Elektrochemie Chemie der Metalle

Transkript

1 Elektrochemie Chemie der Metalle Thomas A. BIER Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik, Leipziger Straße 28, Freiberg, Bauchemische Grundlagen

2 Elektrochemie

3 Redoxreaktionen

4 Oxidation

5 Reduktion

6 Beispiel Redoxreaktionen

7 Redox Reaktionen Zahlreiche 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. Bauchemische Grundlagen

8 Beispiel: Redoxreaktion

9 Oxidationszahl

10 Oxidationsmittel

11 Halbreaktion

12 Halbzelle

13 Standardpotential

14 Spannungsreihe

15 Spannungsreihe

16 Praktische Spannungsreihe

17 Galvanische Zelle

18 Zellpotential

19 Daniell Element

20 Korrosion

21 Korrosion

22 Korrosion

23 Korrosion als kurzgeschlossenes galvanisches Element 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. Bauchemische Grundlagen

24 Gleichmäßige Korrosion

25 Fe: Verhüttung und Korrosion

26 Eisen Kohlenstoff Diagramm

27 Korrosion von Eisen, Mechanismus der Rostbildung (neutrale Lösung) Bauchemische Grundlagen

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

29 Fe: Wasserstoff und Sauerstoffkorrosion Bauchemische Grundlagen

30 Fe: Sauerstoffkorrosion

31 Fe: Wasserstoffkorrosion

32 Beispiele unterschiedlicher Korrosion Bauchemische Grundlagen

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

34 Beispiele unterschiedlicher Korrosion Lokalelement Zn/Fe: Katodischer Schutz von Eisen durch leitenden Kontakt mit Zink (Wasserstoffkorrosion). Bauchemische Grundlagen

35 Beispiele unterschiedlicher Korrosion Bauchemische Grundlagen

36 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. Bauchemische Grundlagen

37 Pourbaix Diagramme

38 Pourbaix Diagramme

39 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. Bauchemische Grundlagen

40 Pourbaix Diagramme

41 Pourbaix Diagramme

42 Pourbaix Diagramme

43 Pourbaix Diagramme

44 Korrosionsschutz

45 Kathodischer Korrosionsschutz a) durch den Einsatz einer Opferanode Bauchemische Grundlagen b) durch Fremdstrom

46 Korrosionsschutz durch Verzinken

47 Korrosion als kurzgeschlossenes galvanisches Element 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. Bauchemische Grundlagen

48 Daniell Element