Rost und Rostschutz. Beobachtung: Nach wenigen Momenten steigt das Wasser im Glasröhrchen an.

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvortrag im Wintersemester 2010/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Forster, Robert und Deinhard, Stefanie Rost und Rostschutz 1. Definition Als Rost bezeichnet man das Korrosionsprodukt, das aus Eisen oder Stahl durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasser entsteht. [1] Versuch 1: Der Rostvorgang [2,3] Reagenzglas Gewinkeltes Glasrohr Kristallisierschale Stativ mit Klemme Gummistopfen mit Loch Methylenblau Eisenwolle (Fe) Filterpapier Wasser Abb. 1 Versuchsaufbau zum Rosten von Eisenwolle In die Kristallisierschale wird Wasser eingefüllt und dieses mit Methylenblau angefärbt. Die Eisenwolle gibt man auf ein angefeuchtetes Filterpapier und schiebt es in das Reagenzglas. Wie in Abb. 1 dargestellt, wird das Reagenzglas mit dem Gummistopfen verschlossen und das eine Ende des Glasrohrs hineingesteckt. Das andere Ende des Glasrohrs taucht in das Becherglas mit dem gefärbten Wasser ein. Nach wenigen Momenten steigt das Wasser im Glasröhrchen an. Das feuchte Eisen rostet und verbindet sich dabei mit dem Sauerstoff. Der sich dadurch bildende Unterdruck im Reagenzglas folgt dazu, dass das Wasser nach oben gezogen wird. Oxidation: Fe Fe e 2 Reduktion: O H 2 O + 4 e 4 OH Redoxreaktion: 2 Fe + O H 2 O 2 Fe(OH) 2 Die Reaktion ist noch nicht abgeschlossen. Das Eisen(II) hydroxid reagiert mit Sauerstoff zu Eisen(III) oxid hydroxid. 4 Fe (OH) 2 + O 2 4 FeO(OH) + 2 H 2 O 1

2 5 2. Der Rostvorgang Wasser O 2 Fe 2+ Eisen Abb. 2 Schematische Darstellung der Bildung von Rost [4] Es handelt sich hierbei im Primärvorgang um die sogenannte Sauerstoffkorrosion. In Gegenwart von Wasser wird Eisen durch Sauerstoff oxidiert. Der Sauerstoff entzieht dem Metall Elektronen, wirkt somit also als Oxidationsmittel, das heißt er selbst wird reduziert. Es findet eine Redoxreaktion statt [1] Gleichung siehe Versuch 1 Versuch 2: Beschleunigende und nicht förderliche Bedingungen für Rost [1, 5, 6] 6 Reagenzgläser 6 Eisennägel H 2 O, Wasser (destilliert und aus der Leitung) Natriumchlorid (Kochsalz) HCl (2 molar), verdünnte Salzsäure NaOH (1 molar), verdünnte Natronlauge Abb. 3 Versuchsaufbau zu förderlichen bzw. nicht fördernden Bedingungen des Rostens In jedes der 6 Reagenzgläser wird ein Eisennagel gegeben und gemäß der Abb. 3 befüllt. Die Reagenzgläser werden eine Woche lang stehen gelassen. Reagenzglas 1: Reagenzglas 2: Reagenzglas 3: keine Veränderung des Nagels leichte Rostbildung etwas stärkere Rostbildung als beim destilliertem Wasser 2

3 Reagenzglas 4: noch stärkere Rostbildung als im Reagenzglas 3 Reagenzglas 5: Der Nagel beginnt sich unter Gasbildung aufzulösen Reagenzglas 6: keine Veränderung des Nagels Reagenzglas 1: Reagenzglas 2: Reagenzglas 3: Reagenzglas 4: Reagenzglas 5: Reagenzglas 6: kein Wasser vorhanden nach längerer Zeit allerdings Rostbildung aufgrund der Wassertröpfchen aus der Luft Sauerstoff und Wasser vorhanden, aber nur wenige Ionen Sauerstoffkorrosion am Nagel Ionen aus dem Leitungswasser beschleunigen den Rostvorgang Natrium und Chloridionen erhöhen die Leitfähigkeit im Wasser und verstärken somit den Rostvorgang Säurekorrosion am Eisennagel Bildung einer schützenden Oxid Schicht Passivierung durch NaOH 3. Rostschutz Um den Rostvorgang zu stoppen bzw. einzudämmen, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, z. B.: Das Fernhalten von Sauerstoff Das Fernhalten von Feuchtigkeit Verwendung einer Opferanode Die Verwendung der Opferanode wird im folgenden Versuch erklärt. Versuch 3: Rostschutz [7] 3 Petrischalen Wasser 3 Eisennägel Magnesiumband Kupferdraht Opferanode Abb. 4 Versuchsaufbau zur Wirkungsweise der Wie man aus Abb. 4 entnehmen kann, wird ein Nagel mit Magnesiumband und der zweite mit Kupferdraht umwickelt und jeweils in eine, mit Wasser gefüllte, Petrischale gelegt. Der dritte Nagel wird in eine, mit Wasser gefüllte, Petrischale gelegt. Der Versuchsansatz wird 10 Tage stehen gelassen. Beobachtung und Nagel 1: 3

4 Es ist eine sehr geringe Rostbildung zu beobachten. Das Magnesiumband dient als Opferanode. Wegen der Länge des Versuchsansatzes kommt es dennoch zu einer Rostbildung. Nagel 2: Es ist eine sehr starke Rostbildung zu beobachten. Hier fungiert nicht das Kupfer, sondern das Eisen als Opferanode. Nagel 3: Es ist eine Rostbildung zu beobachten. Diese Rostbildung ist aufgrund der Sauerstoffkorrosion zu erklären. Die Opferanode spielt eine zentrale Rolle beim Rostschutz. Eine Opferanode ist ein unedles Metall, welches zum Korrosionsschutz dient. Hierbei fungiert das unedlere Metall als Anode, was zur Folge hat, dass es anstatt des edleren Metalls oxidiert wird. Dies ist zum Beispiel bei Magnesium der Fall, welches, im Gegensatz zum Eisen, oxidiert wird. 4. Rostentfernung Cola ist multifunktionsfähig. Ihr Koffein macht munter, sie hilft angeblich gegen Durchfallerkrankungen und zu viel davon macht dick. Doch Cola kann noch mehr: Sie ist nämlich noch dazu ein Rostschutzmittel. Folgender Versuch eignet sich auch sehr gut als Schülerexperiment für zu Hause. Versuch 4: Rostentfernung mit Cola [8] 1 verrosteter Eisennagel 1 Reagenzglas 20 ml Cola Man gibt den verrosteten Eisennagel in ein Reagenzglas, befüllt dieses bis zur Hälfte mit Cola und lässt es eine Woche lang stehen. Die Hälfte des Eisennagels, der eine Woche lang mit Cola bedeckt war, ist vom Rost befreit worden. Die Veränderung kann man in folgenden Abbildungen gut erkennen: Abb. 8 Nagel vor dem Versuch Abb. 9 Nagel nach dem Versuch Cola enthält neben Zitronensäure und dem Kohlenstoffdioxid auch Phosphorsäure. Während die Zitronen und die sprudelnde Kohlensäure den Rost lösen, wandelt die Phosphorsäure das Eisenoxid des Rostes in Eisenphosphat um: 4

5 FeO(OH) + H 3 PO 4 FePO H 2 O 5. Lehrplanbezug [9] In der Realschule wird das Thema Rost und Rostschutz nicht explizit erwähnt, kann aber folgendermaßen eingebaut werden: Zweig I (mathematisch, naturwissenschaftlich und technischer Bereich): Ch 8.5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung : Hier kann man insbesondere beim Thema Verbrennung Besondere Verbrennungserscheinungen Stille Oxidation in stark vereinfachter Form auf den Rostvorgang eingehen Ch 9.2 Redoxreaktionen als Elektronenübertragung : Schüler haben mehr Vorwissen und können dies besser zum Thema einbringen Zweig II/III (gesellschafts, wirtschaftswissenschaftlich und hauswirtschaftlich sozialer Bereich): Ch 9.5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung : siehe oben 6. Ouellenangaben [1] (Stand: ) [2] K. Häusler, H. Rampf, R. Reichelt: Experimente für den Chemieunterricht, 2. Auflage, Oldenbourg Schulbuchverlag GmbH, München, Düsseldorf, Stuttgart, 1991 (S. 82) H. Boeck, H. Keune: Chemische Schulexperimente, Band 3, Anorganische Chemie, zweiter Teil, 1. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Thun, Frankfurt/M. 1978, S. 231 [3] C. E. Mortimer, U. Müller: Das Basiswissen der Chemie, 9. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 2007, S. 371 [4] (Stand: ) [5] C. E. Mortimer, U. Müller: Das Basiswissen der Chemie, 10. Auflage, George Thieme Verlag, Stuttgart, 2010, S [6] H.R. Christen, G. Meyer: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie, Otto Salle Verlag GmbH & Co, Frankfurt am Main, 1997, S [7] (Stand: ) [8] 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 [9] Fach=41 (Stand: ) 5