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Elektrochemische Korrosion: Alles zur Veränderung und Zerstörung der Oberfläche von Metallen

Elektrochemische Korrosion klingt kompliziert, ist jedoch ein Prozess, den du beinahe überall in deiner Umgebung beobachten kannst. Ein besonders häufig auftretendes und gefürchtetes Ergebnis dieser chemischen Veränderung ist der Rost. Doch auch die Oberflächen von anderen Metallen können anfällig für Zerstörung und Verschleisserscheinungen dieser Art sein. Die Auswirkungen sind dabei ein ernstzunehmendes Problem, denn etwa ein Viertel der jährlichen produzierten Metallwerkstoffe fallen diesem Vorgang zum Opfer. Alle Informationen zum Thema elektrochemische Korrosion, welche Vorgänge sich dabei abspielen und wie ein sinnvoller Korrosionsschutz aussieht, erfährst du hier.

Was ist elektrochemische Korrosion?

Der Begriff Korrosion leitet sich vom lateinischen „corredere“ ab und bedeutet zersetzen oder auch zerfressen. Korrosion kann sich in vielen Bereichen abspielen, so sprechen Geologen von Korrosion bei der Zersetzung von Gesteinen, ebenso wie Mediziner, wenn es um die Zersetzung von Geweben geht. Die elektrochemische Korrosion ist jedoch eine Variante, die in erster Linie Metalle betrifft. Dabei reagiert die Metalloberfläche entweder mit ihrer Umgebung oder auch mit anderen Metallen. Es spielen sich dabei Reduktions- und Oxidationsvorgänge ab, die nach und nach zur Zerstörung oder Veränderung an der Oberfläche des Metalls führen. Eine besondere Variante der elektrochemischen Korrosion ist die atmosphärische Korrosion. Sie setzt ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 Prozent ein. Dabei ist der Effekt stärker, je höher der Grad der Luftverschmutzung ist.

Welche chemischen Reaktionen laufen bei Korrosionen an der Metalloberfläche ab?

Damit eine elektrochemische Korrosion ablaufen kann, müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein. Die verschiedenen Prozesse unterscheiden sich je nach Umgebung leicht voneinander. Das Grundprinzip ist dabei jedoch gleich: Ein Metall-Atom verändert sich durch Abgabe von Elektronen zu einem Metall-Ion. Diese negativ geladenen Moleküle werden in der Elektrolyt, eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, abgegeben. Der Verlust der Elektronen führt dazu, dass das Metall sich allmählich auflöst. Die abgegebenen Elektronen aus dem Metall werden von Sauerstoffmolekülen im Elektrolyt aufgenommen und gebunden. Neben der Oxidation spielen sich auch Reduktionsvorgänge ab. Sind der pH-Wert oder der Sauerstoffgehalt niedrig, greifen positiv geladene Moleküle, wie zum Beispiel Wasserstoffionen, Elektronen ab und sorgen zusätzlich für eine Strukturveränderung und Zerstörung der Metalloberfläche.

Welche Funktion hat Wasser bei diesen Vorgängen?

Wasser ist aus mehreren Gründen ein zentrales Element bei der elektrochemischen Korrosion:

  • Es ist ein Elektrolyt und sorgt für den Elektronentransport
  • Wasserstoffmoleküle sind bei Säurekorrosionen an der Reduktion beteiligt
  • Ist das Wasser zusätzlich durch Salze verunreinigt, steigert das die elektrische Leitfähigkeit und damit die Korrosion

Welche Metalle sind besonders anfällig für elektrochemische Korrosionen?

Je edler das Metall, desto geringer die Wahrscheinlichkeit für elektrochemische Korrosion. So ist Gold zum Beispiel besonders resistent gegenüber Korrosionsschäden. Silber hingegen, wie du vielleicht beobachtet hast, kann schwarz werden. Diese Veränderung ist auf Korrosion zurückzuführen. Besonders anfällig für elektrochemische Zersetzung ist Roheisen. Das liegt unter anderem daran, dass Eisen ein vergleichsweise niedriges Spannungspotential besitzt. Ein anderer Grund ist die starke Verunreinigung von Roheisen im Vergleich zu anderen, edleren Metallen.

Was bedeutet Kontaktkorrosion?

Die Bimetallkorrosion, auch bekannt als galvanische Korrosion oder Kontaktkorrosion, ist eine besondere Form der elektrochemischen Korrosion. Hierbei handelt es sich um eine Variante, bei der zwei verschiedene Metalle, möglicherweise auch andere leitfähige Elemente, miteinander korrodieren. Diesen Prozess kannst du in vielen Situationen beobachten, wie zum Beispiel:

  • rund um Schrauben, Nieten oder Muttern
  • an Zinkrohren, die mit Kupfer gelötet wurden
  • an Heiz- und Wasserleitungssystemen, für deren Bau verschiedene Metallwerkstoffe eingesetzt wurden
  • innerhalb von Legierungen, wie zum Beispiel bei Gusseisen

Grundsätzlich gilt, je weiter die Metalle in der Spannungsreihe auseinander liegen, desto stärker ist die Kontaktkorrosion. Dabei geschieht folgendes: Kommen die beiden Metalle in Kontakt mit Wasser, entsteht durch die unterschiedlichen Elektrodenpotentiale eine elektrische Spannung. Dabei wandern Elektroden vom unedlen zum edleren Metall. So ist Stahl zum Beispiel edler als Roheisen und Kupfer edler als Zink. Nach dem Beispiel einer galvanischen Zelle ist Roheisen die Anode, wird also entladen. Der Stahl hingegen wird zur Kathode. Dort findet die Reduktion der Wasserstoff-Ionen statt.

Warum ist die elektrochemische Korrosion bei Eisen besonders problematisch?

Grundsätzlich spielt sich bei der Korrosion von Eisen ein ähnlicher Prozess ab wie bei anderen Metallen auch. Durch Oxidation entsteht als Endprodukt dieser chemischen Reaktion unter anderem Eisen(III)-oxid. Dieses gibt übrigens auch dem Rost seine typisch rote Färbung. Das Problem bei Eisen(III)-oxid ist jedoch, dass es, anders als andere Oxidationsprodukte, von der Metalloberfläche in Form von Plättchen abblättert. Dadurch wird die Metalloberfläche immer wieder freigelegt und kann weiter zersetzt werden, bis es irgendwann vollständig durchgerostet ist. Wenn zum Beispiel Aluminium oder Zink korrodieren, bleiben die Oxide an der Oberfläche haften und schützen die darunterliegende Schicht vor weiterer Korrosion.

Welche Möglichkeiten des Korrosionsschutzes gibt es?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten des Korrosionsschutzes. Einige Ansätze bestehen darin, die Metalloberflächen vor Wasser abzuschirmen. Bei der Feuerverzinkung wird zum Beispiel Eisen oder Stahl mit einer Schicht Zink überzogen. Eine andere Option ist die Opferanode: Hier wird ein unedleres Metall, zum Beispiel Magnesium, elektrisch leitend mit dem eigentlichen Baumaterial verbunden. Dieses Verfahren kommt unter anderem im Schiffbau zum Einsatz. Das Magnesium löst sich allmählich auf, gibt seine Elektronen an die zu schützende Metalloberfläche ab und verhindert damit dessen elektrochemische Korrosion.