Rost auf Stahl: Warum er auftritt und wie man ihn wirksam beseitigen kann

Stahl ist ein integraler Bestandteil unseres täglichen Lebens und unserer Produktion, doch die Menge an Stahl, die jedes Jahr weltweit durch Rost verloren geht, ist immens. Daher kommt dem Schutz von Stahl vor Korrosion eine große Bedeutung zu.

Was ist das Prinzip des Rostens von Stahl?

Wir können dies anhand eines kleinen Experiments untersuchen, wie in der Abbildung unten dargestellt: In das erste Reagenzglas geben wir eine kleine Menge Kalziumchlorid (das den Wasserdampf in der Luft absorbiert und somit eine trocknende Wirkung hat), setzen einen Nagel ein und verschließen das Reagenzglas fest.

In das zweite Reagenzglas stecken wir einen Nagel, tauchen ihn in destilliertes, abgekochtes und schnell abgekühltes Wasser und gießen dann Pflanzenöl hinein, so dass sich eine Ölschicht auf der Wasseroberfläche bildet.

In das dritte Reagenzglas stecken wir einen Nagel und fügen eine kleine Menge destilliertes Wasser hinzu, so dass ein Teil des Nagels untergetaucht ist. Wir beobachten und notieren die Phänomene in den drei Reagenzgläsern regelmäßig eine Woche lang.

Die Ergebnisse des Experiments zeigen, dass die Nägel im ersten und zweiten Reagenzglas nicht rosten, aber der Nagel im dritten Reagenzglas rostet, und auf der Oberfläche des Nagels erscheint ein rötlich-brauner Rost. Dies zeigt, dass das Rosten von Eisen die Beteiligung von Wasser und Sauerstoff erfordert.

Der Korrosionsprozess von Eisen- und Stahlerzeugnissen ist eine komplexe chemische Reaktion. Rost, der in der Regel eine rötlich-braune Farbe hat, nimmt unter verschiedenen Bedingungen unterschiedliche Formen an. Er besteht hauptsächlich aus hydratisiertem Eisen(III)oxid (Fe2O3-nH2O) und Eisen(III)hydroxid [Fe(OH)3]. Die lockere Struktur des Rosts auf der Stahloberfläche verhindert nicht, dass das innere Eisen Sauerstoff und Wasserdampf ausgesetzt wird, was schließlich zum vollständigen Verrosten des Eisens führt.

Wissen Sie, wie man Rost von einer Eisenoberfläche entfernt?

Die gängigen Rostentfernungsmethoden lassen sich in zwei Kategorien einteilen: physikalische und chemische Verfahren. Physikalische Methoden beinhalten im Allgemeinen Schleiftechniken, bei denen Sandpapier, Schleifscheiben, Stahldrahtbürsten und Stahlwolle verwendet werden, um Rost zu entfernen. Bei chemischen Verfahren wird eine Reaktion zwischen einer Säure und dem Rost herbeigeführt, die der Rostentfernung dient.

In der Tat kann das Rosten von Stahlerzeugnissen verhindert werden, wenn sie von Wasser und Sauerstoff isoliert werden. Die einfachste Methode zur Vermeidung von Rost ist daher die Erhaltung einer sauberen und trockenen Oberfläche der Stahlerzeugnisse. Rost kann auch dadurch verhindert werden, dass die Oberfläche mit Öl, Farbe, Emaille oder einer Kunststoffbeschichtung geschützt wird.

Im täglichen Leben werden häufig Maßnahmen wie Lackierungen an Gegenständen wie Autokarosserien und Eimern durchgeführt, während Maschinen eine Beschichtung mit Mineralöl benötigen.

Darüber hinaus können Verfahren wie die Galvanisierung oder die Schmelztauchbeschichtung eingesetzt werden, um eine Schicht aus rostbeständigem Metall wie Zink, Zinn, Chrom oder Nickel auf die Stahloberfläche aufzubringen. Diese Metalle bilden eine dichte Oxidschicht, die das Eisen vor Rost schützt, indem sie es von Wasser und Luft isoliert.

Darüber hinaus kann Stahl legiert werden, um seine innere Struktur zu verändern, z. B. durch Hinzufügen von Chrom oder Nickel zu normalem Stahl, um rostfreien Stahl zu erzeugen, wodurch die Rostbeständigkeit der Stahlerzeugnisse effektiv verbessert wird.

Die im Alltag üblichen Rostentferner enthalten hauptsächlich Salzsäure und verdünnte Schwefelsäure, die mit Eisenoxid reagieren können. Die Reaktionsgleichungen lauten:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Rostentferner dringen durch Risse in der Rost- und Verunreinigungsschicht in die Stahloberfläche ein, lösen diese Schichten auf und schälen sie ab, wodurch Rost, Verunreinigungen und Oxidhaut von der Stahloberfläche entfernt werden. Säuren haben jedoch ätzende Eigenschaften, so dass bei der Entrostung Schutzkleidung erforderlich ist.

Außerdem entsteht bei der Reaktion zwischen Säure und Eisen Wasserstoff, der bei offener Flamme explodieren kann, weshalb während der Entrostungsarbeiten ein striktes Rauchverbot gilt.

Salzsäure und verdünnte Schwefelsäure können beide mit Eisenoxid reagieren, aber welche ist für die industrielle Rostentfernung besser geeignet?

Dabei geht es in erster Linie um die Effizienz der Rostentfernung, die Produktionskosten der Säure, den Transport und die Lagerung der Säure sowie die Sicherheit und den Umweltschutz.

Was ist wirksamer bei der Rostentfernung: Salzsäure oder Schwefelsäure? Indem wir rostige Nägel in gleiche Volumina und Wasserstoffionenkonzentrationen von Salzsäure und Schwefelsäure legten, fanden wir heraus, dass Salzsäure bei der Rostentfernung effektiver ist. Die Experimente zeigen auch, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von verdünnter Schwefelsäure mit Metalloxiden langsamer ist als die von Salzsäure, wenn alles andere gleich bleibt.

Was ist also in Bezug auf Herstellung, Transport und sichere Anwendung vorteilhafter: Salzsäure oder Schwefelsäure? Bei der industriellen Herstellung von Salzsäure wird gesättigte Sole elektrolysiert, um Wasserstoff und Chlorgas zu erzeugen. Die Gase reagieren zu Chlorwasserstoff, der von Wasser absorbiert wird und Salzsäure bildet.

Chlorwasserstoff kann sich nicht unbegrenzt in Wasser auflösen, so dass konzentrierte Salzsäure einen gelösten Massenanteil von höchstens 37% aufweist. Schwefelsäure hingegen wird durch Rösten von Pyrit bei hohen Temperaturen hergestellt, wobei Schwefeldioxid entsteht, das mit Sauerstoff zu Schwefeltrioxid reagiert. Das Schwefeltrioxid wird von konzentrierter Schwefelsäure absorbiert, um Oleum zu bilden, das dann durch Zugabe von Wasser in Schwefelsäure umgewandelt wird.

Daher ist Salzsäure in Bezug auf Rohstoffe, Herstellungsverfahren und Umweltauswirkungen der Schwefelsäure überlegen. Konzentrierte Salzsäure muss in versiegelten Glasflaschen oder Kunststofffässern gelagert und in speziell angefertigten, mit Gummi ausgekleideten Stahltankwagen transportiert werden.

Konzentrierte Schwefelsäure kann einen Massenanteil von bis zu 98% haben, und ihre Lagerung und ihr Transport können durch Stahl- oder Aluminiumbehälter erleichtert werden. In dieser Hinsicht ist Schwefelsäure stärker als Salzsäure.

Salzsäure mit einem größeren gelösten Massenanteil ist flüchtig, und das verdampfte Chlorwasserstoffgas hat eine stark reizende und ätzende Wirkung auf den menschlichen Körper, während Salzsäure mit einem geringeren gelösten Massenanteil relativ stabil ist.

Konzentrierte Schwefelsäure muss vor der Verwendung verdünnt werden. Bei dieser Verdünnung entsteht eine erhebliche Hitze, die leicht zu Verbrennungen führen kann. Außerdem ist die ätzende Wirkung von konzentrierter Schwefelsäure viel stärker als die von konzentrierter Salzsäure. Daraus kann gefolgert werden, dass die Verwendung von Salzsäure sicherer ist.

Aus den obigen Informationen geht hervor, dass Salzsäure eine bessere Entrostungswirkung, geringere Kosten und eine sicherere Anwendung bietet.

Außerdem können wir in einem Chemielabor einen relativ umweltfreundlichen Rostentferner herstellen. Als erstes werden 18 g Zitronensäure, 0,8 g Dextrin, 3 g Natriummolybdat, 1,1 g Phosphorsäure und 60 g Wasser in einen Mischbehälter gegeben und 30 Minuten lang bei Raumtemperatur gleichmäßig gerührt.

Im zweiten Schritt werden der gemischten Lösung 8 g Glycerin zugegeben und bei Raumtemperatur 10 Minuten lang mit einer Rührgeschwindigkeit von 25 U/min gleichmäßig gerührt. Im dritten Schritt werden 0,06 g Natriumiodid zu der gemischten Lösung gegeben und 30 Minuten lang bei Raumtemperatur und einer Rührgeschwindigkeit von 25 U/min gleichmäßig gerührt.

Der Ersatz von Salzsäure und verdünnter Schwefelsäure durch Zitronensäure kann das derzeitige Problem der Umweltverschmutzung durch Rostentferner lösen. Glycerin kann die Haftung des Rostentferners auf der Metalloberfläche verbessern. Außerdem entfernt dieser Rostentferner nicht nur Rost, sondern hat auch rostschützende Eigenschaften.

Das Rosten von Stahl führt zwar zu einem Verlust an metallischen Ressourcen, aber dieser Prozess hat auch seine Vorteile. So nutzt Eisenpulver, ein wichtiger Bestandteil von Sauerstoffabsorbern, die häufig in Backwarenverpackungen zu finden sind, das Prinzip des Rostens, um Sauerstoff zu verbrauchen und so den Verderb von Lebensmitteln zu verhindern.

Außerdem ist das Rosten von Eisen eine exotherme Reaktion. Dieses Phänomen hat man sich zunutze gemacht, um "Heizpflaster" herzustellen. Zu den Hauptbestandteilen eines Heizpflasters gehören Eisenpulver, Vermiculit, Aktivkohle, anorganische Salze (wie Kochsalz) und Wasser. Unter natürlichen Bedingungen verläuft die Oxidationsreaktion bei Eisen nur langsam.

Um diese Reaktion zu beschleunigen, wird feines Eisenpulver mit einer großen Oberfläche verwendet. Die Rolle der Aktivkohle besteht darin, eine Primärzelle zu bilden, um die Reaktion zu fördern, während ihre starke Adsorptionsfähigkeit Wasser in ihrer lockeren Struktur speichert. Die anorganischen Salze arbeiten mit der Aktivkohle zusammen, um eine Primärzelle zu bilden und die Reaktion zu fördern. Vermiculit, ein Eisen-Magnesium-Aluminiumsilikat-Mineral, dient als thermisches Speichermedium.

In einem Chemielabor können wir diese Heizpflaster selbst herstellen. Dazu mischt man Eisenpulver, Aktivkohle, Kochsalz und Vermiculit in einem Massenverhältnis von 5:2:2:2. Diese Mischung (Vermiculit ist optional) wird in ein Becherglas geschüttet, ein paar Tropfen Wasser hinzugefügt und mit einem Glasstab gründlich vermischt.

Anschließend wird es in einen Vliesstoffbeutel gepackt und in einem selbstschließenden Beutel (oder mit einem Kunststoffverschließer) versiegelt. Bei Bedarf kann es zur Verwendung entnommen werden. Es ist zu beachten, dass je feiner die Partikel des Eisenpulvers und der Aktivkohle sind (idealerweise 100 Mesh für Eisenpulver und 150 Mesh für Aktivkohle), desto schneller die Reaktion und desto deutlicher der Temperaturanstieg.