Kathodischer Korrosionsschutz

Beim kathodischen Korrosionsschutz findet die Oxidation an einer Opferanode statt. Dadurch wird das Metall an der Kathode vor Korrosion geschützt.


Erklärung

Verwendung

Der kathodische Korrosionsschutz wird zum Beispiel bei unterirdischen Rohrleitungen, Überseeschiffen oder Öl-Bohrplattformen verwendet. Durch ihre Umgebung (Meer, Boden) sind diese Gegenstände besonders anfällig für die Zersetzung der Metalle (Korrosion). Daher müssen sie besonders geschützt werden.

Ablauf

galvanische Zelle

Bei Pipelines wird ein Magnesiumblock in direkter Nähe vergraben. Der Block wird mit der Pipeline über ein elektrisch leitendes Kabel verbunden.

Da der Magnesiumblock in feuchter Erde ist und über ein Kabel mit der Pipeline verbunden ist, entsteht eine galvanische Zelle. Das heißt die Ionen und Elektronen können fließen.

Der Magnesiumblock ist die Anode. Hier werden die Magnesiumatome oxidiert. Sie geben Elektronen ab.

\text{Mg} \xrightarrow{} \text{Mg}^{2+} + 2\, \text{e}^-MgMg2++2e\text{Mg} \xrightarrow{} \text{Mg}^{2+} + 2\, \text{e}^-

Die Magnesium-Ionen können dann z.B. mit Hxdroxid-Ionen Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) bilden.

Die entstehenden Elektronen wandern weiter zur Kathode. Das ist die Pipeline. Hier werden die Protonen aus den Wasser-Molekülen des Bodens reduziert. Dabei entstehen Wasserstoff-Moleküle.

2\,\text{H}^+ + 2\,\text{e}^- \xrightarrow{} \text{H}_{2}2H++2eH22\,\text{H}^+ + 2\,\text{e}^- \xrightarrow{} \text{H}_{2}

Die Redoxgleichung sieht insgesamt so aus:

\text{Mg} + 2\, \text{H}^+ \xrightarrow{} \text{Mg}^{2+} + \text{H}_{2}Mg+2H+Mg2++H2\text{Mg} + 2\, \text{H}^+ \xrightarrow{} \text{Mg}^{2+} + \text{H}_{2}

Wir sehen, dass der Magnesiumblock abgebaut wird. Deshalb wird Magnesium auch als Oferanode bezeichnet. Die Pipeline bleibt unbeschädigt und wird nicht von den Protonen angegriffen.

Fremdspannung

Man kann die Pipeline auch mit Materialien verbinden, die edler sind. Dann muss man allerdings eine Spannung von außen anlegen. Dadurch wird die eigentliche Reaktion der galvanischen Zelle umgekehrt. Es läuft eine Elektrolyse ab.

Hier ist es wieder so, dass die Pipeline die Kathode ist. Die Anode ist meistens Graphit. Durch die Spannung wird Graphit abgetragen und die Pipeline wird geschützt.

Die Spannung wird so eingestellt, dass gerade so keine galvanische Zelle entsteht und nur wenig von der Anode abgetragen wird.

Graphit nimmt man, da es ein günstiges Material ist und nur sehr langsam abgetragen wird.


Beispiel

Bei Schiffen oder Öl-Bohrplattformen werden außen auf dem Stahl Zinkplatten befestigt.

Zwischen den beiden Metallen können Elektronen fließen und da sich die Metalle im Wasser befinden, können auch Ionen ausgetauscht werden. Es entsteht also wieder eine galvanische Zelle. Bei dieser Zelle löst sich das Zink auf und der Stahl bleibt unbeschädigt.

Die Zinkplatte bildet die (Opfer-)anode. Hier werden die Zinkatome zu Zink-Ionen oxidiert.

\text{Zn} \xrightarrow{} \text{Zn}^{2+}+ 2 \,\text{e}^-ZnZn2++2e\text{Zn} \xrightarrow{} \text{Zn}^{2+}+ 2 \,\text{e}^-

Die Zink-Ionen können dann z.B. mit dem Wasser Zinkhydroxid (Zn(OH)₂) bilden.

Der Stahl bildet die Kathode. An dieser werden die Protonen aus dem Wasser zu Wasserstoff-Molekülen reduziert.

2\,\text{H}^+ + 2\,\text{e}^- \xrightarrow{} \text{H}_{2}2H++2eH22\,\text{H}^+ + 2\,\text{e}^- \xrightarrow{} \text{H}_{2}

Insgesamt läuft also diese Redoxreaktion ab:

\text{Zn} + 2\, \text{H}^+ \xrightarrow{} \text{Zn}^{2+} + \text{H}_{2}Zn+2H+Zn2++H2\text{Zn} + 2\, \text{H}^+ \xrightarrow{} \text{Zn}^{2+} + \text{H}_{2}

Da die beiden Metall direkt miteinander verbunden sind, nennt man diese galvansiche Zelle auch Lokalelement.

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