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Rost
Als Rost bezeichnet man das Korrosionsprodukt, das aus Eisen oder Stahl durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasser entsteht. Rost ist porös und …
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Was Rost ist und warum er schädlich ist
Rost ist das Korrosionsprodukt von Eisen oder Stahl. Er entsteht durch Oxidation mit Sauerstoff in Gegenwart von Wasser. Im Unterschied zu den Oxidschichten etwa von Chrom, Aluminium oder Zink ist Rost porös und schützt die Metalloberfläche nicht vor weiterer Zersetzung. Seine lockere Struktur lässt Wasser und Sauerstoff weiter zum Metall gelangen.
Chemisch ist Rost ein wasserhaltiges Oxid des Eisens, also ein Oxidhydrat mit Wasser und Hydroxidionen. Seine allgemeine Summenformel lautet: x Fe(II)O · y Fe₂(III)O₃ · z H₂O, wobei x, y und z positive Verhältniszahlen sind. Rost besteht demnach aus Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid und Kristallwasser.
Beim Rosten nehmen Masse und Volumen des Materials zu. Die Volumenzunahme erzeugt Spannungen, sodass Rostschichten abplatzen können. Bei Betonstahl schützt zunächst das alkalische Betonmilieu mit pH > 12 durch eine Passivschicht, also eine schützende Oberflächenschicht. Durch Carbonatisierung kann der pH-Wert jedoch so weit sinken, dass diese Schicht verschwindet. Gelangen dann Wasser und Luft zum Stahl, rostet er. Der sich ausdehnende Rost kann Beton aufsprengen; dadurch dringen Wasser und Luft noch leichter ein und beschleunigen den Zerfall.
Elektrochemische Entstehung von Rost
Korrosion von Eisen kann durch Säuren oder durch Sauerstoff und Wasser beginnen. Bei der Säurekorrosion, auch Wasserstoffkorrosion, nehmen Protonen H⁺ Elektronen vom Metall auf. Eisen wird dabei zu Eisen(II)-Kationen oxidiert:
Fe ⇌ Fe²⁺ + 2 e⁻
Die Protonen werden zu Wasserstoffgas reduziert. Die Gesamtreaktion lautet:
Fe + 2 H⁺ ⇌ Fe²⁺ + H₂
Bei der Sauerstoffkorrosion wirkt Sauerstoff als Oxidationsmittel, das Elektronen aufnimmt. Auf einer Eisenoberfläche unter einem Wassertropfen gehen positiv geladene Eisenionen in das Wasser über, während die Elektronen im Metall verbleiben. Sauerstoff- und luftfreies Wasser greift Eisen nicht an, weil die negative Metallladung und die Schicht positiver Eisenionen eine schnelle Reaktion mit Protonen verhindern.
Diffundiert Sauerstoff in den Wassertropfen, entsteht wegen seiner unterschiedlichen Konzentration eine Potenzialdifferenz. Anodischer und kathodischer Bereich bilden mit dem Wasser als Elektrolyten eine galvanische Zelle. An der Kathode entstehen Hydroxid-Ionen:
H₂O + ½ O₂ + 2 e⁻ → 2 OH⁻
Diese reagieren mit Eisenionen zu Eisen(II)-hydroxid. Dieses ist olivgrün bis graugrün. In Gegenwart von Wasser und Luft entsteht daraus rostbraunes Eisen(III)-hydroxid:
2 Fe²⁺ + 4 OH⁻ + ½ O₂ + H₂O → 2 Fe(OH)₃
Vereinfacht lautet die Gesamtreaktion:
2 Fe + 3/2 O₂ + 3 H₂O → 2 Fe(OH)₃
Durch Wasserabgabe entstehen schwerlösliches Eisen(III)-oxid-hydroxid und schließlich die typische Mischung der Eisenoxide mit Kristallwasser. Die Bildung von Rost kommt an der Grenzfläche zwischen Rost und Metall nicht zum Stillstand, weil feuchter Rost elektrisch leitfähig und für Sauerstoff durchlässig ist.
Besondere Formen und beschleunigende Einflüsse
Bei Sauerstoffmangel oxidiert Eisen zu Eisen(II)-Oxid FeO oder Magnetit Fe₃O₄. Diese Oxide sind schwarz, im Gegensatz zum typischen roten Rost Fe₂O₃; sie werden deshalb „Schwarzer Rost“ genannt. Das technische Oxidieren von Eisen unter Sauerstoffmangel heißt Brünieren. Es kann Korrosion vermindern sowie Farbe, Reflexionsvermögen und tribologische Eigenschaften verändern. Anwendungen gibt es im Maschinen- und Werkzeugbau, bei Handfeuerwaffen und bei Wälzlagern.
Der Kontakt von Eisen mit einem anderen Metall kann ein Lokalelement bilden, also eine kleine galvanische Zelle. Dabei korrodiert das unedlere Metall. Salze beschleunigen die Rostbildung, weil sie die Leitfähigkeit des Wassers erhöhen. Die Ionenwanderung im Wasser ist für den geschlossenen Stromkreis der Korrosion notwendig.
Von Rost zu unterscheiden ist Zunder: Er entsteht bei hohen Temperaturen auf Eisen und besteht aus wasser- und hydroxidfreien Eisenoxiden verschiedener Oxidationsstufen. Beim Schmieden können dünne grauschwarze Oxidschichten durch Hammerschläge abplatzen; sie heißen Hammerschlag. Andere Metalle wie Zink, Chrom, Aluminium oder Nickel bilden oft sehr dünne, kaum sichtbare Oxidschichten, die das darunterliegende Metall abschirmen; dies ist Passivierung. Kupfer kann in Luft und Wasser dagegen Patina bilden.
Über 180 °C können sich bei heißem Wasserdampf Schutzschichten aus Magnetit Fe₃O₄ bilden. Dabei reagiert metallisches Eisen mit Wassermolekülen unter Bildung von Wasserstoff. In Hochdruckkesselrohren mit örtlich hoher Wärmebelastung kann die Reaktion verstärkt sein und Rohrreißer verursachen. Hohe pH-Werte, besonders mit Alkaliionen, beschleunigen sie zusätzlich.
Rost entfernen
Stark gerostete Metalle können mechanisch durch Bürsten oder Schleifen entrostet werden. Besonders wirksam ist Strahlen, etwa Sandstrahlen. Für dickere Rostschichten werden auch pneumatische Nadelentroster eingesetzt.
Rost lässt sich außerdem mit Säuren lösen, beispielsweise mit verdünnter Phosphorsäure oder 60%iger Essigsäure. Nach der Behandlung sollte die Säure bei Bedarf mit einer Lauge neutralisiert und stets mit viel Wasser abgespült werden. Der blanke Stahl muss rasch trocknen, damit kein Flugrost entsteht. Anschließend schützt man ihn meist mit einem Ölfilm oder einer Beschichtung. Phosphorsäure ist häufig Bestandteil von Rostumwandlern.
Rostfleckenentferner, etwa für Autofelgen, können Natriummercaptoacetat enthalten. Die einsetzende Reaktion ist an einer violetten Färbung erkennbar.
Korrosion verhindern
Korrosionsschutz beruht vor allem darauf, Sauerstoff oder Feuchtigkeit fernzuhalten oder die Potenzialdifferenz in Lokalelementen zu beeinflussen. In geschlossenen Heizungsrohren rostet Eisen innen nicht, wenn kein Luftzutritt besteht; außerdem sinkt die Sauerstofflöslichkeit bei wärmerem Wasser. Bei Sprinkleranlagen wird das Wasser in gefüllten Rohren möglichst nicht erneuert, damit der enthaltene Sauerstoff verbraucht wird.
Wasser wirkt beim Rosten als Elektrolyt. Trockenhalten ist deshalb wirksam; in Gebieten mit geringer Luftfeuchtigkeit treten an Autos praktisch keine Rostschäden auf. Rohre und Bleikabel wurden beziehungsweise werden gegen Bodenfeuchtigkeit etwa mit bitumengefüllten Jutematten oder -streifen geschützt. Korrosionsgefährdete Durchdringungsstellen von Masten oder Erdungsstangen können bituminös, fettig oder mit Beton umhüllt werden.
Schutzschichten aus Fett, Lack, Chrom oder Metallüberzügen schirmen Eisen von der Umgebung ab, zum Beispiel Feuerverzinken oder Weißblech. Auch diffusionsdichte, porenfreie Anstriche sowie Kunststoff- und Schleuderbetonbeschichtungen dienen diesem Zweck. Wird eine solche Schicht zerstört, kann Rost beginnen. Nichtrostender Stahl ist eine Eisenlegierung mit mehr als 12 % Chrom; seine Chromoxidschicht schützt vor Oxidation.
Beim Feuerverzinken schützt Zink auch bei beschädigter Beschichtung: Zink ist unedler als Eisen, korrodiert im Lokalelement bevorzugt und bewahrt das Eisen vor Oxidation. Zinkspray schützt nur gut, wenn die Zinkteilchen durch ein elektrisch leitendes Bindemittel oder eine geeignete Pigment-Volumen-Konzentration elektrisch verbunden sind. Eine Beschichtung mit einem edleren Metall wie Zinn kann dagegen die Eisenoxidation fördern; Eisen kann dann verdeckt unter der Schutzschicht rosten.
Eine Opferanode aus einem unedleren Metall schützt elektrisch verbundene Eisenrohre, wenn ein Elektrolyt wie feuchtes Erdreich beide verbindet. Beim kathodischen Korrosionsschutz hält eine externe Gleichspannungsquelle eine leitende Elektrode, etwa Graphit, auf einem positiven Potenzial relativ zum Eisen. Diese Methode wird bei Pipelines und im Brückenbau eingesetzt.
