Rost und Rostschutz. Chemikalien: Rost, verdünnte Salzsäure HCl, Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung K 4 [Fe(CN) 6 ]

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Adrian Martin
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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsversuche im Sommersemester Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Mühlbauer, Manuel Buchner, Johannes Rost und Rostschutz 1. Definition Als Rost bezeichnet man das Korrosionsprodukt von Eisen/Stahl und Sauerstoff in Gegenwart von Wasser. Als Korrosion hingegen wird die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung bezeichnet. Es handelt sich um eine von der Oberfläche ausgehende Zerstörung des entsprechenden Metalls. [1] Aus chemischer Sicht handelt es sich beim Rost um Eisen(III)-oxid-hydroxid FeO(OH). [1] Im folgenden Versuch sollen die Fe 3+ -Ionen im Rost nachgewiesen werden. Versuch 1: Eisennachweis [2] Reagenzglas, Becherglas, Pipette Rost, verdünnte Salzsäure HCl, Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung K 4 [Fe(CN) 6 ] In einem Reagenzglas wird etwas Rost in verdünnter HCl gelöst. Anschließend wird etwas K 4 [Fe(CN) 6 ] Lösung zugegeben. Es entsteht ein tiefblauer Niederschlag. Rost löst sich in Salzsäure gemäß folgender Gleichung: FeO(OH) + 3 H + Fe H 2 O Die Zugabe des K 4 [Fe(CN) 6 ] zu der Fe 3+ -Lösung bewirkt die Bildung eines gemischt valenten Komplexes. Es bildet sich das sogenannte Berliner Blau. +III +II +III +II 4 Fe [Fe(CN) 6 ] 4- Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 tiefblau Die intensive Farbe ist auf das Vorhandensein zweier Oxidationsstufen des gleichen Elementes in einer Verbindung zurückzuführen. 1

Als Korrosion hingegen wird die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung bezeichnet. Es handelt sich um eine von der Oberfläche ausgehende Zerstörung des entsprechenden Metalls.

2 2. Der Korrosionsprozess Man unterscheidet zwei Arten der Korrosion: a) Sauerstoffkorrosion: Sauerstoff als Oxidationsmittel [1, 3] Bei einer Sauerstoffkorrosion (Verwitterung des Eisens zu Rost) fungiert der Sauerstoff als Oxidationsmittel. Er nimmt Elektronen auf. In Abbildung 1 befindet sich auf einer Eisenoberfläche ein Wassertropfen, umgeben von Luft. Gemäß der Spannungsreihe der Elemente diffundieren Fe 2+ - Ionen in die wässrige Umgebung, die Elektronen hingegen verbleiben im Metall und laden es negativ auf. Ist Sauerstoff vorhanden, kann er den Transport der Elektronen übernehmen. Er diffundiert von außen in den Wassertropfen. Der Konzentrationsunterschied des Sauerstoffs im Wassertropfen erzeugt eine Potentialdifferenz zwischen den Bereichen 2 und 3. Der anodische Bereich (2) und der kathodische Bereich (3) bildet mit dem Wasser als Elektrolyten eine galvanische Zelle. Es läuft somit eine Redoxreaktion ab. [1, 3] Oxidation: Fe Fe e - Reduktion: ½ O 2 + H 2 O + 2e - 2 OH - Gesamtgleichung: Fe + ½ O 2 + H 2 O Fe(OH) 2 Abb. 1 Modell zur Sauerstoffkorrosion [1] Das entstehende Eisen(II)-hydroxid wird anschließend durch den vorhandenen Sauerstoff zu Eisen(III)-hydroxid weiter oxidiert. Durch Wasserabgabe bildet sich letztlich Eisen(III)-oxid-hydroxid (Rost). 2 Fe(OH) 2 + ½ O 2 + H 2 O Fe(OH) 3 Fe(OH) 3 FeO(OH) + H 2 O b) Säurekorrosion: Protonen als Oxidationsmittel [1] Bei einer Säure- oder Wasserstoffkorrosion entziehen die Protonen der Säure dem Metall Elektronen. Die Protonen reagieren hierbei zu Wasserstoff, da sie die Elektronen des Metalls aufnehmen. Oxidation: Fe Fe 2+ Reduktion: 2 H e - H 2 Gesamtgleichung: Fe + 2 H + Fe 2+ + H 2 Im folgenden Versuch sollen nun die verschiedenen Einflüsse auf den Rostprozess sowie Faktoren des Korrosionsvorganges näher untersucht werden. [1] 2

Gemäß der Spannungsreihe der Elemente diffundieren Fe 2+ - Ionen in die wässrige Umgebung, die Elektronen hingegen verbleiben im Metall und laden es negativ auf.

3 Versuch 2: Der Rostprozess [1, 3] Reagenzgläser, Reagenzglasständer Eisennägel, Wasser H 2 O, Salzsäure HCl, Natriumhydroxid NaOH, Natriumchlorid-Lösung NaCl, Öl In sechs Reagenzgläser wird je ein Eisennagel gegeben. Anschließend werden die Gläser folgendermaßen befüllt: Ansatz 1 Ansatz 2 Ansatz 3 Ansatz 4 Ansatz 5 Ansatz 6 - Wasser HCl NaCl-Lösung NaOH Öl Nach einiger Zeit lassen sich folgende Beobachtungen treffen: Ansatz 1: keine Veränderung Ansatz 2: Rostbildung Ansatz 3: Nagel beginnt sich unter Gasentwicklung aufzulösen Ansatz 4: starke Rostbildung Nagel rostet stärker als in Ansatz 2 Ansatz 5: keine Veränderung Ansatz 6: keine Veränderung Ansatz 1: keine Rostbildung Fehlen von Wasser, nur Sauerstoff vorhanden Ansatz 2: Sauerstoffkorrosion am Eisennagel Wasser und Sauerstoff vorhanden Ansatz 3: Säurekorrosion am Eisennagel (s. 2b) Ansatz 4: starke Sauerstoffkorrosion am Eisennagel durch die Anwesenheit von Salzen wird die Leitfähigkeit des Wassers erhöht Ionen können schneller wandern Ansatz 5: Passivierung durch NaOH keine Korrosion Ansatz 6: Passivierung durch Öl Wasser und Sauerstoff können nicht an den Nagel gelangen 3. Rostschutz a) Fernhalten von Feuchtigkeit: b) Fernhalten von Sauerstoff: c) Eisenlegierungen: z. B. rostfreier Stahl (Fe-Cr-Legierung mit Cr-Anteil von mindestens 12 %) d) Schutzschichten: Fette Lacke Metalle (z. B. Verchromen, Verzinken, Verzinnen) [4-6] le Schwermetalloxide (z. B. Mennige Pb 3 O 4 )) 3

Anschließend werden die Gläser folgendermaßen befüllt: Ansatz 1 Ansatz 2 Ansatz 3 Ansatz 4 Ansatz 5 Ansatz 6 - Wasser HCl NaCl-Lösung NaOH Öl Nach einiger Zeit lassen sich folgende Beobachtungen

4 e) Lokalelemente (Opferanoden) [7] Als Opferanode bezeichnet man ein Stück unedles Metall, das zum Korrosionsschutz von Funktionsteilen anderer Metalle (insbesondere Eisen/Stahl) eingesetzt wird. Das zu schützende Metall wird mit der Opferanode leitend verbunden. Es entseht ein galvanisches Element, wobei das zu schützende, edlere Metall als Kathode, das unedlere als Anode fungiert. Anstatt des zu schützenden Metalls gibt nun das Opferanoden-Metall seine Elektronen an den Sauerstoff ab und wird somit oxidiert. Als Elektrolyt dient wiederum Wasser, welches den Transport der Ionen ermöglicht und den Stromkreis schließt. Die Opferanode wird mit der Zeit verbraucht und muss somit erneuert werden, damit der Korrosionsschutz erhalten bleibt. [7] Versuch 3: Rostschutz [5, 7, 8] Petrischalen Wasser, Eisennägel, feuerverzinkter Eisennagel, Lack, Magnesiumband, Kupferdraht In fünf Petrischalen wird jeweils etwas Wasser gegeben. Anschließend werden sie folgendermaßen befüllt: Ansatz 1 Ansatz 2 Ansatz 3 Ansatz 4 Ansatz 5 Eisennagel feuerverzinkter lackierter Eisennagel Eisennagel Nach einiger Zeit lassen sich folgende Beobachtungen treffen: Ansatz 1: Rostbildung Ansatz 2: keine Veränderung des Nagels Ansatz 3: keine Veränderung des Nagels Ansatz 4: keine Veränderung des Nagels Ansatz 5: starke Rostbildung Eisennagel mit Magnesiumband umwickelt Eisennagel mit Kupferdraht umwickelt Ansatz 1: Sauerstoffkorrosion Ansatz 2: Keine Sauerstoffkorrosion möglich durch Schutzschicht aus Zink Ansatz 3: Keine Sauerstoffkorrosion möglich durch Schutzschicht aus Lack Ansatz 4: Keine Rostbildung am Eisennagel durch Kontakt mit Magnesiumband unedleres Magnesiumband wirkt als Opferanode und wird anstatt des Eisens oxidiert Ansatz 5: starke Rostbildung am Eisennagel durch Kontakt mit Kupferdraht das unedlere Eisen fungiert hierbei als Opferanode für das Kupfer 4

Anstatt des zu schützenden Metalls gibt nun das Opferanoden-Metall seine Elektronen an den Sauerstoff ab und wird somit oxidiert.

5 4. Entfernen von Rost Zum Entfernen von bestehendem Rost werden sogenannte Rostumwandler eingesetzt. Diese Substanzen können jedoch den Rost nicht wieder in Eisen zurück überführen. Die behandelten Oberflächen werden somit nicht wieder metallisch glänzend, sondern eher matt grau. Versuch 4: Entfernen von Rost / Rostschutz durch Verbindungsbildung [9, 10] Reagenzgläser Phosphorsäure H 3 PO 4, Cola (stark verdünnte Phosphorsäure), verrostete Eisennägel Durchführung : In zwei Reagenzgläser wird je ein verrosteter Eisennagel gegeben. Anschließend wird das eine mit Phosphorsäure (Ansatz 1), das andere mit Cola (Ansatz 2) befüllt. Nach einiger Zeit erkennt man, dass in beiden Ansätzen der Rost allmählich entfernt wird. Schneller verläuft der Prozess im Ansatz 1. Die Phosphorsäure im Ansatz 1 entfernt den Rost aufgrund ihrer größeren Konzentration sehr viel schneller als die in der Cola enthaltene stark verdünnte Phosphorsäure von Ansatz 2. Dies geschieht gemäß folgender Gleichung: FeO(OH) + H 3 PO 4 FePO H 2 O Es bildet sich eine Schutzschicht aus Eisenphosphat. 5. Lehrplanbezug [11, 12] 9. Klasse Naturwissenschaftlich-Technologisches Gymnasium: C NTG 9.5 Elektronenübergänge 10. Klasse Sprachliches Gymnasium, Musisches Gymnasium, Wirtschafts- und Sozialwissenschaftliches Gymnasium: C 10.3 Elektronenübergänge 6. Quellenverzeichnis [1] (Stand: ) [2] G. Jander, E. Blasius: Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum, 8. Auflage, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1968, S [3] C. E. Mortimer, U. Müller: Chemie: Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, Georg Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003, S [4] (Stand: ) [5] (Stand: ) [6] (Stand: ) [7] (Stand: ) [8] (Stand: ) [9] (Stand: ) [10] H. R. Christen, G. Meyer: Allgemeine und Anorganische Chemie, Band 2, 1. Auflage, Otto Salle-Verlag GmbH & Co, Frankfurt am Main, Verlag Sauerländer AG, Aarau, 1995, S [11] (Stand: ) [12] (Stand: ) 5

Versuch 4: Entfernen von Rost / Rostschutz durch Verbindungsbildung [9, 10] Reagenzgläser Phosphorsäure H 3 PO 4, Cola (stark verdünnte Phosphorsäure), verrostete Eisennägel Durchführung : In zwei

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