Korrosion und Korrosionsschutz - Chemie


Korrosion und Korrosionsschutz - Chemie
Korrosion und Korrosionsschutz - Chemie

Einleitung
Korrosion begegnet Dir im Alltag an Fahrrädern, Brücken, Autos, Werkzeugen und Wasserleitungen. Metalle reagieren dabei mit Stoffen aus ihrer Umgebung. Das Material verändert sich und kann nach und nach geschädigt werden. Bei Eisen und Stahl entsteht häufig Rost. Rost ist jedoch nur eine besondere Form der Korrosion: Auch Kupfer, Aluminium, Zink und andere Metalle können korrodieren, bilden aber andere Korrosionsprodukte.
In diesem aiMOOC lernst Du, wie Korrosion als Redoxreaktion erklärt wird, warum Wasser und Sauerstoff beim Rosten wichtig sind und wie Salz den Vorgang beschleunigt. Außerdem vergleichst Du verschiedene Verfahren des Korrosionsschutzes, zum Beispiel Lackieren, Verzinken, Passivieren und den kathodischen Schutz mit einer Opferanode.
Lernziele
Nach der Bearbeitung kannst Du Korrosion von Rost unterscheiden, die Teilreaktionen der Eisenkorrosion beschreiben, wichtige Einflussfaktoren erklären und geeignete Schutzverfahren für unterschiedliche Anwendungen auswählen. Du kannst außerdem einfache Versuche planen, Beobachtungen auswerten und Schutzmaßnahmen chemisch begründen.
Grundlagen der Korrosion
Was ist Korrosion?
Korrosion ist die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung. Bei Metallen handelt es sich meist um eine chemische oder elektrochemische Oxidation. Metallatome geben Elektronen ab und werden zu positiv geladenen Metall-Ionen. Dadurch verändert sich die Oberfläche. Das Bauteil kann an Masse, Festigkeit oder Funktion verlieren.
Die Elektronenabgabe eines Metalls lässt sich allgemein so darstellen:
Korrosion ist nicht immer sofort sichtbar. Eine dünne Schutzschicht kann das Metall sogar vor weiterem Angriff bewahren. Eine lockere, poröse Schicht kann dagegen Wasser und Sauerstoff weiterhin an das Metall gelangen lassen.

Chemische und elektrochemische Korrosion
Bei der chemischen Korrosion reagiert ein Metall unmittelbar mit einem Stoff aus seiner Umgebung, beispielsweise mit Sauerstoff bei hoher Temperatur.
Die im Alltag besonders wichtige elektrochemische Korrosion läuft räumlich in Teilreaktionen ab. An einer Stelle findet die Oxidation statt, an einer anderen die Reduktion. Eine leitfähige Flüssigkeit, der Elektrolyt, ermöglicht den Transport von Ionen. Schon ein dünner Wasserfilm auf einer Metalloberfläche kann als Elektrolyt wirken.
Rost ist nicht jede Korrosion
Der Begriff Rost bezeichnet Korrosionsprodukte von Eisen und Stahl. Die grüne Patina auf Kupfer oder die Oxidschicht auf Aluminium sind keine Rostschichten. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil verschiedene Metalle unterschiedlich reagieren und deshalb unterschiedliche Schutzverfahren benötigen.

Wie rostet Eisen?
Voraussetzungen der Rostbildung
Für die typische Rostbildung an Eisen sind vor allem Wasser und Sauerstoff erforderlich. Salze und Säuren können die Leitfähigkeit des Wasserfilms erhöhen und die Korrosion beschleunigen. Deshalb rosten Fahrzeuge im Winter besonders schnell, wenn Streusalz auf feuchte Metallteile gelangt.
Auch Unebenheiten, Verunreinigungen und unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen auf der Oberfläche können kleine elektrochemische Bereiche erzeugen. Ein solcher Bereich wird als Lokalelement bezeichnet.

Teilreaktionen der Eisenkorrosion
An einem anodischen Bereich werden Eisenatome oxidiert:
Die frei werdenden Elektronen bewegen sich durch das Metall zu einem kathodischen Bereich. Dort wird gelöster Sauerstoff in Gegenwart von Wasser reduziert:
Eisen-Ionen und Hydroxid-Ionen können zunächst Eisen(II)-hydroxid bilden:
Durch weitere Reaktionen mit Sauerstoff entstehen verschiedene Eisen(III)-oxide und Eisen(III)-oxidhydroxide. Rost ist deshalb kein einzelner, einheitlicher Stoff. Vereinfacht wird er häufig als wasserhaltiges Eisen(III)-oxid beschrieben:
Warum schützt Rost das Eisen kaum?
Die Rostschicht haftet meist nicht dicht und geschlossen auf dem Metall. Sie ist porös, kann abblättern und lässt Wasser sowie Sauerstoff bis zur Metalloberfläche gelangen. Deshalb kann die Korrosion unter einer Rostschicht weitergehen.
Einfluss von Salz und Säuren
Reines Wasser leitet elektrischen Strom nur schwach. Gelöste Ionen aus Salzen oder Säuren erhöhen die Leitfähigkeit. Dadurch werden Ladungen im Elektrolyten leichter transportiert und elektrochemische Teilreaktionen können schneller ablaufen.
Chlorid-Ionen können außerdem schützende Oxidschichten örtlich angreifen. Dadurch kann eine stark lokalisierte Korrosion entstehen.
Korrosionsarten
Flächenkorrosion
Bei der Flächenkorrosion wird eine größere Oberfläche relativ gleichmäßig angegriffen. Der Materialverlust lässt sich häufig gut erkennen und abschätzen.
Kontaktkorrosion
Berühren sich zwei unterschiedliche Metalle elektrisch und sind sie gleichzeitig mit einem Elektrolyten verbunden, kann ein galvanisches Element entstehen. Das unedlere Metall wird bevorzugt oxidiert. Besonders ungünstig ist eine kleine Fläche des unedlen Metalls in Verbindung mit einer großen Fläche des edleren Metalls.
Ein Beispiel ist eine ungeschützte Stahlschraube in Kontakt mit einem edleren Metall in feuchter Umgebung.
Spaltkorrosion
In engen Spalten kann Flüssigkeit lange zurückbleiben. Unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen innerhalb und außerhalb des Spalts erzeugen elektrochemische Bereiche. Deshalb sollten Konstruktionen Wasseransammlungen und schwer trocknende Fugen möglichst vermeiden.
Lochfraßkorrosion
Bei der Lochfraßkorrosion wird eine schützende Oberfläche nur an kleinen Stellen zerstört. Dort können tiefe Löcher entstehen, während der übrige Werkstoff äußerlich kaum verändert erscheint. Chlorid-Ionen fördern diese Korrosionsart bei manchen passivierten Metallen.

Spannungsrisskorrosion
Bestimmte Werkstoffe können unter dem gemeinsamen Einfluss von Zugspannung und einer passenden korrosiven Umgebung Risse bilden. Dabei wirken mechanische und chemische Faktoren zusammen. Die genaue Werkstoffwahl ist deshalb für sicherheitsrelevante Bauteile besonders wichtig.
Passivierung
Schützende Oxidschichten
Einige Metalle bilden an der Luft eine sehr dünne, dichte und fest haftende Oxidschicht. Sie trennt das darunterliegende Metall weitgehend von der Umgebung. Dieser Zustand wird als Passivierung bezeichnet.
Aluminium wird durch eine Aluminiumoxidschicht geschützt. Nichtrostende Stähle enthalten ausreichend Chrom, sodass sich eine chromreiche Passivschicht bilden kann. Wird eine solche Schicht leicht beschädigt, kann sie sich unter geeigneten Bedingungen erneut bilden. Chloridreiche oder stark saure Umgebungen können den Schutz jedoch beeinträchtigen.

Rostschicht und Passivschicht im Vergleich
Eine Passivschicht ist dünn, dicht und haftet fest. Eine typische Rostschicht auf Eisen ist dagegen porös und bietet keinen dauerhaften Abschluss gegen Wasser und Sauerstoff. Deshalb korrodiert ungeschützter Stahl meist weiter, während Aluminium unter vielen Alltagsbedingungen nur langsam weiter angegriffen wird.
Korrosionsschutz
Korrosionsschutz kann an unterschiedlichen Stellen ansetzen. Man kann den Kontakt des Metalls mit Wasser und Sauerstoff verhindern, einen geeigneteren Werkstoff wählen, eine schützende Deckschicht erzeugen oder das Bauteil elektrochemisch zur Kathode machen.
Organische Beschichtungen
Lacke, Kunststoffe, Wachse, Fette und Öle bilden eine Barriere zwischen Metall und Umgebung. Der Schutz funktioniert nur zuverlässig, wenn die Schicht ausreichend dicht ist. Kratzer, Poren und schlecht vorbereitete Oberflächen können zu örtlicher Korrosion führen.
Vor dem Lackieren müssen Rost, Schmutz und Fett entfernt werden. Auch Kanten, Bohrungen und Schweißnähte benötigen eine sorgfältige Beschichtung.
Metallische Überzüge
Metalle können durch Feuerverzinken, galvanisches Beschichten oder andere Verfahren mit einer Metallschicht überzogen werden.
Beim Verzinken liegt Zink auf Eisen oder Stahl. Zink ist unedler als Eisen. Wird die Zinkschicht kleinflächig beschädigt, kann das Zink als Schutzanode wirken und bevorzugt oxidiert werden.


Ein Überzug aus einem edleren Metall kann ebenfalls als Barriere wirken. Wird eine solche Schicht jedoch beschädigt, kann das freiliegende unedlere Grundmetall in Kontakt mit dem edleren Überzug besonders stark korrodieren. Deshalb müssen Materialpaarung, Schichtdicke und Einsatzbedingungen gemeinsam betrachtet werden.
Opferanode
Beim Schutz durch eine Opferanode wird das zu schützende Bauteil elektrisch mit einem unedleren Metall verbunden. Häufig werden Zink-, Magnesium- oder Aluminiumlegierungen eingesetzt. Die Opferanode wird bevorzugt oxidiert und muss nach einer gewissen Zeit ersetzt werden.
Dieses Verfahren wird beispielsweise an Schiffsrümpfen, Warmwasserspeichern, Rohrleitungen und Anlagen im Meerwasser verwendet.



Fremdstromschutz
Beim kathodischen Fremdstromschutz liefert eine äußere Gleichspannungsquelle die benötigten Elektronen. Das geschützte Bauteil wird zur Kathode. Zusätzliche Anoden geben den Schutzstrom an den Elektrolyten ab.
Der Fremdstromschutz eignet sich für große Anlagen wie unterirdische Rohrleitungen, Tanks, Hafenanlagen oder Schiffskörper. Das System muss überwacht und richtig eingestellt werden.
Werkstoffwahl und Legieren
Korrosion kann verringert werden, wenn ein Werkstoff passend zur Umgebung ausgewählt wird. Nichtrostende Stähle, Aluminiumlegierungen, Titan oder Kunststoffe besitzen je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Vorteile und Grenzen.
Durch Legieren verändern sich die Eigenschaften eines Metalls. Chrom ermöglicht bei vielen nichtrostenden Stählen die Bildung einer schützenden Passivschicht. Eine ungeeignete Werkstoffwahl kann dagegen Kontaktkorrosion oder Lochfraß begünstigen.
Konstruktiver Korrosionsschutz
Eine gute Konstruktion vermeidet Wasserfallen, enge Spalten und schwer zugängliche Bereiche. Verbindungen unterschiedlicher Metalle können elektrisch getrennt werden. Bohrungen ermöglichen den Ablauf von Wasser, und gut zugängliche Flächen lassen sich leichter reinigen, prüfen und nachbeschichten.
Inhibitoren und kontrollierte Umgebung
Bestimmte Stoffe können Korrosionsreaktionen verlangsamen und werden als Inhibitoren bezeichnet. In geschlossenen technischen Systemen können außerdem Sauerstoffgehalt, pH-Wert oder Salzkonzentration kontrolliert werden. Die eingesetzten Stoffe müssen für Material, Umwelt und Anwendung geeignet sein.
Schulversuch: Bedingungen des Rostens
Fragestellung
Unter welchen Bedingungen rostet ein Eisennagel besonders schnell?
Material und Sicherheit
Du benötigst mehrere saubere Eisennägel, kleine beschriftete Gefäße, Leitungswasser, Salzwasser und Speiseöl. Ein weiteres Gefäß bleibt trocken. Trage eine Schutzbrille und führe den Versuch nach den Sicherheitsregeln Deiner Schule durch. Nach dem Versuch werden die Nägel getrocknet und sachgerecht entsorgt oder weiterverwendet.
Durchführung
- Leitungswasser: Lege einen Nagel teilweise in Leitungswasser.
- Salzwasser: Lege einen Nagel teilweise in Salzwasser.
- Wasser unter Öl: Bedecke abgekochtes und abgekühltes Wasser vorsichtig mit einer Ölschicht und gib einen Nagel hinein.
- Trockene Luft: Bewahre einen trockenen Nagel ohne Wasser in einem trockenen Gefäß auf.
Beobachte die Ansätze über mehrere Tage. Vergleiche Farbe, Oberfläche und Ort der Rostbildung. Halte alle Bedingungen möglichst gleich und verändere nur den untersuchten Einflussfaktor.
Erwartete Deutung
| Ansatz | Erwartete Beobachtung | Chemische Deutung |
|---|---|---|
| Leitungswasser | Rostbildung ist möglich. | Wasser und gelöster Sauerstoff stehen zur Verfügung. |
| Salzwasser | Häufig stärkere oder schnellere Rostbildung. | Gelöste Ionen erhöhen die Leitfähigkeit des Elektrolyten. |
| Wasser unter Öl | Deutlich geringere Rostbildung ist möglich. | Die Ölschicht vermindert den weiteren Zutritt von Sauerstoff. |
| Trockene Luft | Kaum Rostbildung. | Der für die elektrochemische Korrosion notwendige Wasserfilm fehlt. |
Ein Schulversuch zeigt Tendenzen. Kleine Unterschiede bei Sauberkeit, Temperatur, Sauerstoffzufuhr und Nageloberfläche können das Ergebnis beeinflussen.
Korrosion in Alltag, Technik und Umwelt
Korrosion kann die Sicherheit von Brücken, Fahrzeugen, Rohrleitungen und Maschinen beeinträchtigen. Regelmäßige Kontrolle ist deshalb ebenso wichtig wie die ursprüngliche Schutzmaßnahme. Beschichtungen müssen ausgebessert, Opferanoden ersetzt und Fremdstromanlagen überwacht werden.
Wirksamer Korrosionsschutz verlängert die Lebensdauer von Produkten. Dadurch werden Rohstoffe, Energie und Reparaturaufwand eingespart. Gleichzeitig müssen Schutzstoffe umweltverträglich ausgewählt, fachgerecht verarbeitet und am Ende des Produktlebenszyklus berücksichtigt werden.
Zusammenfassung
Korrosion ist eine chemische oder elektrochemische Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung. Beim Rosten von Eisen laufen Oxidation und Reduktion an unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche ab. Wasser dient als Elektrolyt, Sauerstoff wird reduziert und Eisen wird oxidiert. Salze beschleunigen häufig den Prozess.
Korrosionsschutz kann durch Beschichtungen, metallische Überzüge, Passivierung, geeignete Werkstoffe, konstruktive Maßnahmen, Opferanoden oder Fremdstrom erreicht werden. Welches Verfahren geeignet ist, hängt von Metall, Umgebung, Belastung, Kosten, Wartung und Sicherheitsanforderungen ab.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was bezeichnet Korrosion? (Die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung) (!Nur das Schmelzen eines Metalls) (!Nur die Verformung eines Werkstücks) (!Die Herstellung einer Legierung)
Welcher Stoff wird bei der Eisenkorrosion oxidiert? (Eisen) (!Sauerstoff) (!Wasser) (!Hydroxid)
Welche Teilchen gibt Eisen bei der Oxidation ab? (Elektronen) (!Protonen) (!Neutronen) (!Sauerstoffmoleküle)
Welche zwei Bedingungen sind für die typische Rostbildung besonders wichtig? (Wasser und Sauerstoff) (!Stickstoff und trockenes Salz) (!Öl und Kohlenstoffdioxid) (!Helium und Licht)
Warum beschleunigt Salzwasser häufig die Korrosion? (Es erhöht die elektrische Leitfähigkeit des Wasserfilms) (!Es entfernt alle Metall-Ionen) (!Es verhindert jede Reduktion) (!Es macht Eisen zu einem Edelgas)
Welche Eigenschaft besitzt eine wirksame Passivschicht? (Sie ist dicht und haftet fest) (!Sie ist locker und blättert leicht ab) (!Sie besteht immer aus Rost) (!Sie löst sich sofort in trockener Luft)
Warum kann Zink Stahl auch an einer kleinen Schadstelle schützen? (Zink ist unedler und wird bevorzugt oxidiert) (!Zink verhindert den Kontakt mit Elektronen) (!Zink ist immer edler als Eisen) (!Zink wandelt Eisen in Kunststoff um)
Welche Aufgabe hat eine Opferanode? (Sie korrodiert bevorzugt und schützt das Bauteil) (!Sie erhöht gezielt den Rostanteil) (!Sie unterbricht jeden elektrischen Kontakt) (!Sie macht Wasser vollständig ionenfrei)
Was geschieht an einer Kathode? (Eine Reduktion) (!Eine Elektronenabgabe) (!Eine Schmelzreaktion) (!Eine mechanische Verformung)
Welche Maßnahme gehört zum konstruktiven Korrosionsschutz? (Wasseransammlungen und enge Spalten vermeiden) (!Bauteile dauerhaft feucht halten) (!Unterschiedliche Metalle immer direkt verbinden) (!Beschichtungen absichtlich beschädigen)
Memory
| Korrosion | Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung |
| Oxidation | Abgabe von Elektronen |
| Elektrolyt | Ionenleitende Flüssigkeit |
| Opferanode | Unedles Schutzmetall |
| Passivierung | Bildung einer dichten Schutzschicht |
| Verzinken | Aufbringen eines Zinküberzugs |
| Lochfraß | Örtlich stark vertiefte Schädigung |
| Kathode | Ort der Reduktion |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Schutzprinzip |
|---|---|
| Lackierung | Trennt das Metall von Wasser und Sauerstoff |
| Feuerverzinkung | Bildet einen Zinküberzug auf Stahl |
| Opferanode | Liefert Elektronen durch bevorzugte Oxidation |
| Passivierung | Erzeugt oder stabilisiert eine dichte Oxidschicht |
| Konstruktionsschutz | Vermeidet Spalten und Wasseransammlungen |
...
Kreuzworträtsel
| Korrosion | Wie heißt die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung? |
| Anode | Wie heißt der Bereich, an dem die Oxidation stattfindet? |
| Kathode | Wie heißt der Bereich, an dem die Reduktion stattfindet? |
| Elektrolyt | Wie heißt eine ionenleitende Flüssigkeit? |
| Verzinken | Wie heißt das Beschichten von Stahl mit Zink? |
| Passivierung | Wie heißt die Bildung einer dichten schützenden Oberflächenschicht? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Korrosion im Alltag: Fotografiere drei Beispiele für Korrosion in Deiner Umgebung und beschreibe jeweils Material, Feuchtigkeit und sichtbare Veränderungen.
- Rosttagebuch: Beobachte einen rostenden Gegenstand über eine Woche und dokumentiere Veränderungen mit Skizzen oder Fotos.
- Schutzmaßnahmen vergleichen: Erstelle ein Plakat mit Lackieren, Verzinken, Passivieren und Opferanode als vier Schutzprinzipien.
- Begriffe erklären: Produziere eine einminütige Audioaufnahme, in der Du Oxidation, Reduktion und Elektrolyt mit eigenen Worten erklärst.
Standard
- Nagelversuch planen: Entwickle einen kontrollierten Versuch zum Einfluss von Salz auf die Rostbildung und benenne unabhängige, abhängige und konstante Größen.
- Fahrradinspektion: Untersuche ein Fahrrad auf gefährdete Stellen und erstelle einen begründeten Wartungsplan.
- Materialentscheidung: Vergleiche lackierten Stahl, verzinkten Stahl und Aluminium für ein Gartentor und formuliere eine Empfehlung.
- Erklärvideo Korrosionsschutz: Gestalte ein kurzes Video, das die Funktion einer Opferanode mit Teilchen und Elektronenfluss erklärt.
Schwer
- Kontaktkorrosion untersuchen: Plane ein Modell, mit dem Du den Einfluss zweier verschiedener Metalle in Salzwasser untersuchen kannst, und formuliere eine begründete Hypothese.
- Brückenanalyse: Analysiere ein öffentlich zugängliches Brückenfoto und entwickle ein Schutzkonzept aus Werkstoffwahl, Beschichtung, Konstruktion und Wartung.
- Nachhaltigkeitsbewertung: Bewerte zwei Korrosionsschutzverfahren anhand von Lebensdauer, Materialverbrauch, Reparierbarkeit, Umweltwirkung und Kosten.
- Korrosionsfall recherchieren: Recherchiere einen technischen Schadensfall, trenne gesicherte Ursachen von Vermutungen und präsentiere Maßnahmen zur Vorbeugung.


Lernkontrolle
- Transfer auf ein Gartentor: Ein lackiertes Stahltor besitzt einen tiefen Kratzer. Erkläre den wahrscheinlichen weiteren Verlauf und entwickle einen fachgerechten Reparaturplan.
- Materialpaarung beurteilen: Eine kleine Stahlschraube verbindet ein großes Kupferblech im Außenbereich. Analysiere das Korrosionsrisiko und schlage eine konstruktive Verbesserung vor.
- Versuchsdaten auswerten: Zwei Gruppen erhalten beim Nagelversuch unterschiedliche Ergebnisse. Entwickle mögliche Ursachen und beschreibe, wie die Versuchskontrolle verbessert werden kann.
- Schutzverfahren auswählen: Entscheide begründet, ob Lackierung, Verzinkung, Opferanode oder Fremdstromschutz für eine unterirdische Rohrleitung geeignet ist.
- Passivierung übertragen: Erkläre, warum Aluminium im Alltag häufig beständig erscheint, aber in bestimmten chemischen Umgebungen dennoch stark angegriffen werden kann.
- Nachhaltige Instandhaltung: Entwickle einen Wartungsplan für eine Stahlkonstruktion, der Sicherheit, Ressourcenverbrauch und langfristige Kosten miteinander verbindet.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du Korrosion als Redoxprozess erklären, Oxidation und Reduktion zuordnen und die Rolle eines Elektrolyten beschreiben kannst. Du solltest die Bedingungen der Rostbildung aus einem Versuch ableiten und erklären können, weshalb Salz den Vorgang häufig beschleunigt.
Außerdem ist wichtig, dass Du Passivschicht und Rostschicht vergleichst, Kontaktkorrosion erkennst und Schutzverfahren nicht nur nennst, sondern passend zu einer Anwendung auswählst. Ein guter Lernnachweis enthält nachvollziehbare Fachbegriffe, korrekte Reaktionsgleichungen, eine begründete Materialentscheidung und eine reflektierte Bewertung von Sicherheit, Wartung und Nachhaltigkeit.
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