VORANSICHT. Hinweise zur Didaktik und Methodik

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1 Anorganische und organische Überzüge: Hierzu zählt man Oxide, Phosphate, Silikate, le, Zement, Gummi, Kunststoffe, Lackierungen und Anstriche. Metallische Überzüge: Das zu schützende Metall kann mit einer Schicht edleren oder unedleren Metalls überzogen werden. Beispiele sind das Verkupfern oder Verzinken von Eisen. Passivierung, bei dem das zu schützende Metall mit einem anderen Metall überzogen wird, das eine passivierende Oxidschicht bildet Hinweise zur Didaktik und Methodik Die beschriebene Unterrichtsreihe vereint Aspekte der Schüleraktivierung mit kooperativen Arbeitsformen. Zunächst erforschen die Schüler arbeitsteilig experimentell das Phänomen Rosten. In der nachfolgenden Phase des Austausches und Peer-Teachings erschließt sich für alle die Gesamtheit des Themas. Zum Einstieg werden die Schüler mit dem Phänomen Korrosion in einer ihnen bekannten Weise konfrontiert, indem sie die Fotos auf Folie M 1 betrachten. Über diese Bilder ergeben sich Assoziationen zum Phänomen Rost, wie sie ihn aus ihrem Alltag kennen. Es bleibt zu ergänzen, dass a) Korrosion mehr ist als nur Rosten bzw. Rosten nur ein Phänomen des Themas Korrosion ist und b) dass Korrosion ein ernstzunehmendes wirtschaftliches Problem darstellt (z. B. geht man davon aus, dass mehr als 4 % des Bruttosozialproduktes eines Landes durch Korrosion verloren gehen). Diese Reihe ist in die Phase 1: Korrosionsvorgänge und die Phase 2: Schutz vor Korrosion gegliedert. In der 1. Phase (M 2 M 4) sind die Beschreibungen der Experimente vorgegeben. Durch diese Experimente sollen die Schüler experimentell erforschen, welche elektrochemischen Vorgänge bei der Korrosion von Eisen stattfinden und welche Bedingungen den Korrosionsvorgang unterstützen. Zur Erklärung ihrer Beobachtungen müssen sie dabei ihr Wissen über Redoxvorgänge und ihre Kenntnisse über Formulierung elektrochemischer Gleichungen anwenden. Die Arbeitsweise ist dem Gruppenpuzzle, wie es im kooperativen Lernen angewendet wird, vergleichbar, nur führen die Schüler vor der Einzelarbeitsphase die Experimente in Gruppen (Gruppe A: M 2, Gruppe B: M 3, Gruppe C: M 4) durch. Die Auswertung des durchgeführten Experiments erfolgt dann in Einzelarbeit, bevor sich die Experten (die gemeinsam ein Experiment durchgeführt haben) zum Austausch treffen und ihre Ergebnisse vergleichen. Erst nach dieser Absicherung der Ergebnisse in der Expertengruppe wird von je einem Experten das Experiment und die dem Experiment zugrunde liegende Erklärung in der Stammgruppe vorgestellt. Nach dieser Vorstellungsrunde haben die Schüler die elektrochemische Sauerstoffkorrosion und die Bedingungen für diese Art der Korrosion kennengelernt. Mithilfe eines Informationstextes werden die Schüler mit anderen Formen der Korrosion konfrontiert und sie können ihr Wissen um Korrosion an anderen Metallen erweitern. In der 2. Phase sollen die Schüler nun selbst Ideen entwickeln, wie Eisen vor Korrosion geschützt werden könnte. Nach einer Sammlung von Vorschlägen erhalten die Schüler eine Art Interaktionsbox (M 6), in der sich Dinge wie Kupferdraht, Lack usw. befinden, also sinnvolle und weniger sinnvolle Dinge, die sich zur experimentellen Überprüfung der Vorschläge zum Korrosionsschutz verwenden lassen. Vor allem finden die Schüler in den Kästen die aus der 1. Phase bekannten Nachweischemikalien wieder, mit denen sich eine Korrosion bzw. eine Oxidation des Metalls zeigen lassen.

2 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit Fo = Farbfolie GBU = Gefährdungsbeurteilung # Die Gefährdungsbeurteilungen finden Sie auf CD 54. M 1 Fo Rost dekorative Kunst versus wirtschaftliche Schäden M 2 SV, Ab, GBU # Korrosion an einem galvanischen Element V: 30 min D: 2 3 Tage Eisen- bzw. Stahlnägel (unverzinkt) rotes Blutlaugensalz K 3 [Fe(CN) 6 ] Gelatine NaCl Phenolphthalein (w = 0,1 %) Wasser, dest. ggf. verdünnte Salzsäure oder verdünnte Natronlauge zur Korrektur des ph-wertes Kupferdraht d = ca. 0,5 mm Zinkdraht d = ca. 0,5 mm Petrischalen d = 100 mm (Kunststoff oder Glas) Spatel Becherglas 200 ml Heizplatte ph-papier Waage M 3 SV, Ab, GBU # Unter welchen Bedingungen rostet Eisen? V: 15 min D: 5 6 Tage Natriumchlorid für Kochsalzlösung Wasser, dest. rotes Blutlaugensalz K 3 [Fe(CN) 6 ] Phenolphthalein (w = 0,1 %) 5 Reagenzgläser 1 Reagenzglasständer 2 Gummistopfen Spatel Erlenmeyerkolben Brenner Dreifuß 5 Stahlbleche oder Eisenbzw. Stahlnägel (unverzinkt) M 4 SV, Ab, GBU # Rosten von Eisen elektrochemische Vorgänge V: 30 min D: 3 4 Tage Eisen- bzw. Stahlnägel (unverzinkt) ggf. verdünnte Salzsäure oder verdünnte Natronlauge zur Korrektur rotes Blutlaugensalz K 3 [Fe(CN) 6 ] Gelatine NaCl Phenolphthalein (w = 0,1 %) des ph-wertes Petrischalen d = 100 mm (Kunststoff oder Glas) Spatel Heizplatte ph-papier Becherglas 200 ml

3 Wasser, dest. Waage M 5 Ab Korrosionsvorgänge eine Übersicht M 6 SV, Ab, GBU # Interaktionsbox: Maßnahmen zum Korrosionsschutz V: 30 min D: 90 min Kupferdraht Magnesiumband Kupfersulfat-Lösung (w = 5 %) Zinkchlorid-Lösung (w = 5 %) Spülmittel Rostschutzfarbe Zinkfarbe Korrosionsindikator- Reagenz (siehe M 2 M 4) M 7 Ab Korrosionsschutz eine Übersicht Minimalplan Dinatriumhydrogenphosphat (oder Calgon) Verdünnung Phenolphthalein (w = 0,1 %) Eisen- bzw. Stahlnägel (unverzinkt) Petrischale d = 100 mm Akopad (Edelstahlschwamm) Becherglas Tiegelzange Pinsel Als Minimalprogramm bei großem Zeitmangel bietet sich an, nur die 1. Phase praktisch durchzuführen. Die Maßnahmen zum Schutz vor Korrosion lassen sich exemplarisch im Lehrerversuch oder sogar auch nur im Lehrervortrag vorstellen. Alternativ lässt sich die Unterrichtseinheit auf vier Stunden kürzen. Die Planung sieht dann wie folgt aus: 1. Stunde (M 1 M 4) 2. Stunde (M 5) 3. Stunde (M 6) 4. Stunde (M 7) Steigen Sie mit Farbfolie M 1 ein, geben Sie dann die Definition Gegenstand Stoff vor und gehen Sie direkt zu den Versuchen M 2 M 4 und lassen Sie die Schüler die Versuchsansätze machen. Die Schüler machen die Beobachtungen an vorbereiteten Ansätzen und formulieren die Erkenntnisse und die Redoxgleichungen. Das Zusammentragen der Ergebnisse erfolgt im Unterrichtsgespräch. Input und Kontrolle: M 5 Lassen Sie die Schüler die Versuche zum Korrosionsschutz nach den Versuchsvorschriften aus der Lösung zu M 6 durchführen. Zusammentragen der Ergebnisse zum Korrosionsschutz und Abschlussbesprechung und M 7 als Hausaufgabe. Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie hier.

4 M 1 Rost dekorative Kunst versus wirtschaftliche Schäden Fotos 1, 4, 6: Thinkstock/iStock, 2, 8: Manuela Eber-Koyuncu, 3: Renate Ruhwinkel, 5, 7:

5 M 3 Unter welchen Bedingungen rostet Eisen? Jeder weiß, dass Eisen rostet und dass dies vor allem geschieht, wenn das Eisen mit Wasser in Berührung kommt. Doch welche Bedingungen begünstigen genau das Rosten? Mit dem nachfolgendem Experiment werden Sie dies untersuchen. Hinweis: Der Korrosionsvorgang von Eisen geht mit der Bildung von Eisen-II- Ionen einher. (Die ebenfalls entstehenden Eisen-III-Ionen werden hier nicht betrachtet.) Die Fe 2+ -Ionen reagieren mit rotem Blutlaugensalz (K 3 [Fe(CN) 6 ]) unter Bildung eines blauen Komplexes (Berliner Blau bzw. Turnbulls Blau) und können so nachgewiesen werden. Entstehende Hydroxid-Ionen reagieren mit dem Indikator Phenolphthalein, was zu einer Rotfärbung führt. Schülerversuch: Unter welchen Bedingungen rostet Eisen? Vorbereitung: 15 min Chemikalien/Gefahrenhinweise Natriumchlorid für Kochsalzlösung Wasser, dest. Für die Nachweisreaktionen Durchführung: 10 min (Beobachtung nach 5 6 Tagen) Geräte 5 Reagenzgläser 1 Reagenzglasständer 5 Stahlbleche oder 5 Eisen- bzw. Stahlnägel (unverzinkt) 2 Gummistopfen Erlenmeyerkolben Brenner Dreifuß rotes Blutlaugensalz (K 3 [Fe(CN) 6 ]) Phenolphthalein (w = 0,1 %) Spatel Wasser, dest. Entsorgung: Alle Chemikalien werden in starker Verdünnung verwendet und können im Ausguss entsorgt werden. Versuchsdurchführung Säubern und entfetten Sie die Stahl- bzw. Eisennägel mit. Stellen Sie eine gesättigte Natriumchlorid-Lösung her. Stellen Sie 5 Reagenzgläser in den Reagenzglasständer und befüllen Sie diese wie im Versuchsaufbau angegeben. Lassen Sie die Ansätze 5 6 Tage stehen. Weisen Sie mithilfe des roten Blutlaugensalzes und des Phenolphthaleins nach, welche Stoffe beim Rosten entstanden sind, indem Sie die Flüssigkeit der Reagenzgläser, bei denen eine Reaktion zu beobachten ist, zur Hälfte mit Phenolphtalein und zur Hälfte mit rotem Blutlaugensalz versetzen.

6 Versuchsaufbau Reagenzglas 1 Stahl- bzw. Eisennagel an der Luft Reagenzglas 2 Stahl- bzw. Eisennagel im Wasser (Herstellung mit abgekochtem dest. Wasser), sauerstofffrei verschlossen Reagenzglas 3 Stahl- bzw. Eisennagel in belüftetem dest. Wasser (Kontakt zur Luft)

7 M 6 Interaktionsbox: Maßnahmen zum Korrosionsschutz Da die Korrosion und hier insbesondere das Rosten von Gegenständen oder Anlagen aus Eisen und Stahl wirtschaftlich beträchtliche Schäden anrichtet, sind Maßnahmen zum Korrosionsschutz von großer Bedeutung. Mit Ihrem Wissen über Korrosion, über die notwendigen Bedingungen und die ablaufenden elektrochemischen Vorgänge sollen Sie Ideen entwickeln, wie sich Korrosion verhindern oder verringern lässt. Diese Vorschläge sollen Sie anschließend mit den Materialien aus der Interaktionsbox auf ihre Machbarkeit hin experimentell überprüfen. Ob Korrosion stattfindet, können Sie mit den Nachweisreaktionen überprüfen, die Ihnen aus den vorangegangenen Experimenten zur Korrosion bekannt sind. Inhalt der Interaktionsbox Kupferdraht, Eisendraht Eisen- bzw. Stahlnägel Magnesiumband (unverzinkt) Kupfersulfat-Lösung (w = 5 %) Zinkblech 1 x 2 cm Petrischalen d = 100 mm Zinkchlorid-Lösung (w = 5 %) Akopad (Edelstahlschwamm) Spülmittel Becherglas Dinatriumhydrogenphosphat Tiegelzange Rostschutzfarbe Pinsel Zinkfarbe Korrosionsindikator-Reagenz (siehe M 2 M 4) Entsorgung: Reste der Kupfersulfatlösung in Behälter für Schwermetalllösungen. Entsorgung der Farbreste nach Anweisung auf dem Farbbehälter. Der Rest kann über den Hausmüll entsorgt werden. Thinkstock/iStock Aufgaben 1. Entwickeln Sie in Einzelarbeit einen Vorschlag zur Verhinderung von Korrosion an Eisen. 2. Tauschen Sie sich mit Ihren Tischpartnern über Ihre Vorschläge aus und einigen Sie sich auf einen guten Vorschlag. 3. Entwickeln Sie gemeinsam unter Einbeziehung der Materialien aus der Interaktionsbox ein überprüfendes Experiment. 4. Führen Sie das Experiment durch und protokollieren Sie die Durchführung sowie die Beobachtungen. 5. Bereiten Sie die Präsentation Ihres Experiments in der Gruppe vor (z. B. Folie, Plakat, Powerpoint-Präsentation) 6. Ein per Zufall bestimmtes Mitglied der Gruppe stellt der Lerngruppe das Experiment und das Ergebnis vor.

8 M 7 Korrosionsschutz eine Übersicht In der nachfolgenden Tabelle sind in der ersten Spalte verschiedene Maßnahmen zum Korrosionsschutz aufgeführt. In der zweiten Spalte werden Erklärungen gegeben, inwiefern bestimmte Maßnahmen Korrosion verhindern oder vermindern. Maßnahme zum Korrosionsschutz Erklärung der Schutzwirkung Bestandteile von Rostschutzfarbe sind beispielsweise Phosphorsäure und Zink. Verzinkungen auf Stahl und Eisen wirken wie eine Opferanode und schützen Eisenteile vor Korrosion. Durch die enthaltene Phosphorsäure entsteht eine schwerlösliche Metallphosphatschicht, die gut auf dem Metall haftet und einen guten Schutz vor Korrosion bietet. Das Auftragen von Rostschutzfarbe mit zugesetztem Zinkpulver stellt eine besonders effektive Lösung zum Korrosionsschutz dar, da hier zusätzlich eine Schicht aufgetragen wird, die als Opferanode wirken kann. Dinatriumhydrogenphosphat (Na 2 HPO 4 ) wirkt als Inhibitor, der durch die Bildung großer kolloidaler Kationen, die zur Kathode wandern und dort entladen werden, dicke schützende Überzüge auf dem Metall bildet. Diese Überzüge verhindern oder verlangsamen die Korrosion. Aktiver Korrosionsschutz = aks, passiver Korrosionsschutz = pks Neben Dinatriumhydrogenphosphat gibt es noch eine Reihe anderer inhibitorisch wirkender Substanzen. Dies sind sowohl organische als auch anorganische Anionen, Kationen oder neutrale Moleküle. Eisen und Zink bzw. Magnesium bilden ein galvanisches Element, bei dem das unedlere Metall, hier Zink bzw. Magnesium, Elektronen abgibt. Dadurch wird die Korrosion des Eisens verhindert. Ein Überzug aus Kupfer schützt den Nagel vor Korrosion, da Luft und Feuchtigkeit nicht an das Eisen gelangen können und damit keine Korrosionsvorgänge stattfinden. Wichtig ist, dass der Überzug dicht ist, da es sonst zum Lochfraß kommt. Durch das Bestreichen des Nagels mit Zinkfarbe wird zum einen erreicht, dass Luft und Feuchtigkeit nicht an das Eisen gelangen können. An Stellen, an denen der Zinküberzug verletzt wird, reagiert das Zink als Opferanode und geht in Lösung, wogegen das darunter liegende Eisen nicht korrodiert.

9 Erläuterungen und Lösungen Erläuterung (M 1) Die Folie dient als Einstieg ins Thema Korrosion. Die Bilder zeigen das Phänomen Rost von der künstlerischen Seite (Fotos 2, 3, 5 und 7), weisen aber auch auf die wirtschaftliche Problematik der Zerstörung von Material hin (Fotos 1, 4, 6 und 8). Erläuterung (M 2) Die Korrosion an einem galvanischen Element bietet einen direkten Bezug zu den Themen im Bereich Elektrochemie, die die Schüler vorher behandelt haben. Insofern müsste es den Schülern gelingen, die bei der Korrosion ablaufenden Vorgänge mithilfe der Nachweisreaktionen zu erschließen und die Redoxgleichungen weitgehend richtig zu formulieren. Lediglich die genaue chemische Zusammensetzung von Rost muss vorgegeben werden. Lösungen (M 2) Zu 1.: Eisennagel mit Kupferdraht umwickelt: An dem mit Kupferdraht umwickelten Eisennagel ist kein Rost zu erkennen. Allerdings ist um den Eisennagel eine Blaufärbung zu beobachten. Dort, wo der Eisennagel mit Kupferdraht umwickelt ist, färbt sich die Gelatine rot. Die Blaufärbung entsteht durch die Bildung von Berliner Blau und die Rotfärbung weist auf die Entstehung von OH -Ionen hin. Der Eisennagel korrodiert. Eisennagel mit Zinkdraht umwickelt: Um den Eisennagel ist keine Blaufärbung zu beobachten. Im Bereich des Zinkdrahtes wird eine weißliche Färbung sichtbar. Zu 2.: Eisennagel mit Kupferdraht umwickelt: Durch die Verbindung der beiden unterschiedlich edlen Metalle Kupfer und Eisen entsteht ein galvanisches Element. Da die beiden Metalle durch die Gelatine und die in ihr enthaltenen Ionen und das Wasser leitend verbunden sind, kommt es zum Austausch von Elektronen. Dabei geht das unedlere Metall, in diesem Fall Eisen, als Ion in Lösung. Die dabei entstehenden Elektronen werden vom Sauerstoff aufgenommen, wobei Hydroxidionen entstehen. Anodenreaktion: Fe Fe e Kathodenreaktion: ½ O e + H 2 O 2 OH Gesamtreaktion: Fe + H 2 O + ½ O 2 Fe(OH) 2 Eisennagel mit Zinkdraht umwickelt: Da Zink unedler ist als Eisen, fungiert hier das Eisen als Kathode und Zink als Anode. Daher gehen Zinkionen in Lösung und es entsteht ein Niederschlag aus weißem Zinkoxid. Anodenreaktion: Zn Zn e Kathodenreaktion: ½ O e O 2 Gesamtreaktion: Zn + O 2 ZnO Zu 3.: Die Reaktionen verlaufen unterschiedlich, da einmal das Eisen mit einem edleren Metall (Kupfer) und einmal mit einem unedleren Metall (Zink) verbunden ist. In jedem Fall entsteht ein galvanisches Element, bei dem im ersten Fall (Eisen-Kupfer) das Eisen als Anode wirkt und in Lösung geht. Im zweiten Fall (Eisen-Zink) wirkt das Eisen als Kathode und das unedlere Metall (Zink) geht als Anode in Lösung.

10 Erläuterung (M 3) Hinweis: Für Versuchsaufbau 2 und 4 muss das Wasser abgekocht sein, da es keinen gelösten Sauerstoff enthalten soll. Die beschriebenen Beobachtungen sind gut nachzuvollziehen und auch die Erklärung, dass zum Rosten von Eisen Wasser und Sauerstoff nötig sind, erschließt sich den Schülern schnell. Lediglich bei der Deutung der Vorgänge sind Probleme zu erwarten, da die Schüler mithilfe der Nachweisreaktionen lediglich erfahren, dass OH - und Fe 2+ -Ionen entstehen. Damit sind als Redoxvorgänge die Oxidation des Eisens zu Fe 2+ und die Reduktion von Sauerstoff zu O 2- erklärbar. Also: Fe Fe e ½ O 2 + 2e O 2 Oxidation Reduktion Zu erwarten ist, dass die meisten Schüler in der Lage sind, zu schlussfolgern, dass die entstehenden Sauerstoffionen mit dem anwesenden Wasser zu OH reagieren. O 2 + H 2 O 2 OH Lösungen (M 3) Zu 1.: Reagenzglas 1 Stahl- bzw. Eisennagel an der Luft keine Veränderung zu beobachten Reagenzglas 2 Stahl- bzw. Eisennagel im Wasser (Herstellung mit abgekochtem dest. Wasser), sauerstofffrei verschlossen keine Veränderung zu beobachten