Korrosion - redoxreaktion auf abwegen

Jeder kennt das Problem aus dem Alltag: Metalle verändern sich mit der Zeit, wenn sie Luft und Wasser ausgesetzt sind, sie korrodieren. Fahrräder rosten, Wasserleitungsrohre werden undicht, in Druckkesseln bilden sich Risse.

3.1 Arten der Korrosion
Die meisten dieser Vorgänge lassen sich auf zwei grundlegende Arten der Korrosion zurückführen: Bei der Säure-Korrosion werden Metalle durch Hydronium-Ionen oxidiert, es bildet sich Wasserstoff. Bei der Sauerstoff-Korrosion wirkt Sauerstoff als Oxidationsmittel, er wird zu Hydroxid-Ionen reduziert.


Säure-Korrosion
Viele Metalle sind durch andere Metalle verunreinigt. So ist beispielsweise in technischem Zink immer etwas Kupfer zu finden. Wenn dieses Zink mit CO2-hältigem Wasser in Berührung kommt, bildet sich zwischen Zink und Kupfer eine kurzgeschlossene galvanische Zelle, ein Lokalelement.
Der Vergleich der Standard -Elektrodenpotentiale der beiden Metalle ergibt eine Differenz von 1,11 Volt. Das unedlere Zink geht daher an den Berührungsstellen zwischen Zink und Kupfer unter Abgabe von Elektronen in Lösung. Diese fließen zum edleren Kupfer und reduzieren an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Wasser Hydronium-Ionen, die sich durch die Protolyse der Kohlensäure gebildet haben.
Zn + 2 H+ ---> Zn2+ + H2
Die Oberfläche des Zinks wird ständig abgetragen, sodass sich unter Einwirkung des Elektrolyten auch weiter im Inneren Lokalelemente bilden und sich das unedlere Zink im Lauf der Zeit auflöst.
Sauerstoff-Korrosion
Ähnlich wie Zink korrodiert auch Eisen schnell, wenn es mit säurehältigem Wasser in Berührung kommt. Entscheidend für die Zerstörung des Metalls in neutralen oder alkalischen Lösungen ist jedoch der im Wasser gelöste Luftsauerstoff. Eisen gibt Elektronen an den Sauerstoff ab, es entstehen Eisen(II)-Ionen, die im Wasser gelöst werden. Edlere Fremdmetalle im Eisen oder auch Eisenoxid fördern dabei die Elektronenabgabe.

Beim Rosten müssen also sowohl Sauerstoff als auch Wasser vorhanden sein. Die Hydroxid-Ionen bilden sich bevorzugt in sauerstoffreichen Zonen des Wassers, während die Eisen(II)-Ionen in sauerstoffarmen Bereichen entstehen. Durch Diffusion treffen die Eisen(II)-Ionen und die Hydroxid-Ionen aufeinander. Es bildet sich ein Niederschlag aus Eisen(II)-hydroxid. Luftsauerstoff bewirkt dann die Bildung einer porösen Rostschicht, die vor allem aus wasserhältigem Eisen(III)-oxid besteht.
Es entstehen bei diesem Vorgang jedoch auch noch andere Eisenoxide, z.B. Eisen(II, III)-oxid Fe3O4.
Die Rostschicht kann das Eisen nicht vor weiterer Korrosion schützen, weil die Stelle, an der das Eisen in Lösung geht, nicht mit dem Ort der Rostentstehung identisch ist.


3.2 Korrosionsschutz
Durch Korrosion von Metallen wird die Wirtschaft von Industrieländern erheblich geschädigt. Neben der Zerstörung der Metalle kommt es häufig auch noch zu Folgeschäden: Produktionsanlagen fallen aus, wenn korrodierte Teile ersetzt werden müssen, undichte Wasser- oder Gasleitungen führen zu gefährlichen Unfällen. Öl läuft aus beschädigten Tanks aus und verschmutzt die Umwelt. Überlegungen zum Korrosionsschutz sind daher nicht nur aus finanziellen Gründen wichtig.

Überzüge
Man kann Metalle vor Korrosion schützen, indem man sie mit einer Schicht aus einem korrosionsbeständigeren Metall überzieht, die Luft und Feuchtigkeit fernhält. So werden Stahlbleche für die Autoherstellung in eine
450 °C heiße Schmelze von flüssigem Zink getaucht (Feuerverzinken).
An der Grenzfläche der beiden Metalle bildet sich eine Zink-Eisen-Legierung. Die Stahloberfläche erhält eine etwa 15 µm dicke Schicht aus Zink, die korrosionsbeständig ist, da Zink an der Luft eine schützende Oxidschicht ausbildet. Energiebedarf und Materialverbrauch sind allerdings relativ hoch.
Stahlbleche lassen sich auch durch Elektrolyse verzinken. Dazu wird das Blech in eine wässrige Zinksalz-Lösung gehängt und als Katode geschaltet. Als Anode dient eine Zinkplatte. Bei einer Gleichspannung von 20 V entsteht eine etwa 5 µm dünne Zinkschicht, die bei sorgfältiger Vorbehandlung der Stahloberfläche gut auf dem Metall haftet.
Autos können noch durch weitere Maßnahmen gegen Korrosion geschützt werden; etwa dadurch, dass die Rohkarosserie eine Phosphatierstraße durchläuft. Zunächst wird dabei die Metalloberfläche in einem Reinigungsbad von Schmutz, Öl und Fett befreit. Das Auto gelangt dann in ein Tauchbad, das Phosphorsäure oder eine Lösung von Hydrogenphosphaten enthält. Dabei bildet sich eine mit dem Metall fest verbundene Schicht aus Eisen- und Zinkphosphaten, auf die dann der Lack aufgetragen werden kann. In die Hohlräume von Automobilen wird flüssiges Wachs eingespritzt, der Unterbodenschutz besteht meist aus Polyvinylchlorid (PVC).
Nichtmetallüberzüge spielen seit alters her eine wichtige Rolle beim Korrosionsschutz. Römische Soldaten behandelten die Eisenrahmen von Katapulten und Pfeilgeschützen mit Pflanzenölen. Auch heute werden Maschinenteile und Waffen zur Pflege eingeölt. Durch Mischen von Minium (Pb3O4) mit Leinöl erhält man eine gut deckende Anstrichfarbe zum Schutz von Eisenkonstruktionen.
Bei einigen Metallen ergeben sich Überzüge an Luft auf natürlichem Weg. Aluminium, Chrom und Nickel bilden ähnlich wie Zink dünne Oxidationsschichten aus, die die Korrosion des darunter liegenden Metalls verhindern. Man spricht von Passivierung.
Katodischer Schutz
Um die Korrosion von Tanklagern, unterirdisch verlegten Rohren oder auch Erdölbohrtürmen im Meerwasser zu vermeiden, verbindet man das gefährdete Metall elektrisch leitend mit einem Metall, das sich leichter oxidieren lässt.
Aus dem gleichen Grund werden an den Eisenteilen von Hochseeschiffen Zinkplatten angebracht. Das unedlere Zink gibt über das Eisen Elektronen an Akzeptoren im Meerwasser (z.B. Sauerstoff) ab. Der Anodenvorgang der galvanischen Zelle - die Oxidation - findet also am Zink statt. Es löst sich langsam auf (Opferanode), das Eisen bleibt unbeschädigt.