Leck in der Hausinstallation
AFB I–IIEin Installateur hat in einem Altbau ein verzinktes Stahlrohr direkt mit einem Kupferrohr verschraubt. Nach zwei Jahren tropft es — das Loch sitzt im Stahlrohr unmittelbar neben der Verbindung. Das Leitungswasser ist durch gelöstes CO₂ schwach sauer.
| Redoxpaar | Zn²⁺/Zn | Fe²⁺/Fe | H₃O⁺/H₂ | Cu²⁺/Cu |
|---|---|---|---|---|
| E° in V | −0,76 | −0,41 | 0,00 | +0,34 |
Im Labor wird am nachgebauten Rohrstück ein mittlerer Korrosionsstrom von 0,50 mA gemessen. \(F = 96\,485\,\text{C/mol}\), \(M(\ce{Zn}) = 65{,}38\,\text{g/mol}\)
- Erläutern Sie, warum an der Verbindungsstelle ein Lokalelement entsteht, und geben Sie Anoden- und Kathodenteil an.
- Formulieren Sie die Teilgleichungen am Anodenteil (erst Zink, dann Eisen) und am Kathodenteil.
- Berechnen Sie die Masse Zink, die in zwei Jahren bei 0,50 mA abgetragen wird.
- Beurteilen Sie zwei Vorschläge: (1) ein isolierendes Zwischenstück aus Kunststoff einbauen, (2) das Kupferrohr in Fließrichtung vor das Stahlrohr setzen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zink(schicht) bzw. Stahl und Kupfer berühren sich direkt, das Leitungswasser ist Elektrolyt → kurzgeschlossene galvanische Zelle. Anodenteil: das unedlere Metall, zuerst Zink, nach dessen Verbrauch Eisen. Kathodenteil: Kupfer, an dem reduziert wird.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Anodenteil: \(\ce{Zn -> Zn^2+ + 2 e-}\), später \(\ce{Fe -> Fe^2+ + 2 e-}\). Kathodenteil (Kupferoberfläche): \(\ce{2 H3O+ + 2 e- -> H2 + 2 H2O}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(t = 2 \cdot 365 \cdot 24 \cdot 3600\,\text{s} = 6{,}31 \cdot 10^{7}\,\text{s}\); \(Q = 31\,536\,\text{C}\); \(n(\ce{Zn}) = Q : (2F) = 0{,}163\,\text{mol}\); \(m = 0{,}163 \cdot 65{,}38\,\text{g} \approx 10{,}7\,\text{g}\) — genug, um die dünne Zinkschicht im Bereich der Verbindung vollständig abzutragen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
(1) sinnvoll: Ohne elektrischen Kontakt kein Lokalelement; Korrosion nur noch wie am freien Rohr. (2) ungünstig: Vom Kupfer gelöste Spuren Cu²⁺ werden im Stahl-/Zinkrohr abgeschieden (\(\ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu}\)) und bilden dort viele kleine Lokalelemente. Richtig ist deshalb die „Fließregel“: Kupfer immer hinter verzinktem Stahl einbauen.
Eisen in Magnesium-Legierungen
AFB II–IIIMagnesium-Legierungen sind leicht und werden für Getriebegehäuse und Lenkräder verwendet. In einer Studie wurden Proben mit unterschiedlichem Eisengehalt in Kochsalzlösung gelagert und die Wasserstoffentwicklung je Quadratzentimeter Oberfläche gemessen (20 °C, 1013 hPa).
| Fe-Gehalt in ppm | 20 | 50 | 100 | 150 | 200 | 300 | 400 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H₂ in mL/(cm²·d) | 0,05 | 0,06 | 0,08 | 0,12 | 0,9 | 1,8 | 2,4 |
\(V_m = 24{,}0\,\text{L/mol}\), \(M(\ce{Mg}) = 24{,}31\,\text{g/mol}\), \(\rho(\ce{Mg}) = 1{,}74\,\text{g/cm}^3\). Eisen ist in Magnesium kaum löslich und liegt als winzige Körnchen vor.
- Werten Sie die Messwerte aus.
- Erklären Sie die Korrosion mithilfe eines Lokalelements und formulieren Sie die Teilgleichungen (neutrale Lösung: Wasser wird reduziert).
- Berechnen Sie für 400 ppm die Masse Magnesium, die pro Tag und cm² gelöst wird, und die daraus folgende Abtragsrate in µm pro Tag.
- Bewerten Sie die Vorgabe eines Autoherstellers, nur „hochreine“ Legierungen mit höchstens 50 ppm Eisen zu verwenden, obwohl deren Herstellung deutlich teurer ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Bis 150 ppm bleibt die H₂-Entwicklung sehr klein (0,05–0,12 mL/(cm²·d)). Zwischen 150 und 200 ppm steigt sie sprunghaft um fast eine Zehnerpotenz, danach etwa proportional zum Fe-Gehalt. Es gibt also einen Grenzgehalt („Toleranzgrenze“) bei etwa 150–200 ppm.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Eisenkörnchen sind edler als Magnesium und stehen in Kontakt mit ihm; die Salzlösung ist Elektrolyt → viele Lokalelemente. Anodenteil (Mg): \(\ce{Mg -> Mg^2+ + 2 e-}\). Kathodenteil (Fe-Körnchen): \(\ce{2 H2O + 2 e- -> H2 + 2 OH-}\). An reinem Mg ist die H₂-Abscheidung gehemmt, an Eisen ist die Überspannung klein. Oberhalb der Grenze berühren sich die Körnchen bzw. liegen dicht genug, dass sie wirksame Kathodenflächen bilden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(n(\ce{H2}) = 2{,}4\,\text{mL} : 24\,000\,\tfrac{\text{mL}}{\text{mol}} = 1{,}0 \cdot 10^{-4}\,\text{mol} = n(\ce{Mg})\); \(m = 2{,}43\,\text{mg}\) pro cm² und Tag. Dicke: \(d = m : (\rho \cdot A) = 0{,}00243\,\text{g} : 1{,}74\,\tfrac{\text{g}}{\text{cm}^3} = 1{,}4 \cdot 10^{-3}\,\text{cm} = 14\,\mu\text{m}\) pro Tag — rund 5 mm im Jahr.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Unterhalb der Grenze ist die Korrosion um mehr als eine Zehnerpotenz geringer; 50 ppm liegen mit Sicherheitsabstand unter dem Knick, sodass Schwankungen bei der Herstellung nicht zur sprunghaften Korrosion führen. Bauteile im Auto sind Streusalz und Feuchtigkeit ausgesetzt; ein Versagen (Lenkrad, Getriebe) wäre sicherheitsrelevant. Die höheren Kosten sind daher gerechtfertigt; ergänzend können Beschichtungen und isolierte Verbindungen zu Stahlschrauben (Kontaktkorrosion) eingesetzt werden.