Metallische Baustoffe

Transkript

1 Metallische Baustoffe 1. Grundlagen / Eigenschaften. Eisen / Stahl 3. Schwermetalle / Korrosion 4. Korrosion 5. Elektrochemische Korrosion 6. Elektrochemie

2 Metallische Baustoffe - Übersicht 1. Eisen Chemische Eigenschaften 3. Leichtmetalle Fe-C - Zusammensetzungen Aluminium Baustähle Magnesium. Weitere Schwermetalle Kupfer Zink Blei Chrom 4. Grundlagen der Elektrochemie Elektrolytische Dissoziation Elektrolyse Elektrische Leitfähigkeit Elektrochemische Potentiale Spannungsreihe

3 Eigenschaften: fest (Hg Ausnahme) Metalle Glanz elektrische Leitung gute Wärmeleitung Leichtmetalle < 5 g/cm 3 Schwermetalle > 5 g/cm 3 hohe Festigkeit

4 Metalle Baustoff Druckfestigkeit Zugfestigkeit MPa MPa Baustähle Aluminium Beton Baugips ,8...,5 Kunststoffe glasfaserverstärkte Kunststoffe Holz

5 Eisen (Fe); Stahl; Zink (Zn); Kupfer (Cu); Blei (Pb); Chrom (Cr); Aluminium (Al); Magnesium (Mg) Eisen Baumetalle Wertigkeit Fe + Fe 3+ + e - Alkalibeständigkeit Ferrithydrat Eisenverbindungen Pigmente Ocker-gelb FeO(OH) Umbra-braun (Fe, Mn, Ton) Englischrot Fe O 3 FeCO 3 + H CO 3 Fe(HCO 3 ) (Siderit) 4Fe(HCO 3 ) + O +H O 4Fe(OH) 3 + 8CO brauner Schlamm, Kesselstein, Verstopfungen

6 Fe O 3 +3 C Fe + 3 CO Roheisengewinnung Fe O 3 +3 CO Fe + 3 CO C + CO CO Eisenerze: Roteisenerz, Magneteisenerz, Brauneisenerz, Magnetkies, Pyrit

7 Festigkeit und verformbar C-Gehalt (0, ,65 %) Werkzeugstähle C-Gehalte < 1,7 %) härtbar, spröde Roh- und Gußeisen C-Gehalte > % Baustähle

8 Korrosionsbeständigkeit Cr, Ni Verschleißfestigkeit W, V FE - Legierungen z. B. ferritischer Chromstahl x 8 Cr 17 austenitischer CrNi-Stahl x 5 CrNi 18, 10 wetterfeste Stähle < 0,15% C; 0,1... 0,4% Si; < 0,05% P; < 0,03% S; 0,5... 0,8% Cr; 0,3... 0,5% Cu; 0,4% Ni

9 C - wichtigstes Legierungselement Zementit Fe 3 C einzige Verbindung Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Abkühlung 1536 C δ Fe (kubisch raumzentriert) 1401 C γ Fe (kubisch flächenzentriert) 911 C α Fe (kubisch raumzentriert) nur γ -Fe kann C aufnehmen ACD Liquiduslinie; AECF Soliduslinie

10 Kupfer - Luft Cu O rotbraun - hohe Temp. CuO schwarz Schwermetalle - Patina Cu (OH) CO 3 - Legierungen Messing Cu/Zn Zink Zn + 1/ O Bronze Cu/Sn ZnO an Luft Zn + CO + H O + O Zn (OH) CO 3 ZnO + H O Zn(OH) (löslich) (Schutzschicht, schwer löslich)

11 a) Stahlkorrosion = elektrochemischer Vorgang Fe ±0 Fe e - (Oxidation) ±0 - b) H O + O + 4 e 4 OH - (Reduktion) c) wenn kein Sauerstoff im Wasser gelöst ist 4 H O + 4 e - 4 OH - + H (Reduktion) Bedingungen: ph < 10; Cl - im Beton

12 Korrosion von Eisen (Rosten) 4 Fe + H O 4 FeO(OH) (r.f. > 65 %) Fe + H SO 4 + O FeSO 4 + H O 4 FeSO 4 + O + 6 H O 4 FeO(OH) + 4H SO 4 Kreislauf

13 Wasser H O H + + OH - Rost Fe Fe e - Eisen Elektrochemische Korrosion Fe OH - Eisen O + H O + 4e - Wasser 4 OH - Rost FeO(OH) + H O Fe OH - Eisen Wasser H H + + e - FeO(OH) + H O Rost A) Rost bewirkt den Abfluß von Elektronen aus dem Eisen; das Eisen wirkt positiv und zieht OH - -Ionen aus dem Wasser an B) Wasserstoffkorrosion, Rost gibt Elektronen an Wasser ab, wo sie mit H + -Ionen unter Bildung von gasförmigem H reagieren; aus den Fe 3+ - und OH - - Ionen bildet sich weiterer Rost C) Sauerstoffkorrosion; Rost gibt Elektronen an das Wasser ab, wo sie mit Wassermolekülen und O (Luft) unter Bildung weiterer OH - -Ionen reagieren; aus Fe 3+ bildet sich weiterer Rost

14 Elektrochemie Die Elektrochemie umfasst die Theorie und Praxis der chemischen Vorgänge, die unter Zufuhr strömender Elektrizität ablaufen oder durch die elektrischer Strom erzeugt wird. Leiter. Klasse oder Ionenleiter es finden chemische Veränderungen statt z. B. Zersetzungen, Abscheidungen, Gasentwicklung Vorgang Elektrolyse Ladungstransport der Ladungstransport erfolgt durch die Ionen - Katode (Minuspol), die Kationen (Na +, Ca +, Al 3+ ) wandern zur Katode und werden durch Elektronenaufnahme entladen - Anode (Pluspol), die Anionen (SO 4 -, Cl -, OH - ) wandern zu Anode und werden durch Elektronenabgabe entladen

15 Schmelze: Anode Cl - (fl) Cl + e - Katode Na + (fl) + e - Na (fl) Na + + Cl - Na + Cl Elektrolyse von Salzen Lösung: edleres Ion wird immer zuerst entladen! Ionen Na + ; Cl - ; H + ; OH - Katode H + + e - H erst wenn kein H + mehr vorhande, wird Na + entladen Anode Cl - Cl + e - wenn kein Cl - mehr vorhanden, dann 4 OH - H O + O + 4e -

16 Elektrolyse Kupfersulfatlösung Ionen: Cu +, SO 4 -, H +, OH - Katode: Cu + + e - Cu ±0 Anode: OH - OH + e - 4 OH - H O + O nach vollständiger Cu-Abscheidung H + + e - H

17 Bei verschiedenen Halbelementen -> Differenz der Einzelpotentiale = Potential des Elements U = U 1 - U U 1 > U Normalpotential U 0 1N-Lösungen in Halbelementen gemessen gegenüber einer Wasserstoffelektrode Elektrochemische Spannungsreihe Element U 0 [V] bei 5 C Kationenbildner K / K + -,9 Ca / Ca + -,76 Na / Na + -,71 Mg / Mg + -,38 Al / Al ,71 Zn / Zn + - 0,76 Fe / Fe + - 0,41 Fe / Fe ,05 H / H + 0 Cu / Cu + + 0,34 Ag / Ag + + 0,80 Au / Au ,4 Anionenbildner F - / F +,87 Cl - / Cl + 1,38 OH - / ½O + H O + 0,40 S - / S - 0,51

18 1. Faraday sches Gesetz Faraday sche Gesetze ( ) Die abgeschiedene Stoffmenge m ist proportional der Strommenge I t, die durch den Leiter geflossen ist. m = I t. Faraday sches Gesetz Durch gleiche Strommengen werden stets äquivalente Stoffmengen aus verschiedenen Elektrolyten abgeschieden. z.b. - zur Abscheidung einwertiger Ionen sind 96484,55 C/mol erforderlich - bei zweiwertigen Ionen Verdopplung - bei dreiwertigen Ionen Verdreifachung

19 Eine Kupfersulfatlösung wird 50 min lang durch einen Strom von 1,5 A elektrolytisch zersetzt. Aufgabe: Wie viel Gramm Cu werden abgeschieden? Beispiel Lösung: m Cu = I t M cu F Z m Cu = 1,5A 3000s 63,546 g/mol 96485A s/mol m Cu = 1,48 g I = Stromstärke t = Dauer des Stromflusses in Sekunden M cu = Atommasse Cu 63,546 g/mol F = Faraday-Konstante A. s/mol Z = Ladung der Ionen bei Cu + ist Z =

20 Elektrische Leitfähigkeit I Zur quantitativen Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit eines Leiters. Klasse wird die spezifische Leitfähigkeit λ verwendet. γ ist Kehrwert des spezifischen Widerstandes ϕ λ = 1/ ϕ [s/m oder 1/Ω cm] Die spezifische Leitfähigkeit ist gleich dem reziproken Widerstand eines 1cm 3 Lösung, gemessen zwischen Elektroden von je 1cm Fläche und einem Abstand von 1cm.

21 Korrosion von Eisen (Fe) beim Angriff HCl H + + Cl Fe Fe + + e von Salzsäure + H + e H Fe + Korrosion + Cl FeCl Korrosion von Aluminium (Al) beim Angriff von Natronlauge H 0 H + + Al 3+ + e Al 3 OH + 3H + 3e 3 H Al OH 3NaOH Na 3 + [ Al( OH ) 6 ] Elektrochemische Korrosion bei einem Eisen/Zink - Element (Fe/Zn) H 0 H + + OH + H + e H Zn + + OH Zn( OH ) Zn Zn + + e Fe Zn Fe Zn Fe Zn

22 Elektrochemische Korrosion bei einem Eisen/Zinn - Element H 0 H + + OH Fe Fe + + e Fe Sn + H + e H Fe Sn Fe + Korrosion + OH Fe( OH ) Rost Fe Sn Elektrochemische Korrosion bei einem Eisen/Rost - Element (Wasserstoffkorrosion) H 0 H + + Fe Fe + + e + OH H + e H + Fe + OH Fe( OH ) Rost Rost Rost Elektrochemische Korrosion bei einem Eisen/Rost - Element (Sauerstoffkorrosion) O H O Fe Fe + + e Rost H O + O 4OH + 4e Rost 4OH + Fe Fe( OH ) + Rost