Im 1. Beitrag wurden die Grundlagen der Korrosion behandelt. Jetzt soll das Verständnis noch etwas differenzierter und auch „berechenbarer“ beschrieben und erläutert werden. Dies wird später für die Bewertung von Sanierungsverfahren und den zahlreichen physikalischen Wasserbehandlungsgeräten (8. und letzte Folge), die gegen Rost und Kalk vielfach auf dem Markt angeboten werden, von Bedeutung sein.
Außerdem wird dadurch der Unterschied zwischen dem Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht und dem Korrosionsvorgang deutlich. Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht wird im nächsten Beitrag, Folge 3, beschrieben. In diesem Fachbeitrag, der Folge 2, erläutert Dr. Georg Scholzen das „Elektrochemische Potential“ und welche Folgen das in der Praxis für die Leitungswasserrohre hat.
Das elektrochemische Potential
Die meisten als Werkstoffe verwendeten Metalle kommen in der Natur in der Regel als Erze, z.B. in Form von Oxiden, Sulfiden, usw., also gebunden vor. Nur „edlere“ Metalle wie Gold liegen gediegen vor. Dementsprechend müssen insbesondere die Werkstoffe Eisen und Kupfer aus den Erzen des jeweiligen Metalls gewonnen werden. Dies erfolgt unter Einsatz von sehr viel Energie, z.B. beim Eisen durch den Hochofenprozess, bei dem das Eisenerz reduziert wird, um Roheisen zu gewinnen. Dies ist eine typische Redoxreaktion, bei dem die Eisen-Ionen im Erz zu Roheisen reduziert werden und die Elektronen aus dem Oxid oder Sulfid stammen.
Es ist letztlich die umgekehrte Reaktion des „natürlichen“ Korrosionsvorganges, den wir in Folge 1 kennengelernt haben.
Durch die immer weitere Bearbeitung des Roheisens zum Stahl entfernt sich das Metall energetisch immer stärker von seinem Ausgangszustand. Der Ausgangsstoff, das Erz, liegt quasi in einer Energiesenke. Und genau dort will der Werkstoff durch natürliche Umlagerungen wieder hin: in die Energiesenke. Deshalb haben die Korrosionsprodukte auch eine vergleichbare Zusammensetzung wie die Ausgangsstoffe, z.B. der braungefärbte Rost in Form von Eisenoxiden beim Eisen. Was steckt hinter diesem natürlichen Phänomen?
Zustandsbeschreibung
Die Zustände der Metalle lassen sich durch ihre Zustandsparameter wie Druck, Temperatur, Zusammensetzung etc. beschreiben. Bezogen auf ein- und denselben Stoff bestimmt das Stabilitätsmaß, in welchem der Aggregatzustand vorliegt (fest, flüssig oder gasförmig). Letztlich ist jeder Stoff permanent bestrebt, in einen Zustand mit geringerem Energieniveau überzugehen – und zwar solange, bis er seinen Gleichgewichtszustand erreicht hat. Dieses Naturgesetz wird durch atomare Umlagerungen erreicht. Dementsprechend gehen gleich-gewichtsferne Zustände spontan in gleichgewichtsnähere Zustände über. Das Stabilitätsmaß eines Stoffes wird beschrieben durch sein thermodynamisches Potential bzw. seine freie Enthalpie G, gemessen in kJ/mol. Dabei ist es nicht wichtig den Absolutwert von G zu kennen, sondern als Differenz zwischen zwei Zuständen zu beschreiben:
ΔG = G(Endzustand) – G(Anfangszustand)
Die Geschwindigkeit einer Zustandsumwandlung ergibt sich aus der Triebkraft ΔG, multipliziert mit der Mobilität des Systems, also der Beweglichkeit der atomaren Bausteine, deren Umlagerung erst den neuen Zustand ermöglicht. Die Beweglichkeit ist abhängig von der Bindungsintensität der beteiligten Bausteine untereinander, welche selbst natürlich auch wieder temperaturabhängig ist. Je höher die Temperatur ist, desto größer ist die Beweglichkeit der atomaren Bausteine und damit auch deren Umlagerungsgeschwindigkeit. „Geordnete“ atomare Zustände sind somit immer von zeitlich begrenzter Stabilität, da die Natur den „ungeordneten“ Zustand bevorzugt und dies mit unterschiedlichen Reaktionen zu erreichen versucht.
Ein Teil dieser Reaktionen wird beschrieben durch Redoxreaktionen, wozu die Korrosionsreaktionen zählen.
Jetzt wird auch verständlich, warum Metalle Elektronen beim Korrosionsvorgang abgeben. Letztlich wollen sie wieder in „ihren Ursprungszustand“ zurück. Daher wird bei jeder Oxidation von Metallen Energie frei. Beim Werkstoff Eisen erfolgen sogar drei hintereinander ablaufende Reaktionen, wobei jede zu einer weiteren Erniedrigung von ΔG (Freie Enthalpie) beiträgt…
