kann nicht gesamteKapazität genutzt werden (nach Restladung)!– Pb: stark– NiCd / NiMH: vorhanden / geringer– Li-Ionen: sehr gering (keine unlöslichen Li-Salze)

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23.03.2010

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6.5.1 Kenngrößen von Batterien5. Kurzfristige Strombelastbarkeit:

Welche maximale Strommenge kann der Batterie entnommen werden?• Strombelastung: 200-300A/Pb-Akku für Stratvorgang

K hl• Kurzschlussspannung6. Leistungsgewicht [Ah/kg]:

Systeme mit großer Kapazität (Elektrofahrzeuge) – großes Gewicht:– Staplerbatterie: ca. 1.500 kg– PKW-Batterie: ca. – Batterien: ca. 50 bis 400 Wh/kg– Akkumulatoren: ca. 7 bis 40 Wh/kg

7. Nennspannung [V]:mehrere hintereinandergeschaltete Elementen im HandelEinzelzellen etwa 1,5 V

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6.5.1 Kenngrößen von Batterien8. Form:

Batterien/Akkus mit drei Normungssystemen:– amerikanisch: AAA, AA, A, D

äi h l d i i b b Z ll Fl hb– europäisch: lady- micro-, mignon-, baby-, mono-Zelle, Flachb. japanisch: 24G, LR6, …

9. Preis10. Ökologie:

• Recyclierbarkeit: Pb-Akku zu 100% • Deponieverhalten: schlecht für Hg, Cd, Pb, Ni

11. Normalladung / Schnellladung:• Ladestrom ca 10% der Nennkapazität über 9 14 Std• Ladestrom ca. 10% der Nennkapazität über 9-14 Std.• Ladestrom bis 100% der Nennkapazität: 1-3 Std.

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