Aufgabe 2 · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin 2022

Aufgabenstellung: Korrosionsprobleme im Bootssport

Fachspezifische Vorgaben

Korrosionsvorgänge an Metallteilen können auch im Bootssport großen Schaden verursachen, da Teile aus Stahl mit hohem Eisengehalt bei Kontakt mit Meerwasser und Sauerstoff innerhalb kurzer Zeit korrodieren (rosten).

Beim Rosten reagiert elementares Eisen zunächst mit Sauerstoff und Wasser zu Eisen(II)-hydroxid. Im weiteren Korrosionsverlauf kann Eisen(II)-hydroxid nochmals mit Sauerstoff zu Eisen(III)-oxidhydroxid mit der Formel $\text{FeO(OH)}$ reagieren, was den eigentlichen orange-braunen Rost darstellt.

Ein besonders korrosionsgefährdeter Gegenstand auf einem Segelboot ist die Ankerkette. Sie unterliegt ständiger mechanischer Belastung und ist dem Seewasser besonders häufig ausgesetzt. Bei Segelbooten werden Ketten aus nichtrostendem Edelstahl ebenso wie verzinkte Eisenketten eingesetzt. Letztere haben den Vorteil des günstigeren Preises. Die Verzinkung der Ketten kann durch Galvanisieren erfolgen. Dabei wird die Kette in eine Lösung getaucht, die Zink-Ionen enthält, und mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der Pluspol der Gleichspannungsquelle wird mit einem Zinkstück verbunden, das sich ebenfalls in der Lösung befindet.

Experiment 1: Galvanische Verzinkung einer Ankerkette aus Eisen

Eine Eisenkette mit einer Masse von $80{,}000\text{ kg}$ wurde galvanisch $4\text{ Tage}$ bei konstanter Stromstärke verzinkt. Die Masse der verzinkten Kette betrug danach $80{,}654\text{ kg}$.

Einsatz von Opferanoden

An vielen Schiffsrümpfen kann man große Blöcke aus Magnesium oder Zink wahrnehmen. Diese Blöcke werden auch als „Opferanoden“ bezeichnet. Die Anzahl der Opferanoden variiert mit der Größe der zu schützenden Teile. Die Funktionsweise einer solchen Anordnung wird in einem Laborexperiment untersucht.

Experiment 2: Überprüfung des Effektes eines an Eisen angebrachten Zinkblocks

a) In einer Petrischale wird ein gereinigter Eisennagel in eine wässrige Natriumchloridlösung gelegt, die mit wenig Phenolphthalein und Kaliumhexacyanoferrat(III) versetzt wurde.

Beobachtungen: Um den Nagel sind nach einiger Zeit sowohl blaue als auch purpurfarbene Verfärbungen zu sehen.

b) In eine zweite Petrischale werden ein an der Oberfläche gereinigtes Zinkstück und darauf ein ebenfalls gereinigter Eisennagel gelegt, sodass sich beide Metalle berühren. Danach wird eine wässrige Natriumchloridlösung, die mit wenig Phenolphthalein und Kaliumhexacyanoferrat(III) versetzt wurde, vorsichtig in die Petrischale gegossen.

Beobachtungen: Am Eisennagel verfärbt sich die Lösung purpur. Am Zinkstück bildet sich ein gelblich-weißer Niederschlag.

Zusatzinformationen:

Kaliumhexacyanoferrat(III) bildet bei Anwesenheit von $\text{Fe}^{2+}$-Ionen ein blaues Produkt.

Kaliumhexacyanoferrat(III) bildet bei Anwesenheit von $\text{Zn}^{2+}$-Ionen einen schwerlöslichen, gelblich-weißen Niederschlag.

Phenolphthalein färbt sich bei Anwesenheit von Hydroxid-Ionen purpur.

Daten & Konstanten:

Molare Masse: $M(\text{Zn}) = 65{,}4\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Konstante: $F = 96485\text{ A}\cdot\text{s}\cdot\text{mol}^{-1}$

Faraday-Gesetz: $I \cdot t = n \cdot z \cdot F$

Stoff

korrespondierendes Redoxpaar

Standardpotential ($E^\circ$)

Zink

$\text{Zn} \rightleftharpoons \text{Zn}^{2+} + 2\,\text{e}^-$

$-0{,}76\text{ V}$

Eisen

$\text{Fe} \rightleftharpoons \text{Fe}^{2+} + 2\,\text{e}^-$

$-0{,}41\text{ V}$

Sauerstoff (pH = 7)

$4\,\text{OH}^- \rightleftharpoons \text{O}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + 4\,\text{e}^-$

$0{,}81\text{ V}$

1.

Erklären Sie den Begriff Korrosion am Beispiel des Rostens von Eisen. Geben Sie die Reaktionsgleichungen der Vorgänge an, die beim Rosten von Eisen ablaufen. Erläutern Sie den Ablauf der Sauerstoffkorrosion von Eisen bis zur Bildung von Eisen(II)-hydroxid, und vervollständigen Sie dazu auch die Abbildung 2 (Anhang) mit Formeln und Teilgleichungen. [20 Punkte]

2.

Skizzieren Sie einen denkbaren Versuchsaufbau, mit dem ein Eisenwerkstück galvanisiert werden kann. Erläutern Sie den Galvanisiervorgang mithilfe von Teilgleichungen für die Reaktionen, die beim Verzinken von Eisen stattfinden. Berechnen Sie die Stromstärke, mit der die Ankerkette in Experiment 1 verzinkt wurde. [22 Punkte]

3.

Erläutern Sie die Beobachtungen in Experiment 2 unter Einbeziehung von Teilgleichungen. Erläutern Sie anhand dieser Beobachtungen den Begriff „Opferanode“ und diskutieren Sie, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit Eisen mit diesem Verfahren geschützt wird. [18 Punkte]