Im Fachbereich der Ingenieurwissenschaften spielt die Elektrochemische Korrosion eine entscheidende Rolle. Sie beeinflusst die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Maschinen und Anlagen wesentlich, verstehen daher die wesentlichen Aspekte dieses komplexen Prozesses hilft Ingenieuren dabei, effektive Lösungen zur Bekämpfung und Prävention zu entwickeln. Im folgenden Artikel erfährst du nähere Details zur Definition und Wirkungsweise der Elektrochemischen Korrosion, lernst die Unterschiede zur Chemischen Korrosion kennen und erhältst Einblicke in ihre Relevanz und Anwendung in der technischen Praxis. Darüber hinaus werden Schutzmaßnahmen und Präventionsstrategien beleuchtet. Dieses Wissen versetzt dich in die Lage, bei Auslegung und Wartung von technischen Systemen richtige und nachhaltige Entscheidungen zu treffen.
Definition: Elektrochemische Korrosion
Elektrochemische Korrosion wird oft als die ungewollte Zerstörung oder das ungewollte Ablösen von Material durch elektrochemische Reaktionen mit ihrer Umgebung definiert. Im Gegensatz zur trockenen Korrosion, benötigt die elektrochemische Korrosion ein flüssiges Medium - oft Wasser - das als Elektrolyt wirkt und den Elektronentransfer zwischen verschiedenen Bereichen eines Systems ermöglicht.
Es ist wichtig zu wissen, dass Elektrochemische Korrosion in drei grundlegende Arten unterteilt werden kann: Galvanische Korrosion, Crevice Korrosion und Lochfraßkorrosion. Die galvanische Korrosion tritt auf, wenn zwei unterschiedliche Metalle in Kontakt mit einer Elektrolytlösung gebracht werden. Crevice Korrosion tritt auf, wenn Sauerstoff nicht gleichmäßig verteilt wird, zum Beispiel in Spalten oder unter Lagerflächen. Lochfraßkorrosion bezeichnet die Bildung von Löchern in der Metalloberfläche durch konzentrierte Angriffe.
Elektrochemische Korrosion einfach erklärt
Es gibt mehrere Faktoren und Mechanismen, die für das Vorhandensein und Fortschreiten der elektrochemischen Korrosion verantwortlich sind. Am Anfang steht immer eine Unstetigstelligkeit des Metalloberflächenpotentials. Durch das Vorhandensein eines Elektrolyten wird ein galvanisches Element gebildet und die Korrosion beginnt.
Auf mikroskopischer Ebene beinhaltet der Prozess der Elektrochemische Korrosion eine Anodenreaktion, bei welcher das Metall oxidiert wird und Elektronen abgibt, und eine Kathodenreaktion, bei welcher die abgegebenen Elektronen in einer Redoxreaktion aufgenommen werden. Diese \(Reduktions-Oxidations\)-Reaktionen ermöglichen den Ionentransfer, das heißt die Korrosion.
- Ablauf der Anodenreaktion (\(Oxidation\))
- Ablauf der Kathodenreaktion (\(Reduktion\))
Beispiele: Elektrochemische Korrosion in der Praxis
Ein anschauliches Beispiel für die Auswirkungen der elektrochemischen Korrosion ist die Schifffahrt. Hier kommt es häufig zu elektrochemischen Korrosionserscheinungen aufgrund des salzigen Meerwassers, welches als Elektrolyt dient. Insbesondere Schiffsrümpfe sind hiervon betroffen. Bildet sich aufgrund von Korrosion ein kleiner Riss im Material, kann es zu erhöhten Korrosionsraten in der Spalte kommen, was dazu führen kann, dass sich der Riss weiter ausbreitet und das gesamte Bauteil schlussendlich versagt.
| Marine Anwendung | Beschreibung des Korrosionsprozesses |
| Schiffsrumpf | Galvanische Korrosion aufgrund von salzigem Meerwasser |
Unterschiede: Elektrochemische Korrosion und Chemische Korrosion
Die Begriffe Elektrochemische Korrosion und Chemische Korrosion werden oft zusammen verwendet, aber sie bezeichnen tatsächlich zwei verschiedene Phänomene in der Materialzerstörung. Es ist wichtig zu verstehen, dass diese Prozesse in verschiedenen Umgebungen und unter unterschiedlichen Bedingungen auftreten, und dass sie auch verschiedene Mechanismen und Wirkungen haben.
Chemische Korrosion, auch bekannt als Trockenkorrosion, bezeichnet den Prozess, bei dem Materialien, insbesondere Metalle, durch Reaktionen mit ihrer Umgebung, insbesondere Sauerstoff und andere Gase, allmählich zerstört oder abgebaut werden. Im Gegensatz dazu, wie der Name schon sagt, beinhaltet die Elektrochemische Korrosion auch elektrische Strömungen und Ionenübertragungen in einem Elektrolyten.
Einfach gesagt, bei chemischer Korrosion reagiert das Material direkt mit seiner Umgebung. Bei elektrochemischer Korrosion entsteht eine Spannung, die eine ionische Umstrukturierung und letztlich die Korrosion verursacht.
Die Prozesse der Elektrochemische und Chemische Korrosion weisen mehrere wichtige Unterschiede auf. Das beginnt schon bei den Voraussetzungen. Während bei der chemischen Korrosion molekulare Wechselwirkungen die Hauptrolle spielen, kommt es bei der elektrochemischen Korrosion auf das Vorhandensein eines Elektrolyten an, der den Ionenaustausch und damit die Korrosion befeuert.
Ein einfaches Beispiel zur Veranschaulichung: Ein Eisenstab, der bei Raumtemperatur in einer trockenen Atmosphäre gelagert wird, erlebt hauptsächlich chemische Korrosion durch die Reaktion mit Sauerstoff aus der Luft, die Rost (Eisenoxid) bildet. Wird der gleiche Eisenstab jedoch in Salzwasser getaucht, tritt elektrochemische Korrosion auf. Das Salzwasser fungiert als Elektrolyt, wodurch die Elektronen zwischen verschiedenen Teilen des Eisenstabs transferiert werden. An der Anode entsteht Rost, während an der Kathode Wasserstoffblasen ausgestoßen werden - ein klassisches Beispiel für die Auswirkungen der elektrochemischen Korrosion.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen den beiden Korrosionstypen betrifft die Geschwindigkeit der Materialablagerung. Bei chemischer Korrosion geschiet dies sehr langsam, sie ist auf den Molekülaustausch beschränkt. Bei elektrochemischer Korrosion tritt jedoch eine zunehmende Abtragungsrate auf. Sobald das korrosive Medium (der Elektrolyt) vorhanden ist und der Ionenaustausch beginnt, wird die Korrosionsrate rapide zunehmen.
- Elektrochemische Korrosion: Erfordert einen Elektrolyten, führt zu erheblicher Materialerosion
- Chemische Korrosion: Tritt in trockenen Umgebungen auf, führt zu geringer Materialerosion
Wichtige Aspekte der Elektrochemischen Korrosion im Detail
Da die Elektrochemische Korrosion ein vielschichtiges Thema ist, wollen wir nun weiter in die Tiefe gehen und uns einige Aspekte genauer anschauen. Es ist wichtig, die Feinheiten und Intrigen der Elektrochemischen Korrosion zu verstehen, da die Wirkungsmechanismen stark variieren und diese Kenntnisse es dir ermöglichen, die richtigen Maßnahmen zur Prävention und Kontrolle einzusetzen.
Elektrochemische Korrosion am Lokalelement
Ein Lokalelement ist eine mikroskopische Zone auf der Oberfläche eines Metals oder einer Legierung, in der sowohl die anodischen als auch die kathodischen Reaktionen auftreten, die zur Elektrochemischen Korrosion führen. Es ist oft das Ergebnis einer Verbindung von zwei verschiedenen Metallen oder von Unregelmäßigkeiten in der Metallstruktur. Hier können Unterschiede im chemischen Potenzial zu elektrischen Potentialunterschieden und schließlich zur Ausbildung eines galvanischen Elements führen.
| Lokalelement | Eine mikroskopische Zone auf einer Metall- oder Legierungsoberfläche, wo sowohl anodische als auch kathodische Reaktionen ablaufen können. |
| Anodische Reaktion | Die Oxidation des Metalls |
| Kathodische Reaktion | Die Reduktion des Elektrolyten |
Die Unterscheidung zwischen anodischen und kathodischen Bereichen ist zentral im Verständnis für Korrosion. Der anodische Bereich, der Metallionen freisetzt, ist der Ort der eigentlichen Korrosion, während der kathodische Bereich eine unterstützende Rolle beim Elektronenfluss spielt.
Elektrochemische Spannungsreihe Korrosion: Was bedeutet das?
Die elektrochemische Spannungsreihe ist ein Schlüsselbegriff, wenn es um die Elektrochemische Korrosion geht. Sie ist eine Liste von Redox-Potenzialen verschiedener Metalle und gibt Informationen darüber, wie wahrscheinlich ein Metall korrosiv reagiert. Je höher ein Metall in dieser Reihe steht, desto edler ist es und desto unwahrscheinlicher ist es, dass es korrodiert. Ein Metall weiter unten in der Reihe ist unedler und neigt eher zur Korrosion.
- \( \text{Metall} \rightarrow \text{Metall}^{2+} + 2e^{-}\) (Oxidation: Anodische Reaktion)
- \( \text{Metall}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Metall}\) (Reduktion: Kathodische Reaktion)
Die Spannungsreihe ist ein hilfreiches Instrument zur Vorhersage der galvanischen Korrosion, die auftritt, wenn zwei verschiedene Metalle in Kontakt sind. Das edlere Metall (höher in der Spannungsreihe) wird als die Kathode fungieren, während das unedlere Metall (niedriger in der Reihe) als Anode fungiert und sich auflöst.
Prozess und Mechanismen der Elektrochemischen Korrosion
Die Elektrochemische Korrosion ist ein Prozess, der durch das Zusammenspiel von chemischen Reaktionen und elektrischen Strömen verursacht wird. Wir haben bereits erwähnt, dass an der Anode das Metall oxidiert wird und an der Kathode die Reduktion des Elektrolyten erfolgt. Doch was geschieht danach?
- Oxidation des Metalls: \( \text{Metall} \rightarrow \text{Metall}^{2+} + 2e^{-}\)
- Reduktion des Elektrolyten: \( \text{O}_2 + 2(H_2O) + 4e^{-} \rightarrow 4 (OH)^{-}\)
- Bildung des Korrosionsprodukts: \( \text{Metall}^{2+} + 2(OH)^{-} \rightarrow \text{Metall}(OH)_2 \) (z.B. Rost bei Eisen)
Eine weitere wichtige Bestimmungsgröße für die Korrosionsrate ist die sogenannte Tafelsteigung \(b\), welche eine Eigenschaft der Korrosionselektrolyt/Material-Kombination ist. Sie strebt in idealen, d.h. sauberen, von chemischen Reaktionen freien Lösungen gegen den Wert von ca. 60 mV pro Dekade. Mit einer Erhöhung der \(b\)-Tafelsteigung um eine Dekade, erhöht sich auch die Korrosionsrate um den Faktor 10.
Elektrochemische Korrosion: Anwendung in der Technik
Die Elektrochemische Korrosion ist nicht nur ein Problem, sondern sie findet auch verschiedene Anwendungen in der Technik. Diese reichen von Energieerzeugung und Speicherung bis hin zu Materialverarbeitung und Oberflächenbehandlungen. Trotz ihrer schädlichen Wirkung im Kontext von Materialabbau, kann die Elektrochemische Korrosion tatsächlich genutzt werden, um innovative technische Lösungen zu schaffen.
Elektrochemische Korrosion: Beispiele aus dem Technikbereich
In der Technik wird Elektrochemische Korrosion in vielerlei Hinsicht genutzt. Hier sind einige Beispiele:
Batterien und Brennstoffzellen
Batterien und Brennstoffzellen sind praktische Beispiele für die Anwendung der Elektrochemischen Korrosion. Die Batterie funktioniert durch die Bewegung von Elektronen von der Anode zur Kathode, was eine Redoxreaktion involviert, ähnlich der Elektrochemischen Korrosion. Bei aufladbaren Batterien, wie Lithium-Ionen-Batterien, wird dieser Prozess umgekehrt, wenn die Batterie geladen wird.
In Brennstoffzellen findet der Prozess in ähnlicher Weise statt, allerdings in einem kontinuierlichen Fluss, wobei Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden, um Elektrizität zu erzeugen. In beiden Fällen wird Elektrochemische Korrosion genutzt, um effiziente Energiewandlung und -speicherung zu ermöglichen.
Elektrolytische Metallgewinnung
Elektrochemische Korrosion spielt auch eine wichtige Rolle in Prozessen wie der Elektrolyse, wo sie zur Gewinnung oder Verfeinerung von Metallen verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird ein Gleichstrom durch eine Lösung geleitet, um eine chemische Reaktion auszulösen. Die Metalle, die auf diese Weise gewonnen werden, sind oft reiner als die, die durch hitzebasierte Schmelzverfahren gewonnen werden.
Beispielsweise wird die elektrolytische Metallgewinnung im großen Stil bei der Gewinnung von Aluminium, Kupfer und einigen anderen Metallen eingesetzt. Bei Aluminium beispielsweise wird Bauxit, eine Aluminiumerz, in einer Lösung aufgelöst und dann wird Strom durch die Lösung geleitet. Bei diesem Prozess setzt sich das Aluminium am negativen Pol, der Kathode ab.
Elektrochemisches Ätzen und Polieren
Ein weiteres Beispiel ist das Elektrochemische Ätzen und Polieren. Hierbei wird die Elektrochemische Korrosion genutzt, um unerwünschtes Material von der Oberfläche eines Metalls zu entfernen oder um spezielle Oberflächenstrukturen zu erzeugen. Dieses Verfahren wird in vielen Industrien verwendet, beispielsweise in der Elektronikfertigung und in der Schmuckherstellung.
Schutz vor Elektrochemischer Korrosion
Ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen der Elektrochemischen Korrosion ist der erste Schritt, um wirksame Schutzmaßnahmen zu ermitteln. Glücklicherweise gibt es viele erprobte und effektive Methoden zur Verhinderung und Minimierung dieses zerstörerischen Prozesses.
Wie kann Elektrochemische Korrosion verhindert werden?
Die Prävention der Elektrochemischen Korrosion kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Es ist jedoch zu beachten, dass keine Methode absolut sicher ist und jede ihre eigenen Vor- und Nachteile sowie ihre Anwendbarkeit in bestimmten Situationen hat.
Eine Kernstrategie ist die Vermeidung des Kontakts des Metalls mit dem Korrosionselektrolyt. Dieser Ansatz kann durch Verwendung von Beschichtungen, Dichtstoffen, Lacken oder Kunststoffen umgesetzt werden. Diese bilden eine physikalische Barriere zwischen dem Metall und der korrosiven Umwelt und verhindern den Beginn des Korrosionsprozesses. Doch Vorsicht, Beschädigungen dieser Schutzschicht können lokale Korrosionsstellen hervorrufen!
Beschichtungen sind eine physische Barriere, die das Metall vom Korrosionselektrolyten trennt und so die Korrosion verhindert.
Das Ändern des Designs kann ebenfalls helfen. So kann beispielsweise die Verwendung von nur einem Metalltyp anstelle von zwei verschiedenen Metallen Galvanische Korrosion verhindern.
Darüber hinaus kann der Einsatz von Korrosionsinhibitoren helfen, die Rate der Elektrochemischen Korrosion zu verlangsamen. Diese Chemikalien interagieren mit dem Metall oder dem Elektrolyt und verändern die Bedingungen, um die korrosionsfördernden Reaktionen zu verhindern oder zu verlangsamen. Allerdings können Inhibitoren kostspielig sein und ihre Verwendung kann andere Probleme verursachen, wie die Verschmutzung von Boden und Wasser.
Ein Beispiel für einen Korrosionsinhibitor ist Benzotriazol, der oft zur Verhinderung der Korrosion von Kupfer verwendet wird. Es bildet einen komplexen Film auf der Oberfläche des Metalls, der die Korrosion verhindert.
Schutzmaßnahmen gegen Elektrochemische Korrosion: Ein Überblick
Schutzmaßnahmen gegen Elektrochemische Korrosion können grundsätzlich in passive und aktive Schutzmaßnahmen unterteilt werden.
Passive Schutzmaßnahmen setzen darauf, die Bedingungen zu ändern, die zur Elektrochemischen Korrosion führen, ohne ständige Überwachung oder Wartung. Sie umfassen direkte Maßnahmen wie die Verwendung korrosionsbeständiger Materialien oder Oberflächenbeschichtungen, die Vermeidung von Metalspannungen und die Gestaltung, um Feuchtigkeitsfallen zu vermeiden.
| Verwendung korrosionsbeständiger Materialien | Metalle wie Edelstahl und Aluminiumlegierungen sind intrinsisch korrosionsbeständiger als andere, wie z.B. Eisen und Kupfer. |
| Oberflächenbeschichtungen und Dichtstoffe | Schaffung eines physischen Barriere zwischen dem Metall und dem Korrosionselektrolyten. |
| Vermeiden von mechanischen Spannungen | Spannungen im Metall können Korrosion begünstigen, durch Dekonstruktion oder Verbesserung der Bearbeitungsprozesse kann dies vermieden werden. |
Aktive Schutzmaßnahmen beinhalten Maßnahmen, die erfordern, dass sie eingestellt oder gewartet werden, um effektiv zu bleiben. Dazu gehören Methoden wie die kathodische und anodische Schutzmaßnahmen.
- Das kathodische Schutz ist eine Technik, die verwendet wird, um ein Metall vor der Korrosion zu schützen, indem es in ein kathodisches, also elektrisch negatives Potential versetzt wird. Dies kann durch anbringen einer externen Spannungsquelle erreicht werden (imprägnierter Kathodenschutz) oder durch Verwendung von Opferanoden, die aus einem unedleren Material bestehen (Opferschutz).
- Der anodische Schutz ist ein ähnlicher Prozess, aber statt das Metall in ein kathodisches Potential zu versetzen, wird es in ein anodisches, also elektrisch positives Potential versetzt. Diese Methode eignet sich für Materialien, die stabilisierende Oxidschichten bilden, wie Titan oder Edelstahl.
Opferanoden oder sogennante "Sacrificial anodes" sind aus unedlerem Material gefertigt und korrodieren bevorzugt und schützen so das zu schützende Hauptmetall. Sie werden oft genutzt um Rohrleitungen, Wassertanks, Schiffsrümpfe und Offshore-Strukturen zu schützen.
Elektrochemische Korrosion - Das Wichtigste
- Unstetigstelligkeit des Metalloberflächepotentials
- Elektrolyt-gebildetes galvanisches Element
- Anodenreaktion: Oxidation des Metalls
- Kathodenreaktion: Redoxreaktion des Elektrolyten
- Unterschied Elektrochemische und Chemische Korrosion
- Anwendung von Elektrochemischer Korrosion in der Technik
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