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Korrosion, Oxidation und Rost sind verwandte, aber unterschiedliche Prozesse. Korrosion ist die allm?hliche Verschlechterung von Materialien, insbesondere von Metallen, die durch chemische Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung verursacht wird. Oxidation, Korrosion und andere chemische Reaktionen führen zu einer Verf?rbung, Verformung oder Metamorphose des Werkstoffs. Daher ist es wichtig, die Unterschiede und Zusammenh?nge zwischen Korrosion, Oxidation und Rost zu kennen.

It aids in determining the preservation of the lifespan of materials, minimizing adverse economic effects, and increasing safety in various fields. Such an understanding provides industries with measures and strategies to reduce the degradation rate of the materials, thus enhancing the durability of critical components. This, in turn, decreases the costs of repair and replacement. Implementing corrosion prevention best practices globally could yield significant savings, estimated between 15-35% of the cost of damage, translating to US$375 billion to US$875 billion annually^[1]. It is essential to regulate these phenomena to prevent catastrophic failures that can endanger lives in necessary fields such as construction and transport. Additionally, this knowledge creates innovations, such as developing new materials that do not corrode easily. It assists in making better and more sustainable product formations, as it is an enabler of change.

Definition von Korrosion

Korrosion ist eine Art der Zersetzung, die Materialien wie Metalle aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen dem Material und seiner Umgebung beeintr?chtigt und zu unwirtschaftlichen, unsicheren und ungesunden Produkten führt. Diese Zersetzung kann in mehreren Schritten erfolgen. Er führt in der Regel zur Bildung von Oxid-, Hydroxid- oder ?hnlichen Verbindungen innerhalb des Materials, die die ursprüngliche Konstruktion des Materials verbeulen/zerst?ren.

Arten von Korrosion

Die Koronation kann in verschiedenen Formen auftreten, je nach Umgebung und Materialien, die mit den Korrosionsmitteln in Kontakt kommen. Zu den h?ufigsten Formen geh?ren:

1. Galvanische Korrosion

Sie tritt auf, wenn sich zwei verschiedene Metalle in einer feuchten Umgebung elektrisch verbinden. Das anodische Metall verschlechtert sich schneller, als wenn es unabh?ngig davon existiert, w?hrend das kathodische Metall langsamer verschlechtert wird. Der Potenzialunterschied zwischen zwei Metallen ist für die galvanische Korrosion entscheidend und wird durch die Nernst-Gleichung beschrieben:

E_Zelle=E⁰_Kathode-E⁰_Anode-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_Zelle=Zellpotenzial, E⁰=Standard-Elektrodenpotentiale, R=Gaskonstante, T=Temperatur, n=Anzahl der übertragenen Elektronen und F ist die Faraday-Konstante.

2. Lochfra?korrosion

Lochfra?korrosion ist eine Form der lokalen Korrosion, bei der kleine, tiefe L?cher im Material entstehen. Sie ist besonders gef?hrlich, weil sie zu einem schnellen Materialversagen führen kann, selbst bei minimalem Gesamtmaterialverlust. Der Lochfra?faktor dient zur Beurteilung der Auswirkungen von Lochfra?korrosion. Wenn der Lochfra?faktor h?her ist, bedeutet dies, dass die Lochfra?korrosion schwerwiegend ist.

Lochfra?faktor=(Tiefe des tiefsten Lochs)/Durchschnittlicher Dickenverlust aufgrund von Korrosion

3. Spaltkorrosion

Bei dieser Art von Korrosion bilden sich in Gruben, Spalten oder unter Ablagerungen Zellen mit einer hohen Sauerstoffkonzentration. Infolgedessen kann die lokale L?sung stagnieren, was zu ?rtlicher Korrosion führt. Spaltkorrosion tritt z. B. an der Nahtstelle eines Metallblechs auf, wo Metall mit einer Dichtung verbunden ist, oder bei der Verwendung von Schrauben und Muttern. Die Geschwindigkeit der Spaltkorrosion h?ngt von Faktoren wie der Konzentration von Chloridionen ([Cl^-] und dem pH-Wert der L?sung im Spalt:

Korrosionsgeschwindigkeit ∝ [Cl^–]e^(-?G/RT)

In dieser Gleichung, Δ骋 ist die ?nderung der freien Gibbs-Energie, R ist die Gaskonstante und T ist die Temperatur.

Korrosionsanf?llige Materialien

Die Korrosionsbest?ndigkeit h?ngt von der Materialzusammensetzung, der Struktur und der Umgebung ab, in der sich das metallische oder nichtmetallische Material befindet. Eisen und Stahl sind besonders rostanf?llig, weil sie schnell oxidieren, vor allem wenn sie mit Feuchtigkeit und Sauerstoff in Berührung kommen. Aluminium entwickelt zwar eine passive Oxidschicht, unter chloridhaltigen Bedingungen kommt es jedoch auch hier zu Lochfra? und Spaltkorrosion. Kupfer und seine Legierungen sind anf?llig für galvanische Korrosion. Dies gilt insbesondere dann, wenn sie mit Metallen wie Aluminium oder Stahl in Berührung kommen und offen für eine Wasserumgebung sind. Als Mitglied der Gruppe der Anoden, die für den kathodischen Schutz nützlich sind, fungiert Zink als Anode in den galvanischen Schutzmodellen, um zu korrodieren, w?hrend das eigentliche Metall erhalten bleibt.

Industrielle Auswirkungen der Korrosion

The effects of corrosion are shared across the industrial value chain, across most, if not all, industries that use metals. The impact of this menace on economies is that industries lose several billion dollars every year due to corrosion. The global cost of corrosion is estimated at US$2.5 trillion, equivalent to 3.4% of the global Gross Domestic Product (GDP) in 2013, with some estimates suggesting it now exceeds US$3 trillion annually^[1]. The loss includes the cost of maintenance and replacement of structures experiencing corrosion, production loss due to corrosion, and other related effects. Deteriorated safety, reliability, and durability are some of the impacts of corrosion. Corrosion can cause sudden failure of structures, transport, and utilities like bridges, pipelines, and aircraft. Structural integrity diminishes under corrosion owing to the high risk of sudden failure.

Regarding the physical environment, corrosion leads to hazards such as releasing hazardous material from corroded pipelines and storage tanks and reinforcement concrete structures in civil engineering structures. This effect has subsequent dangers to the physical and human environment. To address these challenges, engineers use various methods of corrosion control. Such methods include a selection of anti-corrosive materials and coatings, cathodic protection applications, and corrosion inhibitors, all requiring corrosion knowledge. The market for corrosion protective coatings, a key mitigation strategy, was valued at USD 20.59 billion in 2023 and is projected to grow to USD 33.28 billion by 2030 at a CAGR of 7.4% ^[2].

Oxidation verstehen

Die Oxidation ist eine chemische Prim?rreaktion, die für viele Prozesse in der Natur und in der Industrie entscheidend ist. Grunds?tzlich bedeutet Oxidation die Abgabe oder den Austausch von Elektronen mit anderen Spezies, wobei eine allgemeine Tendenz besteht, Elektronen durch eine Substanz, h?ufig ein Metall, zu verlieren und Elektronen von anderen Substanzen, in der Regel Sauerstoff, zu gewinnen.

Oxidation ist ein allgemeiner chemischer Prozess, der unabh?ngig von Korrosion auftreten kann. W?hrend er bei Metallen zu Korrosion führen kann, ist Oxidation nicht immer sch?dlich, sondern kann auch von Vorteil sein, z. B. bei der Bildung von schützenden Oxidschichten auf Metallen wie Aluminium.

Chemische Reaktion Prozess der Oxidation

Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem ein Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen verliert. Dieser Prozess geht in der Regel mit einer Reduktion einher, bei der ein anderer Stoff die vom oxidierten Material freigesetzten oder verlorenen Elektronen aufnimmt. Bei beiden Prozessen handelt es sich um Redoxreaktionen (Reduktion-Oxidation). Die folgende Gleichung kann die allgemeine Form einer Oxidationsreaktion darstellen:

惭→惭ⁿ⁺+ne^–

Wo M ist das Metall oder der Stoff, der oxidiert wird. Mⁿ⁺ ist die oxidierte Form des Stoffes (bei Metallen ein Kation).n steht für die Anzahl der verlorenen Elektronen. Bei der Oxidation von Eisen ist die Reaktion zum Beispiel wie folgt:

贵别→贵别²⁺+2e^–

Sauerstoff ist bei den meisten Oxidationsprozessen das Oxidationsmittel. Das bedeutet, dass er die Elektronen aufnimmt, die das Metall oder ein anderer Stoff verliert. Dies kann zur Bildung von Oxiden führen, wie z. B.

4Fe+3O₂→2贵别₂O₃

In dieser Gleichung reagiert Eisen (Fe) mit Sauerstoff (O?) und bildet Eisenoxid (Fe?O?), das Rost ist.

H?ufige Beispiele für Oxidation im t?glichen Leben

Oxidation ist ein allgegenw?rtiger Prozess, der in vielen Alltagssituationen auftritt, oft mit spürbaren Auswirkungen:

Verrostung von Eisen und Stahl:

Wenn Eisen oder Stahl Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt wird, reagiert es zu einer r?tlich-braunen Substanz, dem Rost, der haupts?chlich aus Eisenoxid besteht. Dies ist ein typischer Fall von Oxidation, der zur Zerst?rung von Metallgegenst?nden wie Werkzeugen, Fahrzeugen und Bauwerken führt.

Anlaufen von Silber:

Silberbesteck und -schmuck sind weitere Produkte, die durch Oxidation rostig werden k?nnen. Der Grund dafür ist, dass Silber an der Luft mit Schwefelverbindungen reagiert, was zur Bildung von Silbersulfid führt, das schwarz ist und an der Oberfl?che des Metalls haftet.

2Ag+H₂厂→础驳₂S+H₂

Der Unterschied zwischen Oxidation und Korrosion

Es ist wichtig, zwischen Oxidation und Korrosion zu unterscheiden, auch wenn sie h?ufig synonym verwendet werden. Oxidation ist eine Art von chemischer Reaktion, bei der eine Verbindung Elektronen verliert, und zwar h?ufig in Gegenwart von Sauerstoff. Sie kann sowohl bei organischen als auch bei anorganischen Verbindungen stattfinden. Es handelt sich um einen breit angelegten Prozess, der zum Beispiel bei der Verbrennung von Energie oder bei der Bildung von Oxidschichten auf einigen Metallen wie Aluminium nützlich sein kann.

Andererseits ist Korrosion die Zersetzung eines Materials, insbesondere von Metallen, durch chemische Einwirkung auf die Umgebung. Es ist wichtig anzumerken, dass Oxidation zwar eine Art von Korrosion ist, z. B. das Rosten von Eisen, dass es aber auch andere Arten von Korrosion gibt, z. B. die Auswirkungen von S?uren, Basen, Feuchtigkeit und Salzen. Darüber hinaus hat Korrosion unerwünschte Auswirkungen wie Materialversagen, Verluste und potenzielle Gefahren. Das Wissen über Oxidation und Korrosion ist in verschiedenen Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung, da es dazu beitr?gt, Wege zu finden, die Verschlechterung von Werkstoffen abzumildern.

Hauptunterschiede und Auswirkungen von Oxidation und Korrosion

Obwohl Oxidation und Korrosion miteinander verwandt sind, handelt es sich um zwei verschiedene Prozesse mit unterschiedlichen Auswirkungen auf die Materialien. Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem ein Stoff Elektronen verliert, in der Regel unter Beteiligung von Sauerstoff, und kann sowohl bei organischen als auch bei anorganischen Materialien auftreten. Es handelt sich um einen umfassenderen Vorgang, der konstruktiv sein kann, wie z. B. bei Entzündungsprozessen w?hrend der Verbrennung oder der Bildung einer Oxidschicht auf Metallen wie Aluminium.

Sie unterscheidet sich jedoch von der Korrosion. Korrosion ist die Verschlechterung von Materialien, insbesondere von Metallen, durch chemische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung. Da die Oxidation eine Form der Korrosion ist, wie z. B. das Rosten von Eisen, umfasst die Korrosion auch andere Arten von Reaktionen, einschlie?lich solcher, die durch S?uren, Basen, Feuchtigkeit und Salze ausgel?st werden. Korrosion hat im Allgemeinen nachteilige Auswirkungen, die zu Materialverschlechterung, finanziellen Verlusten und Risiken für Sicherheit und Gesundheit führen. Das Verst?ndnis des Unterschieds zwischen Oxidation und Korrosion ist in vielen Bereichen des Studiums von entscheidender Bedeutung, da es dazu beitr?gt, effiziente Methoden zur ?berwindung der Materialverschlechterung zu formulieren.

Was ist Rust?

Rost ist eine Korrosionsart, die Eisen und verwandte Legierungen wie Stahl betrifft. Es handelt sich um ein r?tlich-braunes, schuppiges Material, das sich aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen Eisen, Sauerstoff und Feuchtigkeit auf der Oberfl?che von Eisen ablagert. Rost ist in vielen industriellen und allt?glichen Anwendungen üblich, da er die Festigkeit und ?sthetik von Eisenprodukten beeintr?chtigt.

Der Prozess der Rostentstehung

Die Bildung von Rost ist ein chemischer Prozess, der in mehreren Schritten abl?uft. Der erste Schritt umfasst die Bildung von Eisenoxiden mit Hilfe von Wasser und Sauerstoff und die Oxidation von Eisen. Der allgemeine Prozess l?uft wie folgt ab:

Oxidationsreaktion

Eisen (Fe) verliert Elektronen und reagiert mit Sauerstoff (O?) in Gegenwart von Wasser (H?O) unter Bildung von Eisen(II)-Ionen (Fe??).

贵别→贵别²⁺+2e^–

Bildung von Eisenhydroxid: Die Fe??-Ionen reagieren mit Wasser und Sauerstoff zu Eisen(II)hydroxid (Fe(OH)?).

Fe²⁺+2H₂O+O₂→贵别(翱贬)₂

Oxidation von Eisenhydroxid: Eisen(II)hydroxid oxidiert weiter zu Eisen(III)hydroxid (Fe(OH)?).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂翱→4贵别(翱贬)₃

Bildung von Rost: Eisen(III)-hydroxid dehydriert und bildet Eisen(III)-oxidhydroxid (FeO(OH)), das allgemein als Rost bekannt ist. Der Rost ist ein komplexes Gemisch aus Eisenoxiden und -hydroxiden.

4Fe(OH)₂→贵别₂O₃ .3H₂O

Bedingungen, die zu Rost führen

Die Bildung von Rost und andere Faktoren h?ngen von einigen grundlegenden Faktoren ab. Zu diesen Faktoren geh?ren die Verfügbarkeit von Feuchtigkeit, die Einwirkung von Sauerstoff und Elektrolyten, die Umgebungsbedingungen, die Temperatur und Verunreinigungen auf der Oberfl?che.

Wasser ist für die Rostbildung unerl?sslich, da es ein Elektrolyt ist. Wasser bietet eine Umgebung für Oxidations-Reduktionsreaktionen, die für die Rostbildung notwendig sind, wobei hohe Luftfeuchtigkeit oder direkter Regen gef?hrlicher sind.

Auch Sauerstoff ist eine wesentliche Voraussetzung für die Rostbildung. Bereiche mit guter Belüftung oder viel Sauerstoff, wie Metallkonstruktionen, Autos und Maschinen, sind anf?llig für Rost. Die Rostrate kann durch die Verwendung von Salzen und S?uren, die die elektrochemische Aktivit?t des Metalls erh?hen, steigen. Dieses Problem ergibt sich aus der Verwendung von Meerwasser zur Verbesserung der Leitf?higkeit.

So beschleunigt beispielsweise eine stark saure Umgebung die Rostbildung, da die Oxidation unter sauren Bedingungen (niedriger pH-Wert) schneller abl?uft. Alkalische Bedingungen f?rdern ebenfalls die Rostbildung, jedoch weniger stark als saure Bedingungen.

Die Temperatur spielt eine Rolle, da hohe Temperaturen die Rostbildung beschleunigen, indem sie die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen erh?hen. Dennoch kann Rost auch bei niedrigen Temperaturen auftreten, wenn Feuchtigkeit und Sauerstoff vorhanden sind.

In chemischer Hinsicht schlie?lich behindert die Verunreinigung der Oberfl?che mit Stoffen wie Schmutz oder ?l den Abtransport von Feuchtigkeit aus dem Metall, wodurch ?rtlich begrenzte Bereiche dem Rost ausgesetzt werden.

H?ufig betroffene Materialien

Eisen, Gusseisen und legierter Stahl sind die typischen Materialien, die von Rost betroffen sind. Eisen ist am anf?lligsten für Rost, da es an offenen Stellen eine chemische Reaktion mit Sauerstoff und Feuchtigkeit eingeht. Kohlenstoffstahl besteht haupts?chlich aus Eisen, mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff und anderen Elementen. Er kann zwar auch leicht rosten, aber Kohlenstoff und diese Legierungselemente k?nnen die Rostgeschwindigkeit erh?hen oder die Rosteigenschaften ver?ndern. Jede Art von Eisenmaterial kann rosten. Schmiedeeisen rostet jedoch schneller als Stahl oder Gusseisen, da letzteres einen h?heren Anteil an Kohlenstoff enth?lt und einen por?seren und flockigeren Rost bildet.

Niedrig- und mittelkohlenstoffhaltige legierte St?hle bieten einen gewissen Schutz gegen Rost, sind aber unter bestimmten Umst?nden rostanf?llig. Werkstoffe wie Chrom und rostfreier Stahl sind widerstandsf?higer, da sich auf ihrer Oberfl?che eine passive Oxidschicht bildet, die die Rostbildung behindert.

Hauptunterschiede zwischen Korrosion, Oxidation und Rost

Schlussfolgerung

Das Wissen um die Unterschiede zwischen Korrosion, Oxidation und Rost ist von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, Infrastruktur und Maschinen vor vorzeitigem Verschlei? zu schützen. Innovative Materialien wie Edelstahl-, Aluminium- und Titanlegierungen, Schutzbeschichtungen, intelligente Sensoren und selbstheilende Materialien spielen eine entscheidende Rolle bei der L?sung dieser Probleme.

Weitere Studien zur Weiterentwicklung der Korrosionswissenschaft umfassen die Entwicklung von Nanotechnologie, künstlicher Intelligenz bei der Korrosionsvorhersage und grünen Inhibitoren. Diese Materialien sind entscheidend für die Verbesserung der Materialeigenschaften. Wenn diese Industrien diese Innovationen weiterhin f?rdern und unterstützen, k?nnen sie den Schutz von Eigentum verbessern, Verluste minimieren und Sicherheit und Zuverl?ssigkeit in verschiedenen Anwendungen gew?hrleisten.

Referenzen

[1] NACE International – International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies (IMPACT) study

[2] Grand View Research – Corrosion Protective Coatings Market Size Report, 2030; [3] Grand View Research – Corrosion Inhibitors Market Size, Share | Industry Report 2030