Definitionen und Grundlagen

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1 KORROSION Laboratoriumsübung für die elektrochemische Potential- und Korrosionsgeschwindigkeits-bestimmung Verfasst: von Dipl. Ing. Chem. Ferenczi Sándor Definitionen und Grundlagen Was bedeutet die Korrosion? Wenn ein Werkstück in Verbindung mit seiner Umgebung, durch chemischer od. elektrochemischer Reaktion (Reaktionen) sich langsam unerwünscht verändert. (Die Korrosion corrodere (Latein) =zerkauen.) (Nicht nur die Metalle und elektrisch leitende Stoffe können sich korrodieren!) Zu der Korrosion ähnliche schädliche Vorgänge: - Erosion - Kavitation - Mechanische Verschleiß - Veralterung Grund der Korrosion? Das Zielstreben des Stoffes, dass in Berührung mit einem Elektrolyt in ionischen Zustand oder ohne Elektrolyt während der Entstehung von neuerer chemischen Verbindung, thermodynamisch betrachtet, in eine energieärmere Zustand kommt. Aufteilung der Korrosion: Korrosion Chemische- Elektrochemische ohne mechanische Beanspruchung - Mulden- und Lochkorrosionn Lösende- treibende- - Spaltkorrosion (zerstörende-) - Kontaktkorrosion - Selektive- (interkristalinekorrosion) - Filiformkorrosion - grosflächige Korrosionselemente - Sreustromkorrosion mit mechanische Beanspruchung - Spannugsrisskorrosion - Wasserstoffversprödung - Swingungsrisskorrosion - Reibkorrosion - Erosionskorrosion Bei den chemischen Reaktionen werden Elektronen abgegeben (Oxidation) oder aufgenommen (Reduktion) oder neu verteilt zwischen den atomaren Teilchen. Bei den elektrochemischen Reaktionen sind die reagierenden Teiche nicht nebeneinander, deswegen werden Ladungsträger (Ionen), zu dem Elektron- oder Elektronmangeltransport, gebraucht. (Die sind im Elektrolyt enthalten) 3

2 Die Elektrochemie beschäftigt sich mit der elektrische Erscheinungen, die durch chemische Reaktionen entstehen oder umgekehrt mit der chemische Reaktionen die durch elektrische Erscheinungen entstehen. Elektrolyte sind wässrige Lösungen, wo durch Dissoziation bewegliche Ionen sich befinden, eventuell sind die geschmolzenen Stoffe. Eine Elektrode ist wenn ein Metall, od. elektrisch leitender Stoff mit einem Elektrolyt in Berührung kommt. Wenn zwei Elektroden mit unterschiedlichem Elektrodenpotential zusammengeschaltet werden entsteht ein Stromkreis (z.b. Daniel Batterie) Me Me + 2e ME + 2e Me Elektronabgabe (Oxidation) Elektronaufnahme (Reduktion) Elektronüberschuss (Anode) Elektronmangel (Katode) Falls die Elektrode seine Spannung nicht ableiten kann, entsteht ein Gleichgewicht zwischen Löse- und Abscheidungsprozess und sogar wegen die polare Wassermoleküle entstehende Wasserhülle funktioniert wie ein Kondensator. Bei der Elektrode ist die Fähigkeit des Metalls, Metallteilchen in die Lösung abzugeben oder aus der Lösung auszuscheiden nennt sich Elektrodenpotential. Diese Fähigkeit hängt vom Metall ab, und wird beeinflusst von der Temperatur, vom Druck und von der Art und Konzentration der Lösung ab. 4

3 Da das Elektrodenpotential wird mit relativem Messmethode bestimmt, muss eine Elektrode als Bezugselektrode nehmen und dazu gegenüber einen Vergleichswert messen, (bestimmen). (Die Bezugselektrode wird auch als Standardelektrode genannt.) Üblicherweise verwendet man als Bezugselektrode, die so genannte Wasserstoffelektrode oder die Kalomelelektrode, (aber sind auch andere Bezugselektroden) Willkürlicherweise wird bei denen ein Elektrodenpotential als null deklariert, (oder es kann mit einer Korrektion verbessert werden) Es werden sowieso nur die Potentialunterschiede gebracht. Bei der Messung vom Elektrodenpotential wird die Bezugselektrode, mit dem bestimmenden Metall enthaltende Elektrode zusammengeschaltet (so wie am schematischen Bild von der Danielelement ). So kann man zwischen Bezugselektrode und Messelektrode eine elektrische Spannung messen. Dieser Spannungswert wird als Elektrodenpotential angegeben, mit dem Angaben Bezugselektrode, Temperatur, und die Kennwette der Lösung. Je schneller fließen die Elektronen zwischen den zusammengeschalteten Elektroden, desto größer ist die Spannung (die Potentialunterschied) und desto schneller läuft die Elektronenabgabe (die Oxidation) ab, also desto schneller ist das Korrosionsprozess. Je mehr Elektron lauft zwischen den zusammengeschalteten Elektroden, desto größer ist der Strom, desto mehr Elektronen wurden abgegeben, Mengenmäßig desto mehr atomare Teilchen oxidieren sich, Mengenmäßig, desto größer ist der Korrosion. (! Aufpassen auf die Wertigkeit, einige Metallteilchen geben mehrere Elektronen ab!) Zusammenhänge zu der Berechnung der Korrosionsgeschwindigkeit: Elektrochemische Korrosionsgeschwindigkeit: m (Massenänderung) g Vkorr = [ ] t (In einer bestimmten Zeit) Jahr Wie kann die Massenänderung bestimmt werden? Faraday hat während seine elektrochemische versuche eine Gesetzmäßigkeit beobachtet und eine Gleichung aufgestellt. m (aufgelöste Masse) = k (elektrochemische Äquivalent) [g/ah] IA (Anodenstrom) [A] t (Zeiteinheit) m = k [g/ah] I [A] t [h] Für die elektrochemische Äquivalent (k) gibt der folgende Zusammenhang: M (Atommasse) k [g/ah] = z (Wertigkeit) F (Faraday sche Konstante) 5

4 Die Faraday sche Konstante ist eine Stoff unabhängige Konstante. F= C oder F = 26,8 Ah Es bedeutet das, das Coulomb Ladungsmenge zu bekommen, wird 26,8 Ah Strommenge gebraucht. (oder umgekehrt) Die Massenänderung lässt sich also folgende Weise berechen. m = (M/z F) I t Vorausgesetzt dass man über eine gleichmäßige Flächenkorrosion sprechen kann, können die Maasänderungen ( d) mit Hilfe der Dichte (ρ[g/cm³]), und der Oberfläche (O[mm²]), und die lineare Korrosionsgeschwindigkeit, ausgerechnet werden. d = m/ (O ρ) m V lin. Korr.[mm/Jahr] = O ρ t Messaufgaben (zu der praktischen Arbeit): Die Aufgaben werden vor dem Messen mündlich genau erleuchtet. Zu der Arbeit nötige Werkstücke und Messinstrumente sind im Laboratorium vorbereitet, und die nötige Angaben, Werte (wie Dichte) sind ausgehängt. 1.) - Bei jedem Messplatz sind Lösungen Vorbereitet mit der nötigen Angaben (Art und Konzentration der Lösung) - Temperatur wird selber gemessen. - Die Elektrodenpotentiale, von den ausgestelltem Metalle und Grafit, wird bestimmt, mit Hilfe einer Strom- /Spannungsmessinstrument gegenüber der vorbereiteten Kalomellelektrode gemessen. (! Aufpassen Spannung!) 2.) - Bei zwei ausgewählten Metalle (Grafit) soll, die lineare Korrosionsgeschwindigkeit bestimmt werden. (Strom) (Während der Arbeit bitte über alles, genaue Notiz machen!) Forderungen vom Aussehen des Prüfberichts: Es wird im Praktikumsheft (pünktlich) abgegeben. Technische Chemie Übung Fakultät:. Name (und Gruppen Nr.):... Name der Übung: Ort der Übung: Zeitpunkt der Übung:.. Übungsleiter:... Wurde Abgegeben*. Note: 6

5 Inhalt: 1.) Theoretische Einführung 2.) Zweck und Sinn der Messung 3.) Hand angefertigte Zeichnung der Messung 4.) Messdaten (tabellarisch) bzw. entnommene Daten (mit Messeinheiten) 5.) Rechnungen (mit Gleichungen und Messeinheiten) 6.) Diagrammen ( als Balkendiagram, mit Achsen Benennung, per Hand auf Millimeterpapier od. per PC gedruckt) 7.) Folgerungen, Bewertung, Konklusion. 8.) Unterschrift, Datum. Anhang Wörterbuch, einige Begriffe und Tabellen mit Kennwerte: Mulden- und Lochkorrosion = (lyukkorrózió)die Anoden und Kathoden weisen endliche Abmessungen auf, und die Teilprozesse der Korrosion laufen voneinander getrennt ab. (Lokalkorrosion) Kraterförmig od. Nadelstichförmig. Der Durchmesser der Mulde ist grösser als der Tiefe, oder Lochtiefe ist größer als sein Durchmesser. Spaltkorrosion = (réskorrózió)konstruktiv bedingte Lokalkorrosionsart, im Metall selbst oder zwischen zwei Werkstoffen an nicht einsehbaren Stellen. Kontaktkorrosion = (kontakt vagy galvánkorrózió) Entsteht eine galvanische Element (wie Daniell-Batterie) Selektive-, interkristaline Korrosion = (szelektiv-, kristályközi korrózió) Bei Legierungsbereiche oder bei Kristalldeformation entsteht ein Potentialunterschied was mit Berührung von Feuchte lösen sich die negativere Teilchen auf (aus). Filiformkorrosion = (filiform korrózió)fadenförmige Angriffsform, die bei hohen Luftfeuchten, unter organischer Beschichtung auftreten. grosflächige Korrosionselemente = (felületi korrózió)gleichmäßiger Verringerung der Wanddicke eines Werkstoffes, V lin. Korr. flächenbezogene Massenverlust oder Abtragungsgeschwindigkeit. Streustromkorrosion = (örvényáram okozta korrózió) Durch aus, irgendwelcher Grund, entstehender Gleichstrom verstärkt den anodischen Prozess Spannungsrisskorrosion = (feszültségi repedés) Zusammenwirken von mechanische Beanspruchung mit Korrosion. Wasserstoffversprödung = (hidrogén korrózió, hidrogén ridegedés) Wasserstoffion, als kleinste Ion löst sich im Metall auf, verändert seine Kristallstruktur, so wird porös und brüchig. Swingungsrisskorrosion = ( )Zusammenwirken von mechanischer Beanspruchung mit Korrosion. Reibkorrosion = ( ) 7

6 Erosionskorrosion = (eróziós korrózió) Zusammenwirken von Erosion mit Korrosion. Wasserstoffelektrode = (hidrogénelektróda) Die Wasserstoffelektrode ist eine reversible Gaselektrode erster Art an der sich zwischen dem gasförmigen Wasserstoff und den Wasserstoffionen in der Lösung an einer platinierten Platinelektrode ein Gleichgewicht einstellt. (5) Kalomelelektrode = (kalomelelektróda) Die am häufigsten gebrauchte reversible Elektrode zweiter Art ist die Kalomelelektrode. Sie besitzt ein konstantes, gut reproduzierbares Potential und wird deswegen als Bezugselektrode benutzt. Am Boden der Elektrode kommt reines Quecksilber, darauf kommt eine Paste (aus Quecksilber und Kalomel = KCl) oberhalb liegt KCl - Lösung. Im Quecksilber taucht ein Platindraht. (5) Bestimmung der Korrosionsgeschwindigkeit Elektrolyt Temperatur des Elektrolyts Metall 1. Metall 2. Geprüfte Metalle: Gemessene Elektrodenpotential (gegen Kalomelelektrode) Welches Metall korrodierte sich? Dichte des korrodierten Metalls: [g/cm 3 ] Dichte des korrodierten Metalls: [g/m 3 ] Aufgelöste Metallmenge bei 1 mol Elektronsrom: [mg] Gemessener Strom: [ma] Gemessene Oberfläche: [cm 2 ] Korrosionsgeschwindigkeit: [g/obfl.*jahr] Korrosionsgeschwindigkeit: [g/m 2 *Jahr] Korrosionsgeschwindigkeit: [mm/jahr] 8