Elektrochemische Vorgänge im Kfz - Korrosion

von kfztech.de

gehört zur Reihe: Elektrotechnische Grundlagen

Wenn ein Kfz-Mechatroniker Auszubildender beispielsweise eine Nietverbindung herstellen muss und dazu einen Aluminiumniet in ein Kupferblech nietet oder wenn er einen Halter aus Edelstahlblech mit der Stahlblech Karosserie zusammen verschraubt, so sorgt er bereits unbewusst für Korrosion. Denn dann werden die Verbindungen in eine feuchte Umgebung gebracht, und es laufen elektrochemische Vorgänge ab, bei denen sich Metalle zersetzen. Dies wird dann als Kontaktkorrosion oder elektrochemische Korrosion bezeichnet. Dies sind freilich ungewollte Vorgänge, vor denen man sich schützen muss. Im Auto gibt es aber noch weitere gewollte technische Anwendungen bei denen die Elektrochemie eine Rolle spielt, wie beispielsweise bei Antriebs- und Starterbatterien oder bei der Brennstoffzelle.

Für die Kontaktkorrosion reichen zwei verschiedene Metalle und ein kleiner Tropfen Wasser aus. - Bild: kfztech.de

Elektrochemische Korrosion

Die Elektrochemische Korrosion und die Chemie von Batterien beruhen im Übrigen prinzipiell auf denselben Vorgängen. In beiden Fällen müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein. Man benötigt eine elektrisch leitende Flüssigkeit, die als Elektrolyt bezeichnet wird. Dann benötigt man zwei verschiedene Werkstoffe (Metalle) als Elektroden und eine elektrisch leitfähige Verbindung.

Bei der Kontaktkorrosion kommt die elektrisch leitende Flüssigkeit ungewollt durch Regen oder Spritzwasser hinzu. Es reicht schon ein kleiner Feuchtigkeitsfilm, dass die Zersetzung beginnen kann. Korrosion entsteht schon mit Luftfeuchtigkeit, aber mit salzigem Wasser, wie beim Tausalz im Winter, ist die Wirkung noch wesentlich stärker. Wenn sich Feuchtigkeit zwischen zwei Metallteilen befindet, baut sich zwischen diesen Metallen eine elektrische Spannung auf. Wenn die Metalle auch noch elektrisch leitend verbunden sind, fließt ein elektrischer Strom. Dabei bildet das unedlere Metall die Anode und das edlere die Katode (auch: Kathode). Diese zusätzliche Polarisierung führt zu einer beschleunigten Auflösung der Anode. Das unedlere der beiden Metalle wird somit zerstört. Welches Metall unedler ist, kann man aus der elektrochemischen Spannungsreihe ablesen (Tabelle 1). Diese Spannungsreihe ist eine Anordnung der chemischen Elemente - insbesondere von Metallen - nach der Größe ihrer Potenziale. Je höher das Spannungspotenzial eines Metalls ist, desto edler ist es folglich auch.

Merke: Bei der elektrochemischen Korrosion reagieren zwei unterschiedliche Metalle bzw. Metallverbindungen mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt).

Stromleitung in Flüssigkeiten

Was bei der Stromleitung in Flüssigkeiten geschieht, verdient einer genaueren Betrachtung. Chemisch reines Wasser ist nichtleitend. Gibt man jedoch beispielsweise Salz hinzu wird das Wasser leitfähig. Säuren und Laugen sind neben Salzen ebenfalls gut als Elektrolyt geeignet. Ein Teil eines Elektrolyten, z.B. Schwefelsäure H₂SO₄, wird im Wasser in die Ionen 2 H⁺ und SO₄- aufgespalten. So befinden sich unterschiedlich elektrisch leitende Bestandteile im Elektrolyten. Legt man eine Spannung an den Elektrolyten, so bewegen sich die Ionen. Die Bezeichnung Ion kommt übrigens aus dem Griechischen und bedeutet wandernd. Metalle haben ebenfalls die Tendenz sich in einem Elektrolyten in Lösung zu begeben. Die Anionen wandern dabei zur Anode und die Kationen zur Katode.

Korrosion an verzinktem Stahlblech

Verzinkten Stahl sieht man sehr häufig im Außenbereich z.B. bei einem Gartenzaun. Der Grund: Er rostet so gut wie gar nicht. Deshalb werden die Karosseriebleche aus Stahl beim Auto ebenfalls verzinkt. Da Zink (Zn) unedler ist, als der darunter liegende Stahl (Fe), löst sich bei Korrosion erst das Zink und dann erst der Stahl auf. Aber selbst bei zerstörter Zinkschicht schreitet die Korrosion des Eisens vorerst nur langsam voran. Dies liegt darin begründet, dass das Zink ein niedrigeres Standard-Elektrodenpotential besitzt als Eisen und folglich die Anode bildet und in Lösung geht. Das Eisen bildet also die Katode und wird nicht angegriffen. Vereinfacht laufen die folgenden Reaktionen ab. An der Anode oxidiert Zn zu Zn2+ Ionen, dabei werden zwei Elektronen frei (2 e^-). An der Katode werden die Hydronium Ionen (2 H₃O⁺ + 2 e^-) entladen, es entsteht Wasser (2 H₂O) und Wasserstoff (H₂). Es kommt auch vor, dass die Zink-Ionen an der Katode wieder entladen werden (Zn₂₊ + 2 e^- > Zn). Dann entsteht eine dünne und poröse Zinkschicht, die Schadenstelle "verheilt" schließlich wieder.

Korrosion an verzinktem Stahlblech  - Bild:kfztech.de

Weiter geht es mit elektrochemischen Vorgängen in Teil 2 mit dem Galvanischen Element.

Elektrotechnische Grundlagen im Kfz:

Kfz-Elektrik | Ladungen | Elektronenbewegung und Leitfähigkeit | el. Strom | Stromwirkungen | Strom messen | Spannung | Spannungserzeugung | Spannung messen | Ohmscher Widerstand |

Tabelle 1 Elektrochemische Spannungsreihe

Quellen: Klaus Sommer Wissensspeicher Chemie Volk und Wissen Verlag Berlin 1991. www.chemgapedia.de, LMU, Wikipedia, Toyota