Rost und Rostschutz. Korrosion von Metallen: Der Versuch zum Rostvorgang [2-4]

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie - Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvortrag im Wintersemester 2011/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Arthur Hellinger, Klemens Michl Rost und Rostschutz Korrosion von Metallen: Man versteht unter Korrosion eines Metalls dessen Zerstörung durch chemische Einflüsse (corrodere lat. = zernagen, zerfressen). Das Metall wird dabei stets zu Metallionen oxidiert, die anschließend in mannigfacher Weise weiter reagieren können und dadurch verschiedenartige Korrosionsprodukte ergeben. Eine solche Oxidation kann durch direkte chemische Reaktion des Metalls mit einer aggressiven Substanz erfolgen: Rosten von Eisen [1] Der Versuch zum Rostvorgang [2-4] ein Reagenzglas passender Gummistopfen mit Loch gewinkeltes Glasrohr Stativ / Befestigungsklemmen Filterpapier Kristallisierschale Wasser Eisenwolle (Fe) (Färbemittel für Wasser z. B. Tinte) Abb. 1 Versuchsaufbau für den Rostvorgang von Eisenwolle Durchführung: Man befüllt die Kristallisierschale zunächst mit Wasser, das noch mit Tinte angefärbt werden kann, um im späteren Verlauf des Versuches ein besseres Beobachtungsresultat zu erhalten. Die Eisenwolle wird auf ein angefeuchtetes Filterpapier gegeben und in das Reagenzglas vorsichtig geschoben, das daraufhin mit einem passenden Gummistopfen, in dem das gewinkelte Glasrohr steckt, verschlossen wird. Das nun verschlossene Reagenzglas wird mit Hilfe eines Stativs und entsprechenden Klammern in einer Höhe befestigt, in der der lange Schenkel des gewinkelten Glasrohres in das Wasser der Kristallisierschale eintauchen kann. (s. Abb. 1) Beobachtung: Nach einiger Zeit kann beobachtet werden, dass das Wasser im Glasrohr ansteigt. 1

2 Erklärung: Die angefeuchtete Eisenwolle oxidiert, während der Sauerstoff reduziert wird. In der daraus folgenden Redoxreaktion verbindet sich das Eisen mit dem Sauerstoff zu Eisen(II)-hydroxid. Dieses oxidiert mit Sauerstoff weiter zu Eisen(III)-oxid-hydroxid (es rostet!). Durch den Sauerstoffverbrauch entsteht ein Unterdruck im Reagenzglas, was zu Folge hat, dass das Wasser im gewinkelten Glasrohr ansteigt. Reaktionsgleichung: Oxidation: Fe Fe e - x2 Reduktion: O H 2 O + 4 e - 4 OH - Redoxreaktion: 2 Fe + O H 2 O 2 Fe(OH) 2 Eisen(II)-hydroxid Das Eisen(II)-hydroxid wird im Weiteren mit Sauerstoff zu Eisen(III)-oxidhydroxid oxidiert. 4 Fe(OH) 2 + O 2 4 FeO(OH) + 2 H 2 O Eisen(III)-oxidhydroxid (FeO(OH)) wird als Rost bezeichnet! Es wird deutlich, dass Wasser und Sauerstoff zum Rosten erforderlich sind, was auch der nächste Versuch unterstreicht. Rostfördernde und rosthemmende Bedingungen [1, 3, 5, 6] fünf Reagenzgläser Reagenzglasständer fünf Eisennägel destilliertes Wasser Kochsalzlösung (NaCl) 2-molare Salzsäure (HCl) Olivenöl Abb. 2 Versuchsaufbau für rostfördernde und rosthemmende Bedingungen Durchführung: Zunächst lässt man vorsichtig die Eisennägel in die Reagenzgläser gleiten und befüllt sie wie folgt: Reagenzglas 1: mit Luft (also leer lassen) Reagenzglas 2: mit destilliertem Wasser Reagenzglas 3: mit Kochsalzlösung (NaCl) Reagenzglas 4: mit 2-molarer Salzsäure (HCl) Reagenzglas 5: Olivenöl Die befüllten Reagenzgläser werden für eine Woche in einen Reagenzglasständer gegeben. 2

3 Beobachtung: Reagenzglas 1: Reagenzglas 2: Reagenzglas 3: Reagenzglas 4: Reagenzglas 5: Erklärung: Reagenzglas 1: Reagenzglas 2: Reagenzglas 3: Reagenzglas 4: Reagenzglas 5: keine sichtbare Rostbildung innerhalb einer Woche Rostbildung ist nicht zu erkennen starke Rostbildung sehr starke Rostbildung, Wasserstoffbildung keine Rostbildung In der Luft ist zu wenig Wasser in Form von Wasserdampf vorhanden Ionenfreies Wasser, Rostvorgang wird verlangsamt Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen erhöhen die Leitfähigkeit des Wassers und beschleunigen den Rostvorgang Sauerstoffkorrosion + Säurekorrosion am Eisennagel Bildung einer Schutzschicht, die weder Wasser, noch Luft durchdringen Rostschutz [1, 2, 7] Abb. 3 Versuchsaufbau zum Rostschutz fünf Petrischalen drei Eisennägel ein verzinkter Eisennagel (s. Petrischale 2 der Abb. 3) ein Eisennagel vermessingt (s. Petrischale 1 der Abb. 3) Kupferband (Cu) Magnesiumband (Mg) Wasser 3

4 Durchführung: Es werden die Petrischalen mit Wasser befüllt und die verschiedenen Nägel in je eine Petrischale gelegt. Zwei von den Eisennägeln präpariert man zuvor noch, wobei man den einen Eisennagel mit einem Kupferband (Petrischale 5) und den anderen mit einem Magnesiumband (Petrischale 4) umwickelt (s. Abb. 3). Der Versuchsansatz wird über eine längere Dauer, ca. eine Woche, stehen gelassen. Beobachtung: Petrischale 1: Beim vermessingten (Legierung mit den Hauptbestandteilen Kupfer und Zink) Eisennagel entdeckt man keinen Rost Petrischale 2: Der verzinkte Eisennagel weist keinen Rost auf. Petrischale 3: Es ist eine Rostbildung festzustellen. Petrischale 4: Es ist eine kaum sichtbare Rostbildung zu erkennen. Petrischale 5: Man kann eine sehr starke Rostbildung wahrnehmen. Erklärung: Petrischale 1: Das Messing dient als Schutzschicht. Petrischale 2: Auch der metallische Zinküberzug weist keinen Rost auf. Petrischale 3: Die Sauerstoffkorrosion tritt ein (s. Versuch 1) Petrischale 4: Das Magnesiumband, das um den Nagel gewickelt ist, dient hier als so genannte Opferanode, wobei das Eisen als Kathode fungiert; dies wirkt seiner Auflösung entgegen. Petrischale 5: Hier dient das Eisen als Opferanode, da Kupfer das edlere Metall ist. Die Opferanode: Zum Schutz von Eisengegenständen im Erdreich (Rohrleitungen, Tanks) verwendet man Opferanoden aus unedlen Metallen wie Magnesium oder Zink. Die Opferanode wird neben dem Eisenobjekt vergraben und elektrisch leitend damit verbunden. Das unedle Metall wirkt als Anode und wird oxidiert, während das Eisen intakt bleibt. Die Opferanode verbraucht sich dabei und muss von Zeit zu Zeit ersetzt werden. [3] Lehrplanbezug [8] Das Thema Rost und Rostschutz kann in der Jahrgangsstufe 8 beim Thema 5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung behandelt werden. Da die Schüler zu diesem Zeitpunkt nicht viel Vorwissen in Bezug auf dieses Thema haben, muss es in reduzierter Form besprochen werden. Eine weitere Möglichkeit Rost und Rostschutz einzubringen, würde sich in der Jahrgangsstufe 9/I im Thema 2 Redoxreaktionen und in Jahrgangsstufe 9/II III im Thema 5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung ergeben. Der Schüler erkennt, dass Chemie nicht nur im Labor stattfindet, sondern auch eine wichtige Rolle im Alltag einnimmt. 4

5 Quellangaben [1] H. R. Christen: Grundlagen der Allgemeinen und Anorganischen Chemie, Otto Salle Verlag, Frankfurt am Main, Sauerländer Verlag, Aarau, Frankfurt am Main, Salzburg, 1988, S [2] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, New York, 2007, S [3] C. E. Mortimer, U. Müller: Das Basiswissen der Chemie, 10. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart, 2010, S. 371 [4] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: Sabrina Schröpf, Barbara Strenge; Rost und Rostschutz, , Wintersemester 2009/2010, Regensburg, s. auch: S. 1 [5] T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten: Chemie. Die zentrale Wissenschaft, 10. Auflage, Pearson Studium, München [u.a.], 2007, S [6] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: Robert Forster, Stefanie Deinhard; Rost und Rostschutz, , Wintersemester 2010/2011, Regensburg, s. auch: S. 2 [http://de.wikipedia.org/wiki/rost (Stand: ) [7] Demonstrationsvortrag in Anorganischer Chemie: Robert Forster, Stefanie Deinhard; Rost und Rostschutz, , Wintersemester 2010/2011, Regensburg, s. auch: S. 3 (Stand: ) [8] S. 329, 428, 431 (Stand ) 5

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