Grundlagen der Korrosion und Lokalelemente einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, warum ein winziger Kratzer im Autolack nach einiger Zeit zu einer riesigen, abblätternden Roststelle wird? Oder warum dicke Wasserrohre aus Metall plötzlich undicht werden?

Das Zauberwort dafür heißt Korrosion. In dieser Lektion zu den Grundlagen der Korrosion und Lokalelemente werden wir lernen, was genau dabei mit dem Metall passiert und wie mikroskopisch kleine, unsichtbare „Batterien“ dafür sorgen, dass sich massive Bauteile in Luft (oder besser gesagt in Rost) auflösen.

Vorwissen

• Oxidation und Reduktion: Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.

  Beispiel: Ein Zinkatom gibt zwei Elektronen ab und wird zu einem Zink-Ion ($\text{Zn} \to \text{Zn}^{2+} + 2 \text{e}^-$).

• Edle und unedle Metalle: Unedle Metalle (wie Zink oder Eisen) geben leicht Elektronen ab. Edle Metalle (wie Kupfer oder Gold) halten ihre Elektronen fest.

  Beispiel: In einer galvanischen Zelle ist das unedlere Metall immer die Anode (hier findet die Oxidation statt).

Aufgabentyp 1: Lokalelemente analysieren

Unter Korrosion versteht man die Beschädigung oder Zerstörung von Werkstoffen durch chemische Reaktionen mit Stoffen aus ihrer Umgebung (wie zum Beispiel Wasser und Sauerstoff). Wenn unedle Metalle der Witterung ausgesetzt sind, reagieren sie und das Material wird abgetragen.

Man unterscheidet dabei verschiedene Erscheinungsformen, die unterschiedlich gefährlich sind:

• Flächenkorrosion: Das Metall wird nahezu gleichmäßig über die gesamte Oberfläche abgetragen. Das sieht unschön aus, ist aber berechenbar, da man den Schaden gut sehen kann.

• Lochkorrosion (Lochfraß): Die Zerstörung findet nur an winzigen, punktuellen Stellen statt und frisst tiefe Löcher in das Metall. Das ist sehr gefährlich, da ein Rohr so plötzlich undicht werden kann, obwohl der Rest noch gut aussieht.

• Risskorrosion (Spaltkorrosion): Diese Form tritt in winzigen Spalten oder Rissen auf (z. B. unter Schrauben). Sie ist extrem gefährlich, weil sie von außen oft völlig unsichtbar ist, bis das Bauteil plötzlich bricht.

Die häufigste Ursache für Korrosion ist die Bildung von sogenannten Lokalelementen (auch Kontaktelemente genannt). Ein Lokalelement ist im Grunde eine winzige, kurzgeschlossene galvanische Zelle (eine Batterie).

Ein Lokalelement entsteht immer dann, wenn sich zwei verschiedene Metalle berühren und gleichzeitig von einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (einem Elektrolyten, wie Salzwasser oder Säure) umgeben sind.

Dabei passiert Folgendes:

• Das unedlere Metall funktioniert als Lokalanode. Es wird oxidiert, gibt Elektronen ab und löst sich dabei auf (es korrodiert).

• Das edlere Metall funktioniert als Lokalkathode. Die Elektronen fließen dorthin. Das edle Metall selbst verändert sich nicht! Stattdessen nehmen Stoffe aus der Flüssigkeit (z. B. Wasserstoff-Ionen) die Elektronen an der Oberfläche des edlen Metalls auf und werden reduziert.

Wichtig: Ein Lokalelement kann auch an einem einzigen Stück Metall entstehen! Wenn das Metall an verschiedenen Stellen unterschiedlich warm ist, unterschiedlich viel Sauerstoff abbekommt oder die Flüssigkeit unterschiedlich konzentriert ist, verhalten sich diese Stellen wie zwei verschiedene Metalle. Auch dann fließt ein Strom und das Metall korrodiert.

Das Zink-Kupfer-Lokalelement

Zweck: Sichtbarmachen, wie ein edleres Metall die Korrosion eines unedleren Metalls beschleunigt und wo die Reaktionen stattfinden.

Materialien: Ein Zinkstab, ein Kupferdraht, 100 mL verdünnte Schwefelsäure, ein Becherglas.

⚠️ Sicherheitshinweis: Verdünnte Schwefelsäure ist ätzend. Das entstehende Wasserstoffgas ist hochentzündlich. Schutzbrille tragen und offene Flammen fernhalten!

Durchführung:

1. Stelle den Zinkstab in das Becherglas mit der Schwefelsäure.
2. Halte den Kupferdraht in die Säure und berühre damit den Zinkstab.

Beobachtung: Solange das Zink alleine in der Säure steht, bilden sich nur sehr wenige Gasbläschen am Zink. Sobald der Kupferdraht das Zink berührt, blubbert es plötzlich sehr stark – aber die Bläschen entstehen nun fast vollständig am Kupferdraht!

Erklärung: Durch die Berührung entsteht ein Lokalelement. Das unedle Zink gibt Elektronen ab und löst sich auf (Oxidation). Die Elektronen fließen durch das Metall in das edle Kupfer. An der Oberfläche des Kupfers nehmen die Wasserstoff-Ionen ($\text{H}_3\text{O}^+$) aus der Säure diese Elektronen auf und werden zu Wasserstoffgas ($\text{H}_2$), welches als Bläschen aufsteigt (Reduktion).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe zwei Metalle gegeben hast, die sich in einer Flüssigkeit berühren, gehe so vor:

1. Finde heraus, welches Metall edler und welches unedler ist (nutze dafür die elektrochemische Spannungsreihe).
2. Das unedlere Metall ist immer die Lokalanode. Das edlere Metall ist immer die Lokalkathode.
3. Ordne die Reaktionen zu: An der Anode (unedel) findet die Oxidation statt. An der Kathode (edel) findet die Reduktion statt.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Korrosion ist die Zerstörung von Metallen durch Reaktionen mit der Umwelt.
• Lochkorrosion und Risskorrosion sind besonders gefährlich, da sie tief ins Material eindringen und oft unsichtbar bleiben.
• Ein Lokalelement ist eine mikroskopische, kurzgeschlossene Batterie, die entsteht, wenn sich verschiedene Metalle in einem Elektrolyten berühren.
• In einem Lokalelement wird immer das unedlere Metall (Anode) zerstört, während das edlere Metall (Kathode) unversehrt bleibt.