Korrosion

Unter Korrosion versteht man gemeinhin die Oxidation von Metallen durch Umgebungseinflüsse. Der Verlauf der Korrosion hängt einerseits von den Eigenschaften der betreffenden Metalle ab, andererseits von der Art des Mediums, mit dem das Metall in Kontakt steht. Eine wesentliche Rolle spielt für die Korrosion Feuchtigkeit.

Der einfachste Fall von Korrosion ist die Reaktion der Metall oberfläche mit aggressiv wirkenden Substanzen aus der Umgebung, also die Reaktion unedler Metalle mit Luftverunreinigungen wie z.B. Schwefeldioxid, das mit Luftfeuchtigkeit zu schwefliger Säure und infolge Oxidation durch Luftsauerstoff zu Schwefelsäure reagiert. In industriellen Produktionsanlagen können auch andere Luftverunreinigungen wie Chlor oder Säuredämpfe auftreten, die mit vielen Metallen direkt reagieren. Diese Umsetzungen wären als gewöhnliche Redoxreaktionen zu betrachten.

Kompliziertere Redoxvorgänge liegen vor, wenn die Zerstörung von Metallen durch Bildung elektrochemischer Elemente oder durch Elektrolysevorgänge zustandekommt.

Bekanntlich rosten Eisen und einfache Stähle an feuchter Luft, ohne daß weitere Reaktionspartner vorliegen müssen. Eine Reduktion von Oxoniumionen des Wassers dürfte keine sonderliche Rolle spielen, weil bei pH=7 deren Konzentration sehr gering ist. Im neutralen und alkalischen Gebiet tritt bevorzugt Sauerstoffkorrosion auf. Die vom Metall abgegebenen Elektronen

MM^Z+ + z e^-

werden vom Sauerstoff aufgenommen

O₂ + 2 H₂O + 4 e^-4 OH^-.

Die Reduktion des Sauerstoffs erfolgt an der Stelle seiner höchsten Konzentration; die Oxidation des Metalls an der Stelle der niedrigsten Sauerstoffkonzentration. Die Verhältnisse entsprechen einer Konzentrationszelle mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen. - Sekundär werden Fe²⁺-Ionen direkt durch Luftsauerstoff zu Eisen(III)-oxidhydrat oxidiert.

Belüftungselement
Fe Fe2+ + 2 e-	H2O + 1/2 O2 + 2 e-2 OH

Mit dem Modell des Belüftungselements lassen sich die Tropfenkorrosion sowie die Korrosion von Metallen bei unterschiedlichen Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff beschreiben.

Elektrochemische Elemente werden auch gebildet, wenn unterschiedliche Metalle miteinander in Kontakt stehen und gleichzeitig Feuchtigkeit vorhanden ist. Die Verhältnisse sollen an einem Kupfer- und einem Zinkblech demonstriert werden, die in eine wäßrige Lösung von nennenswerter elektrischer Leitfähigkeit eintauchen. Reines Zink würde sich in einer mäßig sauren Lösung nicht oder nur sehr langsam auflösen, denn der gleichzeitig zu bildende Wasserstoff besitzt am Zink eine Überspannung. Eine leitende Verbindung zwischen dem Zink und dem edleren Kupfer, an dem die Überspannung zudem geringer ist, begünstigt die Reaktion, bei der Zink zu Zn²⁺ oxidiert und an der Oberfläche des Kupfers Oxoniumionen zu Wasserstoff reduziert werden. Analoge Verhältnisse liegen vor, wenn Kupfer und Zink direkt miteinander in Kontakt stehen oder ganz allgemein, wenn Metalle unterschiedlichen Potentials bei Vorhandensein von Feuchtigkeit in Verbindung stehen.

Praktische Beispiele für einfache Fälle solcher Lokalelemente sind eine Messingschraube in einem Aluminiumblech oder verchromtes Eisen mit verletzter Chromschicht. Derartige galvanische Elemente aus edlen und weniger edlen Metallen können auch im mikroskopischen Bereich auftreten, wenn beispielsweise ein Metall miteinem anderen verunreinigt ist. Unter Umständen ist nicht einmal das Vorliegen zweier unterschiedlicher Metalle notwendig um die Vorbedingung für ein Lokalelement zu schaffen, sondern es genügt bereits unterschiedliche Beschaffenheit ein und desselben Metalls an verschiedenen Stellen der Metalloberfläche wie unterschiedliche Kristallstruktur oder eine partielle Oxidschicht, damit Potentialdifferenzen entstehen und bei gleichzeiter Anwesenheit von Feuchtigkeit Korrosion stattfindet.

Eine andere Möglichkeit für Korrosion sind Elektrolysevorgänge, die durch unkontrollierte Ströme (Kriechströme, vagabundierende Ströme) verursacht werden. Voraussetzung ist auch hier das Vorhandensein von Feuchtigkeit. Die Korrosion erfolgt dann durch Auflösung des Metalls infolge anodischer Oxidation.

Wesentlich komplexer als die Korrosion der reinen Metalle sind die Korrosionsverhältnisse bei den Legierungen, die - praktisch gesehen - teils günstiger, teils ungünstiger sind als für die reinen Metalle. Bildet eine Legierung z.B. ein heterogenes Gemisch, liegen also Kristallite unterschiedlicher Zusammensetzung vor, so können sich entsprechend den oben besprochenen Fällen Lokalelemente ausbilden.

Gelegentlich schreitet die Korrosion aber auch nicht weiter fort, weil sich eine oberflächliche Schutzschicht bildet. Dies ist offenbar bei der homogenen Legierung Messing (Kupfer/Zink) der Fall, wo das unedlere Zink sich auflöst, das zurückbleibende Kupfer aber rekristallisiert und einen korrosionsbeständigeren Überzug bildet.

In anderen Legierungen haben die passiven Eigenschaften einer Komponente Einfluß auf die Gesamtlegierung, d.h. die Legierung verhält sich edler als die unedlere Komponente. Dies ist der Fall in vielen legierten Stählen, in denen der Zusatz von Chrom, Molybdän, Wolfram oder Nickel zu beträchtlicher Korrosionsbeständigkeit des eigentlich recht unedlen Eisens führt.

Für den Korrosionschutz bestehen zwei wesentliche Möglichkeiten:
Zum einen kann der Zutritt des Elektrolyten, d.h. von Feuchtigkeit durch entsprechende Überzüge unterbunden werden. Dies geschieht durch galvanisch aufgebrachte Überzüge edlerer Metalle oder viel öfter durch Oberflächenbeschichtung, im einfachsten Fall also durch einen Schutzanstrich.

Andererseits kann die Korrosion so gesteuert werden, daß nicht das wertvolle Material zerstört wird, sondern eine dafür vorgesehene Opferanode. So kann beispielsweise ein unterirdischer Ölbehälter aus einfachem Stahl vor Korrosion geschützt werden, indem man ihn zusätzlich zur Oberflächenbeschichtung sicherheitshalber leitend mit einer Zink- oder Magnesiumplatte verbindet (kathodischer Korrosionsschutz).

Unter diesen Verhältnissen löst sich das unedlere Metall anodisch auf, am Behälter bildet sich (sehr langsam) lediglich Wasserstoff. In ähnlicher Weise werden Schiffsrümpfe durch angeschweißte Zinkplatten vor Korrosion durch das aggressive Seewasser gegeschützt. Durch kathodischen Korrosionsschutz werden auch Heißwasserbereiter im Haushalt vor frühzeitigem Durchkorrodieren bewahrt; Voraussetzung ist die regelmäßige Kontrolle der Opferanode bezüglich ihres Erhaltungszustandes. - Auch das Verzinken von Stahlgegenständen (Baubeschläge, Autokarosserien) fällt unter den Begriff kathodischer Korrosionsschutz.