Verzinkte Leitplanken
AFB I–IILeitplanken an Straßen bestehen aus Stahl, der durch Feuerverzinken mit einer etwa 70 µm dicken Zinkschicht überzogen wird. An Luft bildet Zink zunächst Zinkoxid und Zinkhydroxid, die mit Kohlenstoffdioxid zu einer festen Deckschicht aus basischem Zinkcarbonat („Zinkpatina“) reagieren. Diese Schicht wird durch Regen langsam abgetragen. Typische Abtragsraten:
| Umgebung | ländlich | Stadt | Küste | Industrie |
|---|---|---|---|---|
| Zinkabtrag in µm/a | 0,7 | 1,5 | 2,5 | 3,5 |
\(\rho(\ce{Zn}) = 7{,}14\,\text{g/cm}^3\)
- Beschreiben Sie die Schutzwirkung der unverletzten Zinkschicht.
- Erläutern Sie, warum ein Kratzer, der bis auf den Stahl reicht, nicht rostet. Formulieren Sie dazu die Teilgleichungen.
- Berechnen Sie die Schutzdauer der Zinkschicht in ländlicher und in Industrieumgebung sowie die jährlich abgetragene Zinkmasse pro Quadratmeter in Industrieumgebung.
- Beurteilen Sie, ob Verzinnen statt Verzinken für Leitplanken sinnvoll wäre, und bewerten Sie ein zusätzliches Lackieren der verzinkten Planke („Duplex-System“).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zink reagiert an der Oberfläche mit O₂, Wasser und CO₂ zu einer dichten, fest haftenden Schicht aus basischem Zinkcarbonat. Sie trennt Metall und Elektrolyt (Barriere) und wird nur langsam abgetragen; der Stahl darunter kommt mit Wasser und Sauerstoff nicht in Kontakt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zink (−0,76 V) ist unedler als Eisen (−0,41 V). Mit dem Regenwasser als Elektrolyt entsteht ein Lokalelement, in dem Zink Anode ist: \(\ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}\). Die Elektronen fließen in den Stahl, an dem Sauerstoff reduziert wird: \(\ce{O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}\). Eisen wird nicht oxidiert (kathodischer Schutz); Zinkhydroxid schließt kleine Kratzer zusätzlich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ländlich: \(70 : 0{,}7 = 100\) Jahre; Industrie: \(70 : 3{,}5 = 20\) Jahre. Masse: \(V = 10\,000\,\text{cm}^2 \cdot 3{,}5 \cdot 10^{-4}\,\text{cm} = 3{,}5\,\text{cm}^3\), \(m = 3{,}5 \cdot 7{,}14\,\text{g} = 25\,\text{g}\) pro m² und Jahr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Verzinnen ist ungeeignet: Zinn ist edler als Eisen und schützt nur als Barriere. Leitplanken werden durch Anprall und Steinschlag verletzt; dann wird Eisen Anode und rostet beschleunigt. Duplex: Der Lack schützt das Zink vor Abtrag, das Zink schützt Schadstellen im Lack kathodisch — die Schutzdauer ist deutlich länger als die Summe beider Einzelschutzdauern; Nachteil sind höhere Kosten, daher vor allem in Industrie- und Küstennähe sinnvoll.
Fremdstromschutz einer Pipeline
AFB II–IIIEine erdverlegte Gasleitung aus Stahl ist mit Kunststoff umhüllt, die Umhüllung hat jedoch Fehlstellen. Die Leitung wird durch eine Fremdstromanlage geschützt: Eine Gleichspannungsquelle (12 V) ist mit der Pipeline und mit einer Anode aus Graphit im feuchten Erdreich verbunden. Als geschützt gilt Stahl, wenn sein Potenzial gegen eine Kupfer/Kupfersulfat-Bezugselektrode höchstens −0,85 V beträgt. Messwerte:
| Schutzstrom I in A | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Potenzial in V | −0,55 | −0,70 | −0,82 | −0,88 | −0,93 | −1,02 |
\(M(\ce{Mg}) = 24{,}31\,\text{g/mol}\), \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\)
- Erläutern Sie das Prinzip der Anlage. Geben Sie dabei die Polung an und formulieren Sie die Reaktionen an Pipeline und Graphitanode.
- Werten Sie die Messwerte aus und ermitteln Sie den mindestens nötigen Schutzstrom.
- Berechnen Sie den jährlichen Energiebedarf der Anlage bei 2,5 A und die Masse Magnesium, die Opferanoden für denselben Strom pro Jahr liefern müssten (Stromausbeute 50 %).
- Beurteilen Sie, ob der Betreiber den Strom „sicherheitshalber“ auf 6 A einstellen sollte, und diskutieren Sie Vor- und Nachteile von Fremdstrom gegenüber Opferanoden für eine lange Pipeline.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Pipeline wird an den Minuspol angeschlossen und so zur Kathode; Elektronen werden hineingedrückt, an den Fehlstellen läuft nur Reduktion ab: \(\ce{O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}\). Eisen wird nicht oxidiert. Die Graphitanode am Pluspol oxidiert Wasser: \(\ce{6 H2O -> O2 + 4 H3O+ + 4 e-}\) (bei Chlorid im Boden auch Cl₂); Graphit selbst verbraucht sich kaum.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Mit wachsendem Strom wird das Potenzial immer negativer, die Zunahme flacht ab. Das Kriterium −0,85 V liegt zwischen 2 A (−0,82 V) und 3 A (−0,88 V): \(I = 2\,\text{A} + \tfrac{0{,}03}{0{,}06} \cdot 1\,\text{A} = 2{,}5\,\text{A}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(P = 12\,\text{V} \cdot 2{,}5\,\text{A} = 30\,\text{W}\), \(E = 30\,\text{W} \cdot 8760\,\text{h} = 263\,\text{kWh}\) pro Jahr. Magnesium: \(Q = 2{,}5\,\text{A} \cdot 3{,}15 \cdot 10^{7}\,\text{s} = 7{,}88 \cdot 10^{7}\,\text{C}\), \(n = Q : (2F) = 409\,\text{mol}\), \(m = 9{,}9\,\text{kg}\); bei 50 % Ausbeute rund 20 kg Magnesium pro Jahr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
6 A ist nicht sinnvoll (Überschutz): Bei −1,02 V wird an den Fehlstellen verstärkt Wasser zu H₂ reduziert. Wasserstoff kann in den Stahl eindringen (Versprödung) und die Umhüllung ablösen; außerdem steigt der Energiebedarf. Fremdstrom: regelbar, auch bei hohem Bodenwiderstand und langen Leitungen wirksam, Anode fast unverbraucht; aber Stromversorgung, Überwachung und Energiekosten nötig. Opferanoden: ohne Energieversorgung, kein Überschutz durch Fehlbedienung, aber begrenzte Treibspannung und Verbrauch (≈ 20 kg Mg pro Jahr), daher eher für kurze Abschnitte.