22.7: Korrosion

Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung einiger Metalle, insbesondere von Eisen, ist die Möglichkeit von Korrosion. Es wird geschätzt, dass etwa ein Siebtel der gesamten Eisenproduktion das durch Korrosion verlorene Metall ersetzt. Rost ist anscheinend eine hydratisierte Form von Eisen (III) – Oxid. Die Formel ist ungefähr Fe2O3•\(\tfrac{\text{3}}{\text{2}}\)H2O, obwohl die genaue Wassermenge variabel ist. (Beachten Sie, dass dies etwa auf halbem Weg zwischen Eisen(III) – Hydroxid, Fe(OH)3 oder ½ {Fe2O3•3H2O] und wasserfreiem Fe2O3 liegt.),

Rosten erfordert sowohl Sauerstoff als auch Wasser und wird normalerweise durch Säuren, Spannungen im Eisen, Kontakt mit weniger aktiven Metallen und das Vorhandensein von Rost selbst beschleunigt. Darüber hinaus zeigt die Beobachtung eines verrosteten Objekts, wie eines Eisennagels aus einem alten Holzgebäude, dass sich Rost an einer Stelle (in der Nähe des Nagelkopfes) ablagert, während der größte Verlust an metallischem Eisen an anderer Stelle (in der Nähe des Punktes) auftritt. Diese Tatsachen legen nahe, dass der Mechanismus des Rostens eine galvanische Zelle beinhaltet., Die beteiligten Halbgleichungen sind

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, was die volle Reaktion ergibt:

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Sobald Fe2+(aq) gebildet ist, kann es frei durch die wässrige Lösung an eine andere Stelle auf der Metalloberfläche wandern. An diesem Punkt kann das Eisen ausfallen:

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Durch diese Reaktion freigesetzte Wasserstoffionen werden dann teilweise durch Gleichung \(\ref{2}\) verbraucht. Die für die Halbgleichung \(\ref{2}\) erforderlichen Elektronen werden aus der Gleichung \(\ref{1}\) über metallische Leitung durch das Eisen oder durch Ionenleitung zugeführt, wenn die wässrige Lösung eine signifikante Konzentration von Ionen enthält., So rostet Eisen bei Kontakt mit Salzwasser schneller als bei frischem.

Der im vorhergehenden Absatz vorgeschlagene Mechanismus impliziert, dass einige Bereiche der Eisenoberfläche kathodisch werden, d. H. Dass dort Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Andere Stellen sind anodisch; Oxidation von Fe zu Fe2 + tritt auf. Der Hauptweg, in dem solche Bereiche eingerichtet werden können, hängt von der Einschränkung der Sauerstoffversorgung ab, da Sauerstoff für die kathodische Reaktion in Gleichung \(\ref{2}\) benötigt wird. Im Falle des Eisennagels bildet sich beispielsweise Rost in der Nähe des Kopfes, weil mehr Sauerstoff verfügbar ist., Der größte Teil des Metallverlustes findet jedoch tief im Holz in der Nähe der Nagelstelle statt. An dieser Stelle kann Gleichung \(\ref{1}\) aber nicht \(\ref{2}\) auftreten.

Eine ähnliche Situation tritt auf, wenn ein Feuchtigkeitstropfen an einer Eisenoberfläche haftet (Abbildung \(\pageIndex{1}\)). Lochfraß tritt in der Nähe der Tropfenmitte auf, während sich hydratisiertes Eisen(III) – Oxid nahe der Kante ablagert.

Ein zweiter Weg, in dem anodische und kathodische Bereiche eingerichtet werden können, beinhaltet das Vorhandensein eines zweiten Metalls, das eine größere Anziehungskraft auf Elektronen hat (weniger leicht oxidiert wird) als Eisen., Ein solches Metall kann Elektronen ableiten, die im Eisen zurückbleiben, wenn sich Fe2+ auflöst. Dieser Überschuss an Elektronen macht das weniger aktive Metall zu einem idealen Ort für die Gleichung \(\ref{2}\), und so wird eine Zelle am Schnittpunkt der Metalle eingerichtet. Rost kann tatsächlich die Oberfläche des weniger aktiven Metalls beschichten, während sich Gruben im Eisen bilden.

Die wichtigste Technik zur Rostverhütung besteht einfach darin, Wasser und Sauerstoff mittels einer Schutzschicht auszuschließen. Dies ist das Prinzip hinter dem Ölen, Fetten, Lackieren oder Metallisieren von Eisen., Die Beschichtung muss jedoch vollständig sein, oder das Rosten kann durch den Ausschluss von Sauerstoff von einem Teil der Oberfläche beschleunigt werden. Dies gilt insbesondere, wenn Eisen mit einem weniger aktiven Metall wie Zinn beschichtet ist. Selbst ein Loch in der Beschichtung einer Blechdose rostet sehr schnell, da das Blech aufgrund seines größeren Elektrodenpotentials und des Sauerstoffausschlusses aus dem darunter liegenden Eisen kathodisch wird.

Bei einer zweiten Technik wird das Eisenobjekt mit einem aktiveren Metall in Kontakt gebracht., Dies wird als kathodischer Schutz bezeichnet, da das aktivere Metall Elektronen an das Eisen spendet und die Gleichung \(\ref{1}\) stark hemmt. Sowohl der kathodische Schutz als auch eine Oberflächenbeschichtung werden durch Verzinken bereitgestellt, ein Verfahren, bei dem Zink elektrolytisch auf Stahl plattiert wird oder durch Eintauchen in das geschmolzene Metall. Wie viele andere Metalle ist Zink selbstschutzend—es reagiert mit Sauerstoff und Kohlendioxid aus der Luft zu einer anhaftenden undurchlässigen Beschichtung aus Zinkhydroxycarbonat, Zn2(OH)2CO3., Sollte sich ein Kratzer in der Zinkplatte befinden, kann das Eisen immer noch nicht rosten, da Zink bevorzugt oxidiert wird. Das gebildete Hydroxycarbonat bedeckt dann die Öffnung und verhindert einen weiteren Kontakt von Sauerstoff mit dem Eisen oder Zink.

Eine dritte Technik gilt für Situationen (z. B. einen Autokühler), in denen wässrige Lösungen mit dem Bügeleisen in Kontakt kommen. Korrosionsinhibitoren umfassen Chromatsalze und organische Verbindungen wie Tribntylamin (C4H9)3N. Chromate bilden anscheinend eine undurchlässige Beschichtung von FeCrO4(s), sobald Eisen zu Eisen oxidiert wird(II)., Tributylamin, ein Derivat von Ammoniak, reagiert mit organischen Säuren, die durch die Zersetzung von Frostschutzmittel bei den hohen Temperaturen eines Automotors gebildet werden. Die erzeugten Tributylammoniumsalze sind unlöslich und beschichten das Innere des Kühlsystems. So neutralisiert Tributylamin Säure, die Korrosion beschleunigen würde und bietet eine Oberflächenbeschichtung als auch.