Untersuchungen zur elektrochemischen Passivierung von Eisen

Mit dem vorgestellten Versuchsaufbau ist es möglich Untersuchungen zur elektrochemischen Passivierung von Eisen durchzuführen. Dabei werden Erkenntnisse zum aktiven, passiven und dem sogenannten transpassiven Zustand des Eisens gewonnen. (MO)

Versuch: Untersuchungen zur elektrochemischen Passivierung von Eisen

Geräte und Chemikalien:

2 Bechergläser (100 ml), Stromschlüssel, Eisenblech 0,2 cm x 2 cm, Stärke 1,5 mm, Platinelektrode, Zinkelektrode, Krokodilklemmen, Voltmeter, Amperemeter, Gleichspannungsquelle, Stativmaterial, Kabel, Schleifpapier, Zinksulfat-Lösung, c(ZnSO₄) = 1 mol/l, Schwefelsäure, c(H₂SO₄) = 0,5 mol/l

Durchführung:

Der Versuch wird gemäß der Abbildung aufgebaut. Das Eisenblech wird ca. 0,5 cm in die Schwefelsäure eingetaucht. Man bestimmt zunächst das Potential des Eisenbleches gegen Zinkelektrode und den zwischen dem Eisen und der Platinelektrode fließenden Strom. Mit Hilfe einer Spannungsquelle wird das Potential des Eisenbleches in 0,1 bis 0,2 Volt-Schritten erhöht. Die gemessenen Strom-Potential-Wertepaare werden notiert und nach Umrechnung des Eisenpotentials gegen die Standard-Wasserstoffhalbzelle in ein Strom-Potential-Diagramm aufgetragen (Der Meßbereich des Amperemeters sollte mindestens 300 mA anzeigen). Betrachten Sie die Eisen- und die Platinelektrode während des Versuches genau und notieren Sie ihre Beobachtungen.

Hinweis: Bei einem Eisenpotential von etwa 1,4 V (gemessen gegen die Zinkhalbzelle) werden Sie ein besonderes Verhalten beobachten: Obwohl die angelegte Spannung in nur geringem Maße erhöht wurde, springt das Eisenpotential plötzlich auf etwa 3 V. Um Meßwerte zu erhalten, die zwischen etwa 1,4 und 3 V liegen, wird die Spannung in 0,1 bis 0,2 Volt-Schritten auf ca. 1,4 V zurückgeregelt.

E1 = Platinelektrode in Schwefelsäure, c(H₂SO₄) = 0,5 mol/l

E2 = Eisenelektrode

E3 = Zinkelektrode in Zinsulfat-Lösung, c(ZnSO₄) = 1 mol/l

S = Stromschlüssel; Kaliumnitrat-Lösung, c(KNO₃) = 1 mol/l

Versuchsskizze: Versuchsaufbau zur Aufnahme von Strom-Potential-Kurven

Aufgaben:

Rechnen Sie die gemessenen Potentiale für die Eisenelektrode gegen die Standard-Wasserstoffhalbzelle um. Tragen Sie die Strom-Potential-Wertepaare in ein Strom-Potential-Diagramm ein.

Beobachtung und Auswertung:

Die Abbildung zeigt den typischen Verlauf einer mit dieser Meßmethode aufgenommenen Strom-Potential-Kurve von Eisen in Schwefelsäure.

A-B: Fe ® Fe²⁺ + 2e^-

B-C: 2Fe + 3H₂O ® g -Fe₂O₃ + 6H⁺ + 6e^-

D-E: 2H₂O ® O₂ + 4H⁺ + 4e^-

Strom-Potential-Kurve von Eisen in Schwefelsäure, c(H₂SO₄) = 0,5 mol/l

Ihr ist zu entnehmen, daß Eisen in Schwefelsäure ohne anodische Belastung ein Potential von etwa -0,2 V aufweist. Gleichzeitig fließt ein Strom von der Eisen- zur Platinelektrode. Zwingt man dem Eisen ein immer positiveres Potential auf, so steigt der gemessene Strom erwartungsgemäß nahezu linear an. Dieser fast lineare Anstieg setzt sich bis zu einem Potential von etwa 0,6 V fort. In diesem Bereich zeigt das System ein besonderes Verhalten: Obwohl die angelegte Spannung in nur geringem Maße erhöht wird, springt das Eisenpotential plötzlich auf etwa 1,4 V, der gemessene Strom geht auf fast 0 A zurück. Um Meßwerte zu erhalten, die kleiner als 1,4 V sind, wird die Spannung in 0,1 bis 0,2 Volt-Schritten zurückgeregelt. Die Meßwerte im Bereich von 0,6 bis 1,8 V zeigen deutlich, daß das Potential des Eisens erhöht werden kann, ohne daß der gemessene Strom zunimmt. Erst ab einem Potential von 1,9 V steigt der Strom plötzlich wieder linear an. Der in der Abbildung dargestellte Kurvenverlauf ist im Prinzip stellvertretend für alle passivierbaren Metalle. Ohne äußeren Strom bildet sich ein stationäres Elektrodenpotential aus (bei Eisen ca. -0,2V). Bei einer Erhöhung des Potentials nimmt die Korrosionsgeschwindigkeit entsprechend zu (Abschnitt A-B). In diesem Potentialbereich findet eine aktive Eisenauflösung gemäß

Fe²⁺ + 2e^- (1) statt (Aktivbereich des Eisens). Bei weiterer anodischer Belastung setzt nach dem Erreichen eines definierten Potentials, dem Passivierungspotential, eine Konkurrenzreaktion ein. Auf dem Metall bildet sich nach (2) eine außerordentlich dünne schützende Eisenoxidschicht, die sich in Säuren nur relativ langsam auflöst. Man befindet sich hier im Passivbereich des Eisen (Abschnitt C-D). Ein solcher Vorgang ist durch einen plötzlich stark abfallenden Korrosionsstrom gekennzeichnet. Es bildet sich eine Deckschicht aus Fe₂O₃ nach 2Fe + 3H₂O

Fe₂O₃ + 6H⁺ + 6e^- (2). An der Eisenelektrode finden unter diesen Bedingungen keine Stoffumsätze mehr statt, da die Eisenoxidschicht den Durchtritt von Ionen oder Wasser-Molekülen praktisch vollständig verhindert. Somit kann zum einen die Reaktion (1) nicht mehr ablaufen, zum anderen kommt die Reaktion (2) sehr schnell zum Stillstand. Bei weiterer Erhöhung des Eisenpotentials setzt die anodische Sauerstoffentwicklung ein: 2H₂O

O₂ + 4H⁺ + 4e^- (3) Den Potentialbereich D-E bezeichnet man als transpassiv.

Materialien für den Unterricht

Aufgabenblatt 1: Untersuchungen zur elektrochemischen Passivierung von Eisen
als Sofortansicht: (Word 97 Dokument, eisen_1.doc, 208 KB)

Angaben zur Lösung zum Aufgabenblatt 1: Beobachtung und Auswertung
als Sofortansicht (Word 97 Dokument, eisen_1n.doc.doc, 73 KB)

Aufgabenblatt 2: Auswertung der Strom-Potential-Kurve von Eisen in Schwefelsäure
als Sofortansicht (Word 97 Dokument, i_a_fe3.doc, 135 KB)

Schülerlösung zum Aufgabenblatt 2
als Sofortansicht (Word 97 Dokument, chemie_1.doc, 43 KB)

Zum Herunterladen (Download) vom Server: Alle vier oben aufgeführten Texte im gepackten Fomat
Download: eisen_a.zip 88 KB

Quellen

[1] M. Ducci, M. Oetken, C. Röttgen, Passivitäts-und Oszillationseffekte an Metallen, CHEMKON 1/4 (1997); S. 22

[2] M. Oetken, C. Röttgen, W. Jansen, "Die Passivität der Metalle", Praxis der Naturwissenschaften Chemie (H:5 Jrg.:4) (1996); S. 15

Die "Highlights der Chemie" sind ein Angebot des Käthe-Kollwitz-Gymnasiums Wilhelmshaven.

Ausgearbeitet im Rahmen einer Examensreihe am Käthe-Kollwitz-Gymnasium Wilhelmshaven von Dr. Marco Oetken.
Letzte Änderung: 1.4.1999

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