Quelltext der Seite Rost

{{Dieser Artikel|behandelt die Korrosion von Eisenwerkstoffen. Für andere Bedeutungen siehe [[Rost (Begriffsklärung)]].}}
[[Datei:Corrosion (37265977216).jpg|mini|Korrosionsverlauf an einer [[lack]]ierten Oberfläche]]
[[Datei:Rost.jpg|mini|Stark verrostetes [[Stahl]]blech]]
[[Datei:Rost auf einem Blech.jpg|mini|Rost auf einem Blech, welches im Salzsprühtestgerät war. Auf der oberen Hälfte ohne Grundierung, auf der unteren Hälfte Grundierung + Decklack]]
Als '''Rost''' bezeichnet man das [[Korrosion]]sprodukt, das aus [[Eisen]] oder [[Stahl]] durch [[Oxidation]] mit [[Sauerstoff]] in Gegenwart von [[Wasser]] entsteht. Rost ist porös und bietet keinen Oberflächenschutz vor weiterer Zersetzung, anders als die Oxidschicht anderer metallischer Werkstoffe wie bei Chrom, Aluminium oder Zink oder beim nur oberflächlich verrosteten [[Cortenstahl]]. Anhand dieser Eigenschaften werden die Metalle in die Gruppen Eisenmetalle (rosten) und [[Nichteisenmetall]]e (rosten nicht) unterschieden.

== Übersicht ==
Chemisch gesehen setzt sich Rost allgemein aus [[Eisen(II)-oxid]], [[Eisen(III)-oxid]] und [[Kristallwasser]] zusammen. [[Summenformel]]:

<math>\mathrm{x \ Fe^{II}O \cdot y \ Fe^{III}_{\ 2}O_3 \cdot z \ H_2O}</math> (x, y, z positive Verhältniszahlen)<ref>''Römpps Chemie Lexikon.'' 6 Bände. 8., neubearbeitete und erweiterte Auflage. Franckh, Stuttgart 1979–1988, ISBN 3-440-04510-2.</ref>

Rost (bzw. Eisenrost, lateinisch früher wie Eisen und [[Magnetit|Eisenhammerschlag]] auch als ''Ferrum'' bezeichnet<ref>[[Otto Beßler]]: ''Prinzipien der Drogenkunde im Mittelalter. Aussage und Inhalt des Circa instans und Mainzer Gart.'' Mathematisch-naturwissenschaftliche Habilitationsschrift, Halle an der Saale 1959, S. 184 („Ferrum – ysen und ferrugo, squama ferri“).</ref>) ist somit ein wasserhaltiges Oxid des Eisens, eine [[chemische Verbindung]], die zu den [[Oxide]]n gehört und zusätzlich Wasser und Hydroxidionen enthält (Oxidhydrat). Sie entsteht durch die [[Oxidation]] des Eisens, ohne dass höhere Temperaturen erforderlich wären. Rost ähnelt somit der Verbindung Braunstein (wasserhaltiges [[Mangandioxid]]), welche ebenfalls als Oxidhydrat eines Übergangsmetalls anzusehen ist.

Rost bildet lockere Gefüge geringer [[Festigkeit]]. Die Oxidation bewirkt eine Zunahme der Masse und des Volumens. Letztere führt zu [[Spannung (Mechanik)|Spannungen]] und zum Abplatzen der Rostschicht (siehe Abbildungen).

Zum Korrosionsschutz werden Eisenwerkstoffe mit Schutzschichten überzogen, mit [[Opferanode]]n versehen oder auch nachträglich mit [[Phosphorsäure]] oder [[Citronensäure]] entrostet und dann neu [[Rostschutz|geschützt]].

[[Bewehrungsstahl|Betonstähle]] rosten nicht, wenn sie gut gekapselt im [[Beton]] eingebettet sind, da sich durch das alkalische Milieu (pH > 12) im Beton eine vor Korrosion schützende Passivschicht auf der Oberfläche des Stahls bildet. Durch den Vorgang der [[Carbonatisierung (Beton)|Carbonatisierung]] kann der pH-Wert des Betons so weit absinken, dass keine schützende Passivschicht auf dem Stahl mehr vorhanden ist. Wenn dann Wasser und Luft Zutritt zum Stahl erhalten, kann dieser rosten. Infolge der Volumenzunahme des Rosts platzt die Betonoberfläche im Bereich des rostenden Stahls auf und der Zerfall wird beschleunigt, weil dadurch Wasser und Luft noch besseren Zutritt haben.

<gallery mode="packed">
 Rost Dose.jpg|Getränkedose aus [[Weißblech]] mit Rostdurchbrüchen durch die [[Zinn]]-Schutzschicht
 Rusty fence aka.jpg|[[Eisen]]pfosten mit teilweise durch Rost abgeplatzter Schutzschicht ([[Verzinkung]])
 Zeche-Zollern 2132.JPG|Rostende [[Schiene (Schienenverkehr)|Eisenbahnschienen]]
 Rostiger Stahltraeger.jpg|Angerosteter Träger einer [[Nietvorgang|genieteten]] Stahl[[brücke]] mit abblätterndem Anstrichmittel
 Schiff Rost 02(RaBoe).jpg|Rost an einem Schiff
</gallery>

== Elektrochemisches Modell der Rostbildung ==
[[Datei:Lamborghini tractors in schlchtem Zustand.JPG|mini|Rost an einem [[Traktor]]]]
Die Rostbildung ([[Korrosion]]) an Eisen beginnt durch den Angriff
* einer Säure (Säurekorrosion) oder
* von Sauerstoff und Wasser (Sauerstoffkorrosion)
auf die Metalloberfläche.

=== Säurekorrosion ===
Im Fall einer Säurekorrosion ([[Wasserstoffkorrosion]]) entziehen die Protonen (Wasserstoffionen) der Säure dem Metall Elektronen: Eisen reagiert mit Wasserstoff-Ionen im Wasser (bei A) zu Eisen-II-Kationen:
: <math>\mathrm{Fe \rightleftharpoons\ Fe^{2+} + 2 \ e^-}</math>
Die Wasserstoffionen (Oxidationsmittel) reagieren hierbei zu Wasserstoffgas ([[Redoxreaktion]]), da sie die Elektronen des Metalles aufnehmen (Reduktion des Oxidationsmittels). Das Reaktionsschema der Gesamtreaktion lautet somit:
: <math>\mathrm{Fe + 2 \ H^+ \rightleftharpoons\ Fe^{2+} + H_2}</math>

=== Sauerstoffkorrosion ===
[[Datei:Rosten schematisch.svg|mini|hochkant=1.5|Schematische Darstellung des Rostens von Eisen (grau) in Gegenwart von Wasser (blau) und Sauerstoff (weiß). Erläuterung zu den Ziffern siehe Text.]]

Im Fall einer [[Sauerstoffkorrosion]] (Verwitterung des Eisens zu Rost) wirkt [[Sauerstoff]] als Oxidationsmittel: Er nimmt Elektronen auf.

In der schematischen Darstellung des Rostens (siehe Bild) befindet sich auf einer Eisenoberfläche (grau) ein Wassertropfen (blau), umgeben von Luft (weiß). Gemäß der [[Elektrochemische Spannungsreihe|Spannungsreihe der Elemente]] diffundieren die positiv geladenen Eisenionen in die wässrige Umgebung, die [[Elektron]]en verbleiben im Metall und laden es negativ auf, siehe ① in der Schemazeichnung.

Neutrales Wasser enthält 10<sup>−7</sup> mol/L Wasserstoffionen ([[Protolyse|Autoprotolyse]]):
: <math>\mathrm{H_2O \rightleftharpoons\ H^+ + OH^-}</math>
Die negative Aufladung des Metalles und die Grenzschicht aus positiv geladenen Eisenionen über der Eisenoberfläche verhindern im Allgemeinen eine schnelle Umsetzung mit Protonen: Sauerstoff- und luftfreies Wasser greifen das Eisenmetall nicht an.

Ist jedoch Sauerstoff vorhanden, übernimmt er den Transport der Elektronen. Er diffundiert von außen in den Wassertropfen (siehe Schemazeichnung). Der Konzentrationsunterschied im Wassertropfen erzeugt nun eine Potenzialdifferenz zwischen ② und ③. Der [[Anode|anodische]] Bereich ② und der [[Kathode|kathodische]] Bereich ③ bilden mit dem Wasser als [[Elektrolyt]]en eine [[galvanische Zelle]], eine [[Redoxreaktion]] läuft ab.

Die Elektronen reagieren mit Wasser und Sauerstoff zu Hydroxid-Ionen, siehe bei ③ in der Schemazeichnung:
: <math>\mathrm{H_2O + \frac{1}{2} \ O_2 + 2 \ e^- \longrightarrow 2 \ OH^- }</math>

Die Hydroxid-Ionen bilden mit den Eisenionen Eisen(II)-hydroxid ④.

Eisen(II)-hydroxid ist olivgrün bis graugrün und wird in Gegenwart von Wasser und Luft zu Eisen-III-Ionen umgesetzt. Zusammen mit den Hydroxidionen bildet sich bei dieser zweiten [[Redoxreaktion]] rostbraunes Eisen(III)-hydroxid:
: <math>\mathrm{2 \ Fe^{2+} + 4 \ (OH)^- + \frac{1}{2} \ O_2 + H_2O \longrightarrow 2 \ Fe(OH)_3}</math>

Vereinfacht lautet das Gesamt-[[Reaktionsschema]] somit:
: <math>\mathrm{ 2 \ Fe + \frac{3}{2} \ O_2 + 3 \ H_2O \longrightarrow 2 \ Fe(OH)_3}</math>

Durch Wasserabgabe bildet sich hieraus schwerlösliches Eisen(III)-oxid-hydroxid, das sich auf der Eisenoberfläche bei ⑤ ablagert:
: <math>\mathrm{Fe(OH)_3 \longrightarrow FeO(OH)\cdot H_2 O}</math>

Außerdem finden folgende Vorgänge statt:
: <math>\mathrm{2 \ FeO(OH)\cdot H_2 O \longrightarrow Fe_2O_3 +  3 \ H_2O}</math>
: <math>\mathrm{Fe(OH)_2 \longrightarrow  FeO + H_2O}</math>

Das anfangs gebildete Gemisch aus Eisen(II)-hydroxid und Eisen(III)-hydroxid wird somit durch teilweise Wasserabgabe zu einer beständigen Mischung aus Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid und [[Kristallwasser]] umgesetzt, die umgangssprachlich als ''Rost'' bezeichnet wird:
: <math>\mathrm{\mathrm{x \ Fe^{II}O \cdot y \ Fe^{III}_{\ 2}O_3 \cdot z \ H_2O}}</math> (x, y, z positive Verhältniszahlen)

=== Beschleunigende Faktoren bei der Rostbildung ===
Wenn Eisen mit einem anderen Metall in Berührung kommt, entsteht an der Kontaktstelle ein [[Lokalelement]], das zur Korrosion des [[Elektrochemische Spannungsreihe|unedleren]] Metalls führt. Der Rostvorgang wird zudem durch die Anwesenheit von Salzen beschleunigt, da diese die Leitfähigkeit des Wassers erhöhen. Die Wanderung der Ionen im Wasser ist wichtig für den Korrosionsprozess, andernfalls wäre der Stromkreis unterbrochen und die Korrosion käme sehr schnell zum Erliegen (vgl. [[Salzbrücke]] in einer normalen elektrochemischen Zelle).

=== Oxidations- und Korrosionvorgänge, die der Rostbildung ähneln ===
Wasserfreie Oxidationsprodukte, die sich bei hohen [[Temperatur]]en auf der Oberfläche von Eisen bilden, werden als [[Abbrand (Metallurgie)|Zunder]] bezeichnet. Sie bestehen, anders als Rost, aus wasser- bzw. hydroxidfreien Eisenoxiden unterschiedlicher [[Oxidationsstufe]]n. Besonders beim [[Schmieden]] von glühendem Eisen platzen durch Hammerschläge von der Oberfläche dünne grauschwarze Eisenoxidschichten ab, die als ''[[Eisen(II,III)-oxid|Hammerschlag]]'' bezeichnet werden.

Auch bei anderen [[Metalle]]n wie [[Zink]], [[Chrom]], [[Aluminium]] oder [[Nickel]], die teilweise auch [[Elektrochemische Spannungsreihe|unedler]] als Eisen sind, oxidieren nur die obersten [[Atom]]lagen zu einer kaum sichtbaren Oxidschicht, die das darunterliegende Metall vor weiterer Reaktion mit Sauerstoff abschirmt (siehe auch ''[[Passivierung]]'').

In Gegenwart von Luft und Wasser können jedoch auch Verwitterungs- und Korrosionsvorgänge eintreten, so z.&nbsp;B. bei [[Kupfer]] zu [[Patina]]. Beim Eisen jedoch kommt die Korrosion an der Rost/Materialgrenzfläche nicht zum Stillstand, weil die elektrische Leitfähigkeit des schon gebildeten (feuchten) Rosts und seine Sauerstoffdurchlässigkeit die weitere Korrosion an der Grenze Rost/Material begünstigen.

Bei Temperaturen über 180&nbsp;°C bilden sich auf Oberflächen von Eisenwerkstoffen bei Einwirkung von Wasserdampf mit hoher Temperatur Schutzschichten aus Magnetit (Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>). Es entsteht durch Reaktion von metallischem Eisen mit Wassermolekülen unter Bildung von Wasserstoff. Bei Rohren in Hochdruckkesseln mit örtlich sehr hoher Wärmebelastung kann diese Reaktion verstärkt ablaufen und ist manchmal eine der Ursachen von Rohrreißern. Hohe pH-Werte des Wassers, insbesondere in Gegenwart von Alkaliionen, beschleunigen diese Reaktion zusätzlich.

== Entrostung ==
[[Datei:Entrosten.jpg|mini|Mechanisches Entrosten mit einer rotierenden [[Drahtbürste]]]]
Stark gerostete Metalle können durch [[Bürstspanen|Bürsten]] oder [[Schleifen (Fertigungsverfahren)|Schleifen]] von Rost befreit werden. Eine der wirkungsvollsten Methoden für die Entrostung ist das [[Strahltechnik|Strahlen]] ([[Sandstrahlen]]). Insbesondere wenn stärkere Schichten entfernt werden, werden auch pneumatische [[Nadelentroster]] eingesetzt.<!-- Die vollständige Entfernung von Rost bis auf das blanke Metall ist eine der Voraussetzungen, dass ein korrosionsbeständiger Anstrich erreicht werden kann.  <<  Dies gilt nicht für alle Beschichtungen und müsste differenziert werden. -->

Rost lässt sich mit [[Säure]] auflösen. Geeignet ist beispielsweise verdünnte [[Phosphorsäure]] oder 60%ige [[Essigsäure]].<ref>[https://www.netz-lupe.de/rost-entfernen-mit-essig-eine-video-anleitung-fuer-anfaenger/ ''Rost entfernen mit Essig'']. In: Netz-Lupe.de</ref> Damit die Säure später nicht zu unerwünschten Reaktionen führt, sollte sie nach der Behandlung gegebenenfalls mit einer [[Alkalische Lösung|Lauge]] neutralisiert und jedenfalls mit viel Wasser abgespült werden. Der blanke Stahl muss zügig getrocknet werden, um keinen [[Flugrost]] anzusetzen. Meist wird er anschließend durch einen Ölfilm oder eine [[Beschichtung]] vor erneutem Rostansatz geschützt. Phosphorsäure ist meist auch in als [[Rostumwandler]] bezeichneten Produkten enthalten.

Als Inhaltsstoff in Rostfleckenentfernern (z.&nbsp;B. für [[Autofelge]]n) wird [[Natriummercaptoacetat]] eingesetzt. Das Einsetzen der Reaktion zeigt sich an einer violetten Färbung.<ref>{{Internetquelle  |url=https://www.natursteinpark-salem.de/wp-content/uploads/2018/04/LithofinRost-Ex_technisches_merkblatt.pdf |titel=Lithofin Rost-Ex |titelerg=Technisches Merkblatt |hrsg=Lithofin AG |abruf=2022-09-30  |format=PDF}}</ref>

{{Siehe auch|Biologische Entrostung}}

== Korrosionsschutz ==
Aus dem Modell lassen sich drei Strategien für den [[Korrosionsschutz]] ableiten:

=== Fernhalten von Sauerstoff ===
Beispiele:
* Heizungsrohre aus Eisen rosten innen nicht, wenn das Wasser in einem geschlossenen System ohne Luftzutritt geführt wird. Zudem sinkt die Löslichkeit von Sauerstoff mit steigender Erwärmung des Wassers.
* Bei Sprinkleranlagen wird sehr darauf geachtet, dass das in gefüllten Rohren befindliche Wasser so gut wie nie erneuert wird. Auf diese Weise können sie nicht durchrosten, weil der ursprünglich im Wasser enthaltene Sauerstoff schnell erschöpft und das Wasser damit sauerstofffrei ist.

Man kann diesen Reaktionen aber auch durch verschiedene andere Schutzmaßnahmen vorbeugen. Ein Beispiel dafür ist die ''Passivierung'': das Überziehen mit solchen unedleren Metallen, die eine stabile Oxidschicht bilden. Ein Metall kann ebenfalls durch [[Galvanisieren]], [[Verzinken]] oder [[Verchromen]] mit einem anderen Metall als Schutzschicht gegen Oxidation versehen werden. Weitere Schutzüberzüge sind diffusionsdichte und porenfreie Anstriche und Beschichtungen mit Kunststoffen und Schleuderbeton.

=== Fernhalten von Feuchtigkeit ===
Da Wasser als Elektrolyt in der Reaktion zur Rostentwicklung wirkt, ist das Trockenhalten eine gute Gegenstrategie. So gibt es beispielsweise in Gegenden mit geringer [[Luftfeuchtigkeit]] praktisch keine Rostschäden an Autos.

[[Pipeline]]rohre und auch die Stahlblechwickel um [[Bleikabel]] (bis etwa 1970 für Telefon und Elektrizität) wurden mit [[bitumen]]gefüllten [[Jute]]matten bzw. -streifen belegt, um Benetzung mit Wasser im Erdreich zu verhindern. Noch heute werden die besonders korrosionsgefährdeten Stellen, wo Ampel- oder Leuchtenmasten oder auch Erdungsstangen etwa den Gehsteig durchdringen, mit bituminöser, fetter oder betonierter Umhüllung versehen.

Eine weitere Möglichkeit sind Schutzschichten aus [[Fette|Fett]], [[Lack]], [[Chrom]] oder Metallauflagen (Metallische Überzüge), die das Eisen von der Umgebung abschirmen ([[Feuerverzinken]], [[Weißblech]]). Sobald diese Schutzschicht zerstört wird, beginnt der Rostungsprozess.

[[Rostfreier Stahl|Nichtrostender Stahl]] ist eine Eisenlegierung mit einem [[Chrom]]anteil von mehr als 12 % und wird durch die [[Chromdioxid|Chromoxidschicht]] vor Oxidation geschützt.
{{Absatz}}

=== Abbau der Potenzialdifferenz in Lokalelementen ===
[[datei:The rustiest letter box in Bavaria.jpg|mini|hochkant=1|Verrosteter Briefkasten auf einer durch [[Feuerverzinken]] geschützten Wand]]
Beispiel 1: [[Feuerverzinken]] schützt Eisen nachhaltig vor Rostbefall. Kommt es zu einer Schädigung der Beschichtung, bilden Zink und Eisen bei Zutritt von Wasser ein Lokalelement (ähnlich einer Batterie). Zink als das unedlere Metall korrodiert und bewahrt das Eisen vor Oxidation. In den meisten Zinkstaubfarben („Zinkspray“) kann das Zink dagegen nicht galvanisch wirken, da es durch das Bindemittel isoliert wird. Nur Zinkstaubfarben mit elektrisch leitendem Bindemittel oder Zinkstaubfarben auf [[Epoxidharz]]-Basis mit geeigneter ''[[Pigment-Volumen-Konzentration]]'' (''PVK''), bei der sich die Zinkteilchen berühren, schützen gut vor Korrosion.<ref>Georg Meichsner, Thomas G. Mezger, Jörg Schröder: ''Lackeigenschaften messen und Steuern. Rheologie – Grenzflächen – Kolloide.'' Vincentz Network, Hannover 2003, ISBN 3-87870-739-8.</ref>

Bei einer Beschichtung mit einem edleren Metall (zum Beispiel Zinn bei [[Weißblech]]) tritt der umgekehrte Fall ein. Das Eisen rostet, möglicherweise verdeckt von der Schutzschicht (siehe Bild der Getränkedose). Die Anwesenheit eines edleren Metalls fördert sogar die Oxidation. Das Lokalelement aus Eisen und dem edleren Metall verhindert die schützende negative Aufladung des Eisens (siehe oben).

Beispiel 2: Eisenrohre werden elektrisch mit einer sogenannten [[Opferanode]] aus einem unedleren Metall verbunden. Wie im ersten Beispiel wird Eisen auf Kosten der Opferanode geschützt, sofern beide über einen [[Elektrolyt]]en, zum Beispiel feuchtes Erdreich, im Kontakt stehen.

Beispiel 3: Statt einer Opferanode schützt auch eine elektrisch leitende Elektrode (zum Beispiel Graphit), wenn sie über eine externe Gleichspannungsquelle auf einem positiven Potenzial relativ zum Eisen gehalten wird. Dies nennt man dann [[Kathodischer Korrosionsschutz|kathodischen Korrosionsschutz]], der bei [[Pipeline]]s und im [[Brückenbau]] eingesetzt wird.

== Siehe auch ==
* [[Eloxieren]] (Oberflächenoxidation von [[Aluminium]]), [[Feuerverzinken]], [[Filmverzinkung]]
* [[Anlaufen (Metallurgie)|Anlaufen]] (z.&nbsp;B. von Silber)
* [[Flugrost]], [[Patina#Kupfer und Kupferlegierungen|Kupferpatina]] (Korrosion von [[Kupfer]]), [[Weißrost]] (Korrosion von [[Zink]])
* [[Korrosionsschutz]], [[Rostumwandler]]
* [[Limonit]], ein Gemisch verschiedener Eisenoxide

== Literatur ==
* Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (Hrsg.): ''Werkstoffkunde.'' Schroedel, Hannover u. a. 1978, ISBN 3-507-96002-8 (7., überarbeitete Auflage. Springer, Berlin u. a. 2000, ISBN 3-540-66855-1).
* Herbert E. Hömig: ''Physikochemische Grundlagen der Speisewasserchemie.'' 2. Auflage. Vulkan Verlag Dr. W. Classen, Essen 1963.
* [[Werner Schatt]] (Hrsg.): ''Einführung in die Werkstoffwissenschaft.'' Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1991, ISBN 3-342-00521-1.

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Rust|Rost}}
{{Wikiquote}}
* [https://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/k-schutz.htm chemieunterricht.de: Chemische Experimente zur Korrosion]
* [[deutschlandfunk.de]], ''Essay und Diskurs'', 4. Juni 2017, [[Torsten Körner]]: [https://www.deutschlandfunk.de/vergeblich-und-vergangen-niemals-schlaeft-der-rost.1184.de.html?dram:article_id=385365 ''Niemals schläft der Rost '']
* [https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/wie-rost-nuetzlich-wird/ wissenschaft.de: ''Wie Rost nützlich wird'']: „Eisenoxid kann in Form von [[Nanopartikel]]n helfen, [[Trinkwasser]] zu säubern.“

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4178475-3}}

[[Kategorie:Korrosion]]
[[Kategorie:Eisen]]