Aufgabe C – Korrosion von Eisen

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts werden Schiffsrümpfe u. a. auch aus Stahl gebaut. Die verwendeten Stahlsorten sind anfällig für Korrosion.

Beschreibe die Bindungsverhältnisse im Eisen.

Begründe die Verformbarkeit von Eisenbauteilen.

5 BE

Vergleiche die Sauerstoff- und die Säurekorrosion unter Einbeziehung der Teilgleichungen für die Anoden- und Kathodenreaktion an Eisenbauteilen (M 1).

Begründe, dass der Reaktionsgleichung im Material 1 eine Redoxreaktion zugrunde liegt.

7 BE

Erläutere die Beobachtungen im beschriebenen Modellexperiment (M 2).

Stelle mithilfe der Stoßtheorie eine Hypothese über die Auswirkungen einer Temperaturerhöhung auf die Korrosionsgeschwindigkeit auf (M 2).

8 BE

Erkläre unter Einbeziehung von Standardpotenzialen die Vorgänge, die zu den unterschiedlichen Korrosionserscheinungen geführt haben (M 3).

4 BE

Erkläre aus chemischer Sicht den Vorschlag von Ian MacLeod (M 4).

Diskutiere diesen Vorschlag zur Verhinderung einer Umweltkatastrophe anhand von zwei Argumenten.

6 BE

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Material 1: Korrosion von Eisen

Eisen ist ein Metall, das als Hauptbestandteil vieler Legierungen in unterschiedlichen Industriezweigen verwendet wird.

Durch die Korrosion von Eisenbauteilen entsteht jährlich weltweit ein immenser wirtschaftlicher Schaden.

Vereinfacht unterscheidet man die Säure- und die Sauerstoffkorrosion. Die Säurekorrosion läuft bevorzugt bei niedrigen pH-Werten und Sauerstoffmangel ab, die Sauerstoffkorrosion erfolgt in neutralen oder basischen Lösungen bei Sauerstoffzutritt.

In einer möglichen Folgereaktion bildet sich bei der Korrosion von Eisen schwerlösliches Eisen(II)-hydroxid. Dieses reagiert zu dem umgangssprachlich als Rost bezeichneten Eisen(III)-oxidhydroxid.

$Formula: \ce{4Fe(OH)2 + O2 \longrightarrow 4FeO(OH) + 2H2O}$ $Formula: \ce{4Fe(OH)2 + O2 \longrightarrow 4FeO(OH) + 2H2O}$

Material 2: Experimente zur Korrosion

Die Geschwindigkeit der bei der Korrosion ablaufenden Reaktionen ist von verschiedenen Bedingungen abhängig.

In dem beschriebenen Experiment zur Korrosion wurden verschiedene Reaktionsbedingungen untersucht.

Dazu kamen zwei gleiche, handelsübliche, dünnwandige Kunststoffflaschen zum Einsatz.

	Versuch 1	Versuch 2
Durchführung	In eine Kunststoffflasche, die innen mit Wasser angefeuchtet wurde, werden ca. $Formula: 3\;\text{g}$ $Formula: 3\;\text{g}$ Eisenpulver gegeben. Die Flasche wird sofort luftdicht verschlossen und kurz geschüttelt.	In eine Kunststoffflasche, die innen mit Wasser angefeuchtet wurde, wird ein Eisennagel (ca. $Formula: 3\;\text{g})$ $Formula: 3\;\text{g})$ gegeben. Die Flasche wird sofort luftdicht verschlossen und kurz geschüttelt.
Beobachtungen	Die Pulverpartikel färben sich langsam braun, die Flasche zieht sich im Verlauf von einigen Stunden zusammen.	Die Oberfläche des Nagels färbt sich langsam braun, die Flasche zieht sich wesentlich langsamer als im Versuch 1 zusammen.

Material 3: Korrosionserscheinungen an der englischen Fregatte HMS Alarm

Die Autoren Trethewey & Chamberlain berichten in dem Historischen Korrosionslexikon über ein im 18. Jahrhundert entdecktes Phänomen an britischen Holzschiffen:

Der Holzrumpf der englischen Fregatte HMS Alarm wurde vollständig mit einer dünnen Kupferhülle bedeckt. Der Zweck der Ummantelung war zweifach. Erstens sollte es die erheblichen Schäden durch den Teredo-Holzwurm reduzieren. Zweitens wurde erwartet, dass das auf Seepocken (ein festsitzendes Krebstier) toxisch wirkende Kupfer deren Wachstum an Schiffsrümpfen verringern würde.

Nach einem zweijährigen Einsatz in Westindien wurde die HMS Alarm untersucht, um die Wirkungen der Kupferplatten festzustellen. Man entdeckte, dass sich die Ummantelung vielerorts vom Rumpf gelöst hatte. Die Ursache dafür waren die Eisennägel, mit denen die Kupferplatten an den Hölzern befestigt waren. Viele der Eisennägel zeigten starke Beschädigungen. Eine genauere Inspektion ergab, dass einige Nägel, die kaum korrodiert waren, braunes Papier unter dem Nagelkopf hatten.

Grund dafür war, dass die Kupferplatten in Papier eingewickelt auf die Werft geliefert wurden. Dieses wurde vor der Anbringung der Kupferplatten an die Schiffsrümpfe nicht vollständig entfernt.

Material 4: Verhinderung der Ölpest

Im 2. Weltkrieg wurden in der Chuuk-Lagune im Pazifik mehr als 50 Schiffe versenkt und bilden dort in geringer Wassertiefe den „größten Schiffsfriedhof der Welt“.

Laut dem Korrosionsexperten Ian MacLeod verlieren die Eisenrümpfe der Wracks durch Korrosion jährlich einen Millimeter Schichtdicke. In den Wracks befinden sich geschätzt 32.000 Tonnen Öl. Forscher fürchten, dass dieses Öl bald austreten könnte. Dadurch bestünde für das Ökosystem dieser Meeresregion eine große Umweltgefahr.

Deshalb wird nach Wegen gesucht, die Korrosion der Wracks zu verlangsamen, um so Zeit für das Abpumpen des Öls zu gewinnen.

MacLeod schlägt vor, Aluminiummotoren aus Autowracks neben den Schiffswracks zu versenken und diese Aluminiumblöcke elektrisch leitend mit den Eisenrümpfen der versunkenen Schiffe zu verbinden.

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Beschreibung der Bindungsverhältnisse im Eisen

Metall-Kationen bilden eine Gitterstruktur
Elektronengas aus delokalisierten Elektronen (Valenzelektronen)
starke Anziehungskräfte zwischen Metall-Kationen und Elektronengas

Begründung der Verformbarkeit von Eisenbauteilen

Metall-Kationen sind im Elektronengas eingebettet
Bindungskräfte bleiben nach Druck bzw. Stoß erhalten, da Verschiebung von Gitterebenen nicht zu Abstoßungskräften führt

Vergleich von Säure- und Sauerstoffkorrosion

Gemeinsamkeiten:

Bei beiden Korrosionsarten wird an der Anode Eisen oxidiert
Anodenreaktion: $Formula: \ce{Fe \longrightarrow Fe^2+ + 2e^-}$ $Formula: \ce{Fe \longrightarrow Fe^2+ + 2e^-}$

Unterschiede:

Die Kathodenreaktion unterscheidet sich.

Sauerstoffkorrosion: $Formula: \ce{2H2O + O2 + 4e^- \longrightarrow 4OH^-}$ $Formula: \ce{2H2O + O2 + 4e^- \longrightarrow 4OH^-}$
Säurekorrosion: $Formula: \ce{2H3O^+ + 2e^- \longrightarrow H2 + 2H2O}$ $Formula: \ce{2H3O^+ + 2e^- \longrightarrow H2 + 2H2O}$

Begründung der Redoxreaktion

Redoxreaktionen sind Elektronenübertragungsreaktionen, verbunden mit der Änderung von Oxidationszahlen
Eisen-Ionen im Eisenhydroxid mit der Oxidationszahl $Formula: +\text{II}$ $Formula: +\text{II}$ werden zu Eisen-Ionen im Eisenoxidhydroxid mit der Oxidationszahl $Formula: +\text{III}$ $Formula: +\text{III}$ oxidiert
Sauerstoff-Atome im Sauerstoff-Molekül mit der Oxidationszahl werden zu Sauerstoff-Teilchen mit der Oxidationszahl $Formula: -\text{II}$ $Formula: -\text{II}$ reduziert.

Erläuterung der Beobachtungen

Korrosion des Eisens innerhalb der Kunststoffflaschen unter Verbrauch von Sauerstoff
Zusammenziehen der Flasche durch Verringerung des Gasvolumens
gleiche Masse an Eisen bei beiden Experimenten, größere Oberfläche für die ablaufende Reaktion im Experiment 1
Korrosion läuft bei größerem Zerteilungsgrad aufgrund einer höheren Anzahl von möglichen wirksamen Zusammenstößen in vergleichbaren Zeitintervallen schneller ab
schnellere Entstehung des Unterdrucks im Experiment 1

Aufstellen einer Hypothese zum Reaktionsverlauf bei Temperaturerhöhung

Zunahme der Korrosionsgeschwindigkeit (Reaktionsgeschwindigkeit) bei Temperaturerhöhung,

da Anzahl der Teilchen mit der notwendigen kinetischen Energie für wirksame Zusammenstöße zunimmt
da mehr wirksame Zusammenstöße in vergleichbaren Zeitintervallen erfolgen.

Erklärung der unterschiedlichen Korrosionsvorgänge

Trennung der Eisennägel von den Kupferplatten durch das Papier; keine Ausbildung eines Lokalelementes; geringe Korrosion der Eisennägel
Die Korrosionserscheinung an den Eisennägeln mit direktem Kontakt zu dem Kupferblech ist auf die Bildung eines Lokalelementes zurückzuführen

Einbeziehung der Standardpotentiale

$Formula: E^0(\ce{Cu^2+}\,\vert\,\text{Cu})\gt E^0(\ce{Fe^2+}\,\vert\,\text{Fe});$ $Formula: E^0(\ce{Cu^2+}\,\vert\,\text{Cu})\gt E^0(\ce{Fe^2+}\,\vert\,\text{Fe});$ Oxidation der Eisennägel
Elektronen wandern zur Kathode; Reduktion von Sauerstoff-Molekülen oder Oxonium-Ionen am Kupfer

Erklärung des Vorschlags

$Formula: E^0(\ce{Al^3+}\,\vert\,\text{Al})\gt E^0(\ce{Fe^2+}\,\vert\,\text{Fe});$ $Formula: E^0(\ce{Al^3+}\,\vert\,\text{Al})\gt E^0(\ce{Fe^2+}\,\vert\,\text{Fe});$ aufgrund des kleineren Standardpotenzials wird Aluminium statt Eisen oxidiert
langsames Zersetzen der Motoren aus Aluminium
Schutz der Schiffsrümpfe vor Korrosion (Prinzip der Opferanode)

Diskussion des Vorschlags

Pro-Argumente:

Verhinderung einer Umweltkatastrophe aus chemischer Sicht möglich

Contra-Argumente:

großer Aufwand durch die notwendige Bereitstellung von vielen Motoren

Fazit:

Verfahren ist zur Verhinderung einer Umweltkatastrophe nicht geeignet. Es kann einen Zeitaufschub gewährleisten.

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