Bauchemische Grundlagen

Thomas A. BIER

Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, 09596 Freiberg,

Bauchemische Grundlagen ElektrochemieChemie der Metalle

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Elektrochemie

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Redoxreaktionen

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Oxidation

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Reduktion

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Beispiel Redoxreaktionen

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Redox ReaktionenZahlreiche Reaktionen aus dem Themenbereich der Metallurgie sind klassische Beispiele für technisch bedeutsame Redoxreaktionen in der Industrie. Beim Hochofenprozess wird Eisen mit Koks reduziert. Als Nebenreaktion unter anderem das starke Reduktionsmittel Kohlenmonoxid.

Energie liefernde Verbrennung des Kokses.

Erzeugung des gasförmigen Reduktionsmittels Kohlenstoffmonoxid. Boudouard-Gleichgewicht

Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen.

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Beispiel: Redoxreaktion

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Oxidationszahl

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Oxidationsmittel

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Halbreaktion

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Halbzelle

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Standardpotential

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Spannungsreihe

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Spannungsreihe

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Praktische Spannungsreihe

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Galvanische Zelle

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Zellpotential

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Daniell Element

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Korrosion

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Korrosion

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Korrosion

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Unter dem Begriff der Korrosion versteht man die Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung, welche eine messbare Veränderung des Werkstoffes (Eigenschaften, Verhalten) bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion (Schaden) eines Bauteiles oder eines ganzen Systems führen kann. Bei metallischen Werkstoffen ist diese Reaktion in den meisten Fällen elektrochemischer Natur.

Korrosion als kurzgeschlossenes galvanisches Element

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Gleichmäßige Korrosion

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Fe: Verhüttung und Korrosion

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Eisen Kohlenstoff Diagramm

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Korrosion von Eisen, Mechanismus der Rostbildung (neutrale Lösung)

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Elektrochemische Sauerstoffkorrosion

Eisen, Sauerstoff (Luft) und Wasser sind die drei für den Rostprozess notwendigen Komponenten. Fehlt eine dieser Komponenten, findet praktisch keine Korrosion statt.

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Fe: Wasserstoff und Sauerstoffkorrosion

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Fe: Sauerstoffkorrosion

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Fe: Wasserstoffkorrosion

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Beispiele unterschiedlicher Korrosion

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Lokalelement Fe/Sn: Korrosion von Eisen, das mit metallischem Zinn in Kontakt steht (Wasserstoffkorrosion).

Beispiele unterschiedlicher Korrosion

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Lokalelement Zn/Fe: Katodischer Schutz von Eisen durch leitenden Kontakt mit Zink (Wasserstoffkorrosion).

Beispiele unterschiedlicher Korrosion

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Beispiele unterschiedlicher Korrosion

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Pourbaix Diagramme

Eine Reaktion findet in die betrachtete Richtung statt (hier immer von links nach rechts), wenn das Potenzial kleiner als das Gleichgewichtspotenzial ist, bei einem höheren Potenzial läuft die Reaktion in die Gegenrichtung ab. Daraus lassen sich nun im Pourbaix- Diagramm Bereiche erkennen, in denen eine gewisse Verbindung stabil ist – hier: Wasser,das zwischen den beiden Geraden (a) und (b) stabil ist. Würde eine Situation mit einem Potenzial von 1V und einem pH-Wert von12 vorliegen, dann würde die Reaktion (a) „rückwärts“ ablaufen, das heißt, es würden Protonen und Sauerstoff entstehen. Das hätte zur Folge, dass sich das System auf die Gleichgewichtslinie zu bewegt, was ja aus den Gesetzen der Thermodynamik nicht weiter verwundert.

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Pourbaix Diagramme

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Pourbaix Diagramme

Bauchemische Grundlagen

Pourbaix Diagramme

Pourbaix-Diagramme (auch Potential-pH-Diagramm) stellen die Bereiche der thermodynamischen Stabilität bei Metall-Elektrolyt-Systemen graphisch dar und werden verwendet, um vorauszusagen, ob ein Metall korrodieren könnte oder nicht. Es wird ein kartesisches Koordinatensystem verwendet, wobei auf der Abszisse der pH-Wert steht und auf der Ordinate das Normalpotential welches mit Hilfe der Nernst-Gleichung ermittelt wurde. Üblicherweise werden die Diagramme für eine Temperatur von 25 °C und eine Konzentration von 1 mol/l erstellt.

Man unterscheidet dabei in drei Bereiche, dem Korrosionsbereich mit einem Anteil gelöster Metallionen > 10−6 mol/l. Dem Passivitätsbereich mit vorrangiger Bildung von Oxiden und/oder Hydroxiden welche bei hoher Haftfestigkeit vor weiteren Korrosionen schützen können. Im Immunitätsbereich ist der Wert gelöster Metallionen < 10−6 mol/l.

Entwickelt wurden diese Diagramme im Jahre 1938 von Marcel Pourbaix.

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Pourbaix Diagramme

Bauchemische Grundlagen

Pourbaix Diagramme

Bauchemische Grundlagen

Pourbaix Diagramme

Bauchemische Grundlagen

Pourbaix Diagramme

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Korrosionsschutz

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Kathodischer Korrosionsschutz

a) durch den Einsatz einer Opferanode

b) durch Fremdstrom

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Korrosionsschutz durch Verzinken

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Unter dem Begriff der Korrosion versteht man die Reaktion eines Werkstoffes mit seinerUmgebung, welche eine messbare Veränderung des Werkstoffes (Eigenschaften, Verhalten)bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion (Schaden) eines Bauteiles oder einesganzen Systems führen kann. Bei metallischen Werkstoffen ist diese Reaktion in den meistenFällen elektrochemischer Natur.

Korrosion als kurzgeschlossenes galvanisches Element

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Daniell Element