A. Allgemeine Chemie 6 Elektrochemie Chem. Reaktionen durch/mit Strom (zb: Elektrolyse, Beschichtung, Akku-Ladung) Chem. Reaktionen die Strom liefern (zb: Batterien, Akku-Entladung, Korrosion) Oxidation - Reduktion A.6.1. Definition Oxidation chemische Vereinigung von Elementen oder Verbindungen mit Sauerstoff (Bildung von Oxiden): Verbrennung von Kohlenstoff: C + O 2 = CO 2 Schwefelung von Fässern: S + O 2 = SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 Rosten des Eisens, alte Definition: Oxidation ist die Aufnahme von Sauerstoff Bildung eines Oxids aus Element ist exotherm! Oxidation ist eigentlich ein elektrochemischer Prozess: Oxidation ist die Abgabe von Elektronen an ein Oxidationsmittel (meist Sauerstoff), welches dabei selbst reduziert wird (nimmt die e - auf). Elektronenabgabe (Elektronendonator) 1 2 A.6.1. Definition Reduktion chemische Abspaltung von Sauerstoff aus Verbindungen: Reduktion im Hochofen: FeO + CO = Fe + CO 2 Aluminiumgewinnung: Al 2 O 3 + 6 e - (Gleichstrom) = 2 Al + 3 O alte Definition: Reduktion ist die Abgabe von Sauerstoff Bildung eines Elements aus Oxid ist endotherm! Reduktion ist eigentlich ein elektrochemischer Prozess: Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen von einem Reduktionsmittel (meist H, C, Strom), welches dabei selbst oxidiert wird (gibt die e - ab). Elektronenaufnahme (Elektronenakzeptor) RedOx-Reaktionen Weder Oxidation noch Reduktion können für sich alleine auftreten, t sondern sind vielmehr miteinander zeitlich gekoppelt: freie Elektronen sind im chemischen System nicht beständig! Räumliche Trennung in Batterien möglich! Redox-Reaktionen: Übertragung von Elektronen! 3 4 1
A.6.2 hierachische Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen A.6.2 hierachische Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen 1. Elemente / Elementverbindungen haben die Oxidationszahl = 0 Beispiele: Na Fe Cl 2 N 2 H 2 S (0) (0) (0) (0) (0) (0) 2. In Verbindungen ist die Summe aller Oxidationszahl = 0 Beispiele: H 2 O HCl CO 2 NaBr Fe 2 O 3 (+I).2(-II)(+I)(-I) (+IV)(-II).2 (+I)(-I) (+III).2(-II).3 3. Für einatomige Ionen ist die Oxidationszahl gleich ihrer Ladung! Beispiele: Fe 3+ Na + S 2+ O 2- Cl - (+III) (+I) (+II) (-II) (-I) 4. Für mehratomige (zusammengesetzte) Ionen ist die Summe aller Oxidationszahlen gleich ihrer Ladung Beispiele: H 3 O + SO 4 2- NO 2 - (+I).3(-II)=+1 (+VI)(-II).4=-2 (+III)(-II).2=-1 5 5. Metalle haben immer eine positive Oxidationszahl! Alkalimetalle (s 1 -Metalle können nur 1 e - abgeben) IMMER +I Beispiele: K Mn O 4 NaCl K N O 3 (+I)(+VII)(-II).4 (+I)(-I) (+I)(V)(-II).3 6. Wasserstoff (s 1 -Element) hat in seinen Verbindungen MEIST die Oxidationszahl +I Ausnahme sind die Hydride (Metall-H-Verbindungen): -I Beispiele: H 2 O HCl NaH (+I).2 (-II) (+I)(-I) (+I)(-I) Regeln 2, 5 >> 6! 6 A.6.2 hierachische Regeln zur Ermittlung der Oxidationszahlen A.6.3. Spannungsreihe 7. Sauerstoff (p 4 -Element) hat in seinen Verbindungen MEIST die Oxidationszahl II Ausnahme sind die Peroxide: -I Beispiele: H 2 O H 2 S O 4 H 2 O 2 (+I).2(-II) (+I).2(+VI)(-II).4 (+I).2(-I).2 Regel 2 >>7! 8. Halogene (p 5 -Elemente können nur 1 e- aufnehmen!) haben in ihren Verbindungen meist die Oxidationszahl I Ausnahme sind die Halogen-O-Verbindungen Beispiele: K Mn O 4 NaCl K N O 3 (+I)(+VII)(-II).4 (+I)(-I) (+I)(V)(-II). 7 Beispiel: Die Reaktion: Zn + Cu 2+ Zn 2+ +Cu besteht aus 2 Teilreaktionen: Oxidation: Zn Zn 2+ + 2e - Reduktion:Cu 2+ + 2e - Cu Diese Teilreaktionen können räumlich aber nicht zeitlich getrennt durchgeführt werden: Bei einer räumlichen Trennung werden die e - durch einen elektrischen Leiter (Draht) transportiert (sie können dort sogar noch Arbeit leisten). Daniell-Element (Batterie) 8 2
A.6.3. Spannungsreihe Normal-Wasserstoff-Elektrode System als Gesamtreaktion NICHT im Gleichgewicht: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu An Metall/Lösung-Grenzfläche ein Gleichgewicht (kein Stromfluss): Zn Zn 2+ + 2e - Cu Cu 2+ + 2e - Festkörper im Kontakt mit Lösung, Ladungstransfer an Grenzfläche Elektrode e - erzeugen in der Elektrode ein elektrisches Potential Messbare Spannung ist Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden: Elektronen fließen IMMER vom unedlen zum edlen Metall! 9 E 0 =0 bei Normbedingungen c H + = 1 mol/l, p(h 2 )=10 5 Pa, T = 25 C 10 Normalpotential E 0 Definition der ISO DIN 50900-2 : Normpotential ist Elektrodenpotentials unter Normbedingungen: Konzentration der Metallsalzlösung (1 mol/l) Reinheit der Metallelektrode für gasförmige Komponenten: Gasdruck 1,01325 bar Potential der Metallelektrode gegen die Normalwasserstoffelektrode Ermittlung von Normpotentialen (im Periodensystem): Definition: Potential der Normalwasserstoffelektrode E 0 (H)=0,00V Kombiniation von Normalwasserstoff-Elektrode und Metall-Elektrode in Lösung eines Metallsalzes mit 1 mol/l für jedes Element Normalpotential (rel. Spannung) in Volt Reales Potential: abhängig von Temperatur! abhängig von ph-wert! Abhängig von Konzentration der Metallsalzlösung! Redoxpotential über Nernstsche Gleichung ermittelbar: Abweichung vom Normalpotential E 0 11 A.6.3. Nernst sche Gleichung 12 3
Spannungsreihe erstmal durch Volta (1794) chemischen Elemente nach elektrischem Normpotential geordnet Unedle Metalle: wirken als starke Reduktionsmittel: scheiden edlere Metalle aus ihren Lösungen aus Beispiel: i Nagel aus Eisen wird in Kupfersulfat-Lösung verkupfert! werden rasch oxidiert zu positiven Metallionen: gehen leicht in Lösung Je negativer, desto rascher und heftiger reagieren sie mit Wasser! lösen sich in Wasser auf Lösen sich in allen Säuren mit H-Bildung auf Normpotential: < 0,00 V (negativ) höchstes negativstes Normalpotential am unedelsten Li ( 3,05V) Al (-1,66V) Zn (-0,76V) Fe (-0,41V) Sn (-0,13V) Pb H Edle Metalle: in elementarer Form stabil reagieren nicht mit Wasser/ verdünnten Säuren (oxid. Säuren!) Normpotential: > 0,00 V (positiv) Ag (+0,80V) Hg (+0,85V) Pt (+1,20V) Ir Au (+1,50V) 13 A. Allgemeine Chemie 1 Aufbau der Materie 2 Trennverfahren für Stoffgemenge 3 Grundgesetze der Chemie 4 Atomaufbau 5 Periodensystem 6 Elektrochemie 6.1 Oxidation / Reduktion 6.2 Oxidationszahlen Ermittlung 6.3 Spannungsreihe der Metalle 64K 6.4 Korrosion und d 6.4.1 Arten der Korrosion 14 A.6.4.1 Korrosion / corrosion A.6.4.1 Korrosion / corrosion Reaktion eines (metallischen) Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine meßbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils führt DIN 50 900-1 1, 04/1982, -2, 01/1984, -3, 09/1985 von der Oberfläche ausgehende, durch unbeabsichtigten (elektro)chemischen Angriff hervorgerufene, nachteilige und qualitätsmindernde Veränderung eines Werkstoffs Korrosion im engeren Sinn ist nicht rein mechanische Zerstörung durch Erosion, Kavitation und Verschleiß Korrodieren = Korrosion verursachen korrodiert werden = Korrosion erleiden korrosiv = Eigenschaft von festen, flüssigen, gasförmigen Stoffen, in ihrer Umgebung Korrosion zu verursachen ursprünglich nur Metalle - heute alle Werkstoffe, Bau- u. Kunststoffe 15 (Elektro)chemische, physikalische und biologische Angriffe: Wärme, Temperaturwechsel, Frost, Regen, Erdstaub, Wind, Lösungsmittel, Luftsauerstoff, UV-Oxidation, Rauchgase, Mikroorganismen, Pilze, Algen, Flechten u. Moose, Insekten,. Schimmelpilze zerstören Anstriche (Kunststoffschichten) Chemische Korrosion: Auslaugen Auskristallisieren Basenaustausch bei Kunststoffen: Quellung, Erweichung, Versprödung, Verfärbung, Spannungsrißbildung, Anlaufen: DIN 55 945 (12/1988): unerwünschte Veränderung des Aussehens der Oberfläche einer Beschichtung infolge äußerer Einflüsse engl. blooming DIN 50 900, Tl. 1 (04/1982): Reaktion von Metallen mit Gasen unter Bildung dünner (farbiger) Schichten engl. tarnishing z.b. Silber, Kupfer, Messing, Stahl 16 4
A.6.4.1 Korrosion / corrosion A.6.4.1 Korrosion / corrosion Metallkorrosion: Metalle suchen energetisch begünstigte Ionenzustände Metalle relativ beständig, da die Korrosion gehemmt ist (Aktivierung!) Korrosions-Schutz Sht teilweise til i erforderlich! lih! Angriffsmedium: Gas-Korrosion: Landluft, Stadtluft, Seeluft, Industrie-Luft Erdboden-Korrosion: Rohrleitungen, Behälter, im Erdboden Korrosion in wässrigen Elektrolyten: Säure-, Laugen-, Salz-, Seewasser-, Flusswasser-Korrosion Art des Angriffes: Korrosion durch vollständiges/ teilweises, i wiederholtes Eintauchen Schwitzwasser-Korrosion: Taupunktsunterschreitungen auf Metalloberflächen Tropf-Korrosion Korrosion in strömenden Flüssigkeiten 17 Auswirkungen der Korrosion / DIN 50 900-1: gleichmäßige Flächen-Korrosion: gleichförmiger Abtrag! Mulden-Korrosion: mit örtlich ungleichmäßigem Abtrag! Loch-Korrosion: nur an kleinen Stellen Lochfraß (kraterförmig) Spalt-Korrosion oder Riss-Korrosion: örtlich verstärkte Korrosion (Konzentration) Kontakt-Korrosion: Berührung unterschiedlicher Metalle Korrosion durch unterschiedliche Belüftung: als örtliche Korrosion 18 Korrosion von Eisen A.6.4.1 Korrosion / corrosion Auswirkungen der Korrosion / DIN 50 900-1: selektive Korrosion: bestimmte Gefügebestandteile bevorzugt gelöst interkristalline Korrosion: korngrenzennahe Bereiche Transkristalline Korrosion: parallel zur Verformungsrichtung / Inneres Spongiose: Gusseisens unter Auflösung des Ferrits u. Perlits Entzinkung: bei Messing Entnickelung: bei Edelstählen Chromverarmung: bei Edelstählen Entaluminierung Hochtemperatur-Korrosion in Abgasen Verzunderung: Korrosion beim Erhitzen/Bearbeiten vom Werkstück Anode: Fe Fe 2+ + 2e - Kathode: H 2 O + ½ O 2 + 2 e - 2 OH - 19 20 5
A.6.4.1 Korrosion / corrosion Korrosion als ortsgebundener Vorgang (heterogene Reaktion) an der Grenzfläche zwischen festem Werkstoff und aggressivem Medium (chemische Reaktion) Metalle elektrochemische Reaktion / Spannungsreihe: Anodische Auflösung des unedleren Metalls (Me Me + + e - ) Kathodische Elektronenaufnahme durch das korrosive Mittel (H + +e - H) Elektronen-Transport im Metall durch e -, im Medium durch Ionen Korrosions-Elemente sind elektrochemische Elemente mit örtlich verschiedenen Teilstromdichten für den Metallabtrag werkstoffseitig: unterschiedliche Metallen oder Inhomogenitäten mediumsseitig: örtliche Unterschiede in der Konzentration durch unterschiedliche Bedingungen: Temperatur, Strahlung, Korrosions-Prüfung: Klimakammern, Bewitterungs-,Sprühräume, Werkstoffprüfung: Ultraschall, Radiographie, Elektronenmikroskopie Oberflächenchemie wie RFA, 21 A.6.4.1 Rost / rust Korrosion von Eisen oder Stahl an Luft, in Wasser oder in Lösung Eisenoxide und hydroxide: Luftsauerstoff als Oxidationsmittel Wasser in flüssiger Form (Adsorptionsfilm) Luftfeuchtigkeit > 70% chemisch: Fe + ½ O 2 + H2O Fe (OH) 2 weißgrünlich Fe (OH) 2 Fe (OH) 3 gelbbraun Fe 3 O 4 x H 2 O grauschwarz frischer Rost: sehr voluminös, hellgelb, wasserreich, leicht löslich alter Rost: geringeres Vol., grauschwarz, wasserarm, stabiles Fe 3 O 4 3 4 Monaten alt - von verd. Säuren kaum gelöst! Rost-Schichten: porös, mechanisch schlecht haftend; kein Schutz!!! Entrosten: mit Salzsäure / Beizen Rostumwandler: Phosphatieren 22 A.6.4.1 Flugrost / initial rust beginnende Rost-Bildung Eigenrost auf der Oberfläche von Eisen und Stahl durch Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre leicht entfernbarer Rost DIN 50 900-1 (04/1982) A.6.4.1 Fremdrost/extraneous rust Rost-Ablagerungen auf fremden Metalloberflächen nicht als Folge eines örtlichen Rostvorgangs g auf dem betroffenen Werkstück von anderer, strömungstechnisch vorgelagerter Stelle eingetragen (Windrichtung) Oft: in Rohrleitungen aus nichtrostenden Stählen Fremdrost aus Anlagenteilen aus un- oder niedriglegiertem Stahl Fremdrost kann zu örtlicher Korrosion führen 23 24 6
A.6.4.1 Spongiose / graphite corrosion DIN 50900-1: 1982-04 selektiver Angriff auf Gußeisen bei mangelhafter Schutzschicht-Bildung unter Auflösung des Ferrits (α-eisen) und Perlits. ursprüngliche Gestalt des Werkstücks erhalten Ausbildung galvanischer Mikroelemente zwischen dem edleren Graphit und der unedleren ferritischen-perlitischen Metall- Matrix in sauerstoff-armen Angriffsmitteln Gußeisen-Werkstücke in Kalt- / Warmwasserkreisläufen 25 A.6.4.1 Spannungsrißbildung/ stress-crack formation Metalle / Kunststoffe: gleichzeitiges Einwirken von Chemikalien und mechanischen Kräften: Zugspannungen führen zur Spannungsriß-Korrosion: z.b. Kabeln mechanische Wechselbeanspruchungen zur Schwingungsriß-Korrosion Erosionskorrosion (Einwirkung bewegter Medien) Kavitation Reib-Korrosion (Abrieb bzw. Passungs-Rost): durch Reibkorrosion (ohne Wärme) entstandener Rost Bildung von verästelten (Pseudo-)Rissen auf der Material-Oberfläche chemisch aggressive Medien: oberflächenaktive Stoffe (Waschmittel) Lösemittel (organische Chemikalien) Säuren, Laugen (anorganische Chemikalien) Oxidationsmittel Anfälligkeit sinkt: mit steigender Molmasse der Kunststoffe, bei steigender Vernetzung (Kunstharze), bei Zugabe von Weichmachern (erhöhen Kettenbeweglichkeit) 26 A.6.4.1 Spaltkorrosion/ crevice corrosion örtlich verstärkte Korrosion in Spalten DIN 50900-1 1982-04 Lochfraß Lochkorrosion: lokal begrenzte, kraterförmige Korrosion! meist durch Konzentrationsunterschiede in Spalten / Löchern A.6.4.1 Kavitation / cavitation Hohlraumbildung durch Entgasung oder Dampfbildung in strömenden Flüssigkeiten infolge Absinken des Druckes (Zerreißbeanspruchung der Flüssigkeiten) Kavitation/Erosion ist die Zerstörung von Werkstoffoberflächen durch Hohlraumbildung an der Werkstoffoberfläche: Flüssigkeiten mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten Turbulenzen bei auch hohen Drücken durch Hohlräume Druckstöße bis 10 5 bar lokalen Aushöhlung der Oberfläche Verschleiß auf Turbinenschaufeln oder Schiffsschrauben Sog (Unterdruck) begünstigt die Hohlraumbildung in der Flüssigkeit Wasserleitungen bei laufendem Wasser: knatterndes Geräusch! 27 28 7
1. Beschichtung mit Nichtmetallschichten: Ölschichten (Verhindern Sauerstoffzutritt), z.b. bei Blankstahl: Einölen, Einfetten, Einwachsen Anlassen anorganische Beschichtungen: Emailieren (Glasart) Keramik-Beschichtungen organische Beschichtungen: Gummiauskleidungen, z.b. Rauchgaswäschen Kunststoffbeschichtungen, z.b. Teflonbeschichtungen in Tanks/Rohrleitungen Lacke, Anstrichsysteme: durch Rollen, Streichen, Spritzen, Tauchen aufgebrachte, physikalisch trocknende / chemisch härtende undurchlässige, festhaftende, chemisch widerstandsfähige Schutzfilme Coil Coating: ein-/doppelseitige Beschichtung von Stahl-Band (0,35 1,6 mm) mit Kunststoffbahnen von max. 300 mm Dicke im Durchlaufverfahren Beschichteten Stahl-Bänder können stark verformt werden hochwertige Blechteile dauerhaft (opt. ansprechend) vor Korrosion geschützt Rostschutz = Sammelbegriff für alle Verfahren des es Werkstoffseitig: Schutz von Werkstoffen gegen aggresive Medien Maßnahmen am Werkstück Mediumsseitig: Verringerung der Aggressivität des Mediums Maßnahmen am Medium (Kaltwasser-, Warmwasserkreislauf) Konstruktiver : Maßnahmen bei der Konstruktion temporärer : für Transports, Lagerung, Verarbeitung,. Korrosionsschäden: ca. 4% des Bruttosozialprodukts ca. 4% des Umsatzes einzelner Industrien 29 30 2. Beschichtung mit edleren Metallen: Schichtmetall edler als Werkstück: Stahlbauteilen Cr Vergolden Versilbern Verkupfern Verzinnen (Weißblech) Verbleien 3. Beschichtung mit unedleren Metallen: Schichtmetall unedler als Werkstück: Opferschicht in aggressiver Umgebung Stahlbauteilen z. B. Zn, Mg 4. Passiver (anodischer) : Passivschicht: durch Oxidation bzw. natürliche Korrosion entstandene, das darunter befindliche Material jedoch gegen weitere Angriffe schützende Schicht. geringfügiger elektrolytischer Metallabtrag im passiven Zustand der Werkstoffoberfläche bei Wirkung einer besonderen Reaktionshemmung durch schützende Passivschichten (DIN 50900-2: 1984-01) bei gewissen Metallen: Al, Sn, Fe, Cr, Pb, Co, Ni (wie Edelmetalle) Wirkung: monomolekulare, l dichte Oxid-Schicht ht verhindert weiteren Angriff des Sauerstoffs Chemisorption des Sauerstoffs bewirkt Veränderung des Normpotentials (oberflächenchemische Erklärung) E 0 Cr(pass.)=+1,3V E 0 Cr = -0,5V 31 32 8
4. Passiver (anodischer) - Verfahren: Anodische Oxidation: Verwendung des Werkstückes als Pluspol Eloxal-Verfahren (Al), Magnesium Behandlung mit oxidierend wirkenden Stoffen: Eisen in reine, rauchende Salpetersäure Chrom oder Aluminium in Salpetersäure Chrom und Aluminium durch Luft passiviert lückenlos zusammenhängenden, mind. monomolekularen Schicht aus Oxiden auf dem Metall Nickel, Chrom und nichtrostende Stählen 33 4. Passiver (anodischer) - Verfahren: Passivatoren: Chromatieren: heute weniger üblich, CrO 3 ist starkes Umweltgift! Phosphatieren: DIN 50 942 1987-05 Behandeln von Metallen mit sauren, phosphat-haltigen Lösungen Phosphat-Schicht an der Oberfläche Beizen mit Phosphorsäure Reaktions- od. Shop-Primern, Rostumwandlern Einbrenn-Phosphatieren Heiß-Phosphatieren (>80 C) Warm-Phosphatieren (50 80 C) Kalt-Phosphatieren (20 50 C) Tauch-Phosphatieren Bonder / Parker / Granodine / Atrament / Granodraw / Kephos Phosphatierungsmittel: Zink-, Mangan- od. Schwermetallphosphaten Phosphorsäure Beschleunigungsmittel (Nitrate, Nitrite, Chlorate, Wasserstoffperoxid) Spezialzusätzen (Schichtverfeinerungskomponenten) 34 5. Aktiver (kathodischer) : DIN 50 900-2 (01/1984) zu schützende Werkstoff wird zur Kathode gemacht durch galvanische Anoden, Fremdstromanlagen im Erdreich befindliche Lagertanks, Rohrleitungen Eisen-Fundamenten Kabeln Innenschutz von Behältern und Rohrleitungen in Chemieanlagen von Wasser umgebene Bauteile: Schiffswänden, Bojen, Turbinen, Pumpen, Eisen unter Meer- und Süßwassereinfluß, 35 5. Aktiver (kathodischer) : Aktivanode: Zn-Mg-Legierung (91% Mg, 6% Al, 3% Zn) Pluspol einer natürlichen elektrolytischen Zelle Anode verzehrt sich unter Abgabe des Schutzstroms, Ersatz Kathode: zu schützender Eisen- oder Stahlgegenstand Gleichgewicht der Reaktion: Fe Fe 2+ +2e - nach links verschoben Alternative: Fremd(gleichstrom) zugeführt: Minuspol der Gleichstromquelle schützt die Eisenbzw. Stahlkonstruktion Pluspol aus Graphit od. Gußeisen mit 15% Si 36 9
A. Allgemeine Chemie 1 Aufbau der Materie 2 Trennverfahren für Stoffgemenge 3 Grundgesetze der Chemie 4 Atomaufbau 5 Periodensystem 6 Elektrochemie 6.1 Oxidation / Reduktion 6.2 Oxidationszahlen Ermittlung 6.3 Spannungsreihe der Metalle 64K 6.4 Korrosion und d 6.4.1 Arten der Korrosion 6.4.2 Werkstoff-seitiger 6.4.3. Medium-seitiger 37 A.6.4.3 geschlossene Kalt-/Warmwasserkreisläufe ÖNORM EN 12170 (2002): Heizungsanlagen in Gebäuden - Betriebs-, Wartungs- und Bedienungsanleitungen it - Heizungsanlagen, die qualifiziertes Bedienungspersonal erfordern ÖNORM EN 12171 (2002): Heizungsanlagen, die kein qualifiziertes Bedienungspersonal erfordern ÖNORM H 5195 Teil 1 (2001): Verhütung von Schäden durch Korrosion und Steinbildung in geschlossenen Warmwasser-Heizungsanlagen mit Betriebstemperaturen bis 100 C ÖNORM H 5195 Teil 2 (2004): Frostschutz in Heizungsanlagen und sonstigen Anlagen mit Wärmeträgern (-40 C bis 100 C): erforderliche Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosion. 38 A.6.4.3 Mediumsseitiger 1. Sauerstoffgehalt: < 0,2 mg/l seltener Wasserwechsel dichter Kreislauf O 2 -Gehalt sinkt von 12% auf 0,2 mg/l durch Flächenkorrosion 2. Leitfähigkeit: < 200 ms/cm demineralisiertes (destilliertes) Wasser 3. Wasserhärte (Kalkgehalt): < 4 dh Kalk-Plättchen bewirken eine Abriebkorrosion möglichst geringer Ca-Gehalt! Im demineralisierten Wasser kein Kalk enthalten! A.6.4.3 Mediumsseitiger 4. Störende, oxidierende Anionen: Nitrat NO - 3 + 2 e - - NO 2 Sulfat SO 2- + 2 e - 2-4 SO 3 Chlorid Cl - oxidierende Säureanionen fördern Korrosion sollen daher nicht enthalten sein! sind im demineralisierten Wasser nicht enthalten! 5. ph-wert: 8,5-10,5 (Kaltwasser) 8,5-11,0 (Warmwasser) Säurekorrosion im alkalischen nicht möglich! laufende Zudosierung von Natronlauge zum demineralisierten Wasser: ph-kontrollen bzw. Messsonde und Dosierpumpe! Eintrag von störenden Anionen bzw. Ca-Ionen möglich! 39 40 10
A.6.4.3 Mediumsseitiger 6. inhibitoren: wirken auf das korrosive Mittel: Entfernung von aggressiven Bestandteilen (z.b. O 2, oxid. Ionen) Autoxidations- oder Polymerisationenhemmer: Antioxidantien Physikalische Inhibitoren: elektr. an Metalloberfläche adsorbiert Chemische Inhibitoren: Reaktion mit dem zu schützenden Metall oder Reaktion mit Korrosionsmedium Inhaltsstoffe: Sulfite Hydrazin Polyamine Vielzahl von möglichen Inhaltsstoffen (Reduktionsmittel): Abstimmung auf Werkstoff und Medium 41 ÖNORM H 5195 Teil 2 (2004) Frostschutz in Heizungen Frostschutz in Heizungsanlagen und sonstigen Anlagen mit Wärmeträgern Diese ÖNORM ist vorwiegend für neu zu errichtende Anlagen mit einem Betriebsbereich des frostgeschützten Wärmeträgers von -40 C bis 100 C anzuwenden. Eigenschaften von Frostschutzmitteln und deren Verwendung z.b. in Heizungs-, Klima-, Lüftungs-, Solaranlagen, Wärmepumpen Maßnahmen zur Erzielung eines ausreichenden Frostschutzes erforderlichen Maßnahmen zur Verhinderung von Korrosion Hinweise zur Entsorgung der Wasser-Frostschutzmittel-Gemische 42 A.6.4.4 Konstruktiver 1. Werkstoffauswahl (wird bei der KU-Zeichnung festgelegt): notwendige mechanische Eigenschaften? notwendige Verarbeitbarkeit? Kosten? Korrosionsverhalten? 2. Kontakt-Korrosion: DIN 50 900-1 (04/1982): Korrosion eines Metalls durch Kontakt mit weiterem Metall oder elektronenleitendem Festkörper Bei nichtleitenden Berührungskörpern: Spaltkorrosion, Korrosion durch unterschiedliche Belüftung A.6.4.4 Konstruktiver 3. Erosionskorrosion: Strömungsgeschwindigkeit: Laminare (schichtweise) Strömung: bis ca. 7 m/s in Wasser gut für Wärmelängstransport (nur Außenschicht abgekühlt) gut für schnellen Transport durch Rohr Turbulente Strömung: durch Einbauten, Ventile, Hähne, Schieber, Messfühler, Abzweigung, Rohrknie, Veränderungen im Querschnitt gut für Wärmequertransport: Wärmetauscher, Kühlmantel schlecht für Erosions-Korrosion (Kavation!) 43 44 11
A.6.4.4 Konstruktiver 4. Verarbeitungsqualität (temporärer ): Lagerung von Werkstoffen Verarbeitung von Werkstoffen (Schutzgas?) Endfertigung von Werkstücken (Kaltverzinken v. Schweißnähten?) Qualität der Grundierung, Endlackierung A. Allgemeine Chemie 1 Aufbau der Materie 2 Trennverfahren für Stoffgemenge 3 Grundgesetze der Chemie 4 Atomaufbau 5 Periodensystem 6 Elektrochemie 6.1 Oxidation / Reduktion 6.2 Oxidationszahlen Ermittlung 6.3 Spannungsreihe der Metalle 6.4 Korrosion os o und os o ssc 6.5 Batterien und Akkumulatoren 6.5.1 Kenngrößen von Batterien 6.5.2 Chemie von Batterien 45 46 6.5.1 Kenngrößen von Batterien 1. Kapazität [Ah]: Autobatterie: 30-35Ah Lüftung/Heizung 30-35A max. 1 h Radio 12 W (1A) max. 30-35h Licht: Abblendlicht 40W*2 = 80 W Rücklicht: 8W*2 = 16 W 96 W = 96 VA Autospannung: 12 V Stromaufnahme: 8 A maximale Dauer: 4,5 h AAA-Zelle: 1200 mah Handy-Akku: 1700 mah Definition: Kapazität = Elektrizitätsmenge, die von Batterie abgegeben wird! wird angegeben in Coluomb (C) oder in Amperestunden (Ah) 1 Ah = 3600 As = 3600 C W = As (Arbeit pro Zeit, Leistung) Ws (Einheit der elektrischen Arbeit): 1 kwh = 3,6*10 6 Ws 47 6.5.1 Kenngrößen von Batterien 2. Stromwirkungsgrad [%]: Welche Strommenge aus Batterie nach Ladung mit 100%A? (Stromentnahme/zugeführte Strommenge in %) NiCd-Akku~54% Pb-Akku ~75% Li-Akkus ~50% 3. Selbstentladung [%/Tag] Batterien/Akkus entladen sich auch beim ungebrauchten Lagern! Li-Akkus <0,1%/Tag NiCd-Akku ~0,1-0,3%/Tag Pb-Akku ~3-10%/Tag 4. Memory-Effekt Durch unlösliche Bestandteile in Batterie/Akku kann nicht gesamte Kapazität genutzt werden (nach Restladung)! Pb: stark NiCd / NiMH: vorhanden / geringer Li-Ionen: sehr gering (keine unlöslichen Li-Salze) 48 12
6.5.1 Kenngrößen von Batterien 5. Kurzfristige Strombelastbarkeit: Welche maximale Strommenge kann der Batterie entnommen werden? Strombelastung: 200-300A/Pb-Akku für Stratvorgang Kurzschlussspannung 6. Leistungsgewicht [Ah/kg]: Systeme mit großer Kapazität (Elektrofahrzeuge) großes Gewicht: Staplerbatterie: ca. 1.500 kg PKW-Batterie: ca. Batterien: ca. 50 bis 400 Wh/kg Akkumulatoren: ca. 7 bis 40 Wh/kg 7. Nennspannung [V]: mehrere hintereinandergeschaltete Elementen im Handel Einzelzellen etwa 1,5 V 6.5.1 Kenngrößen von Batterien 8. Form: Batterien/Akkus mit drei Normungssystemen: amerikanisch: AAA, AA, A, D europäisch: lady- micro-, mignon-, baby-, b mono-zelle, Flachb. japanisch: 24G, LR6, 9. Preis 10. Ökologie: Recyclierbarkeit: Pb-Akku zu 100% Deponieverhalten: schlecht für Hg, Cd, Pb, Ni 11. Normalladung / Schnellladung: Ladestrom ca. 10% der Nennkapazität über 9-14 Std. Ladestrom bis 100% der Nennkapazität: 1-3 Std. 49 50 13