Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name __________________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

 

Rost - der Feind des Eisens

 
Jährlich werden in Deutschland Werkstoffe aus Eisen und Stahl im Wert von ca. 40 Milliarden Euro vernichtet - durch Rost! Etwa ein Drittel der Stahlproduktion wird allein dafür benötigt, korrodierte Bauteile zu ersetzten. Was also genau ist Rosten, wie verläuft dieser Vorgang?
Dazu werden folgende Versuche durchgeführt:


V1:
Gleich große Büschel entfetteter Eisenwolle werden von links nach rechts a) unbehandelt, b) mit Paraffinöl getränkt, c) mit destilliertem Wasser und d) mit Salzwasser (w=5%) versetzt, entsprechend der Versuchsanordnung mit vier durchbohrten Stopfen versehen, durch die ein ca. 30 cm langes Glasrohr nach unten in eine Wanne mit dest. Wasser führt. Die Veränderungen in den Bechergläsern und der Wasserstand werden nach 1 Stunde, nach einem Tag, nach 2 und 3 Tagen beobachtet und notiert.

V2: Von einem rostigen Gegenstand wird Rost abgekratzt und - gegebenenfalls vorher zermörsert - erhitzt.
Die Beobachtungen werden notiert.

V3: In einem Rggl. wird Eisenoxalat* Fe(COO)2 unter dem Abzug bis zum Umschlag der Färbung nach Dunkelgrau erhitzt. Das heiße Pulver wird im verdunkelten Raum in eine Auffangschale geschüttet, die auf dem Fußboden steht. Die Beobachtungen werden notiert.
 

V4: In einem Vorversuch werden zu einer Lösung aus Eisen(II)-sulfat FeSO4 (aq) einige Tropfen einer verdünnten Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung K3[Fe(CN)6] (aq) - sog. "Rotes Blutlaugensalz" gegeben. Welche Färbung ergibt sich? Notiere!

Eisenwolle im Sauerstoffkontakt mit Wasser

Für den Hauptversuch werden zwei neue, saubere Eisenbleche mit Kabeln über ein Strommessgerät verbunden. Beide Platten tauchen in eine Wanne, die mit Natriumchlorid-Lösung (w=5%) gefüllt ist, die mit etwas Phenolphthalein- und Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung* versetzt wurde. Die Wanne wird in der Mitte durch eine Wand aus Pappe getrennt. Anschließend werden beide Eisenbleche einige Minuten lang mit Sauerstoff- bzw. Stickstoffgas aus der Druckgasflasche umspült. Notiere deine Beobachtungen vor, während und nach der Gas-Spülung.

Auswertung:
1. Deine Beobachtungen zu den Versuchen musst du auf einem Extra-Blatt notieren!
2. Nenne anhand der Beobachtungen zu V1 und V2 die Bedingungen, die zum Rosten führen. Was fördert den Rostvorgang, was behindert ihn?
3. Welche Funktion haben der Zusatz von Phenolphthalein- und Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung bei V4?
4. In welche Richtung fließt der Strom in V4?
5. Deute die Beobachtungen zu V4 vor, während und nach der Gasspülung.

Potentialänderung von Eisenblechen mit Sauerstoff- oder Stickstoffspülung

Quelle: Tausch, von Wachtendonk: Chemie 2000+, Band 2, Bamberg 2004

update: 21.04.17                                                                                                                                                                                       zurück     zur Hauptseite

 

Aus der Praxis:

Diese Versuche sind eine gute Möglichkeit, die Theorie mit der Praxis zu verbinden. Auf diese Weise erkennen Schüler die Hintergründe von tatsächlichen Phänomenen. Jeder kennt das Problem, dass Autos und Motorräder häufig Rost ansetzen, wenn sie etwas älter sind. An der Verkleidung ist es unproblematisch und stört lediglich die Optik. An tragenden Teilen ist das schon etwas kritischer. Da ist es praktisch, wenn man weiß, wie der Rost entsteht und wie er sich verhindern lässt.

Lösungen der Arbeitsaufträge und Auswertung:

 
1. Beobachtungen zu den Versuchen:

V1: Die mit Paraffinöl behandelte Eisenwolle ist geschützt und rostet so gut wie gar nicht.
Die "unbehandelte" Eisenwolle rostet ebenfalls nur wenig, aber sie ist eben nicht unbehandelt, sondern wird vom Hersteller mit einer Öl-/Fett-Mischung oberflächenbehandelt. Der/die Kunde/in im Baumarkt wird schließlich keine rostige Eisenwolle kaufen wollen.
Die mit dest. Wasser versetzte Eisenwolle rostet sehr schnell, noch schneller allerdings die mit Salzwasser behandelte.

Minuten nach Versuchbeginn     

0 50 180 260 1430
Höhe der Wassersäule [cm] in einem längeren Glasrohr
a) unbehandeltes Eisen 0,0 2,5 2,5 1,7 4,0
b) Paraffinöl getränkt 0,0 1,5 1,2 0,5 2,4
c) aqua dest. versetzt 0,0 6,0 16,0 21,2 26,3
d) Salzwasser versetzt 0,0 14,0 26,0 27,0 27,5

 

1. Beobachtungen

Versuchsergebnisse:
V1: Reihenfolge der rostfördernden Faktoren: 1. Salzwasser = Wasser + Salz, 2. Wasser, 3. Sauerstoff (im Wasser gelöst oder aus der Luft)

V2: Beim Erhitzen von Rost im Rggl. sammelt sich Wasser im kälteren Teil des Rggl. oben, ein Teil des Wassers entweicht als Wasserdampf. Das gebildete Wasser kann man mit weißem Kupfersulfat nachweisen (wird türkisgrün) oder mit Watesmo-Papier.

V3: Beim Erhitzen verändert das gelbe Eisenoxalat seine Farbe und wird schwarz. Gießt man es in die Auffangschale, leuchtet es beim Kontakt mit der Luft auf und bildet dann ein rostrotes Pulver (rotes Eisenoxid).

V4: Am Eisenblech, das mit Stickstoff umspült wird, gehen Eisen(II)-Ionen in Lösung. Mit Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung entsteht eine blaue Farbe: Berliner Blau. Da die NaCl-Lösung mit rotem Blutlaugensalz versetzt wurde, ist diese erst mal leicht gelb. Das Berliner Blau erscheint dann anfangs erstmal dunkelgrün. Die mit Phenolphthalein versetzte Lösung wird lila-violett.

Die Stromstärke  steigt von 0 auf 1,47 mA an. Bei Beendigung der Gaszufuhr sinkt der Stromwert ab und steigt dann wieder an.

2. Bedingungen für das Rosten: siehe "Reihenfolge..." und Sauerstoff als begrenzender Faktor.

3. Funktion der Zusätze von Phenolphthalein und Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung:
Phenolphthalein ist für den Nachweis von Hydroxid-Ionen: die Lösung färbt sich lila-violett. Kaliumhexacyanoferrat(III)-Lösung ist für den Nachweis von Eisen(II)-Ionen: es bildet sich eine blaue Farbe (Berliner Blau). 

4. Richtung des Stromflusses: Der mit Sauerstoff begaste Pol ist der +-Pol, der mit N2 begaste der &-Pol. Am &-Pol gehen Eisen(II)-Ionen in Lösung (Nachweis durch Kaliumhexycyanoferrat(III)), am +-Pol wird Sauerstoff reduziert.

5. Beobachtungen zu V4 vor und nach der Gasspülung:
Vor der Spülung: 
Es passiert nichts, weil keine feststellbare Reaktion zwischen Eisenatomen, Wasser, Phenolphthalein und den verschiedenen Ionen (Na+-, Clorid¯-, K+-, Hexacyanoferrat(III)-Ionen auszumachen ist.

Während der Spülung: An dem mit Sauerstoff umspülten Eisenblech entstehen Hydroxyd-Ionen: O2(g) + 2 H2O + 4 e¯ ---> 4 OH¯ :
Reduktionsseite.

Am
&-Pol entstehen durch Oxidation diese 4 Elektronen: 2 Fe ----> 2 Fe2+  + 4 e¯; Oxidationsseite

Nach der Spülung: Zwischen der Oxidationsseite (Eisen(s) mit Fe2+(aq) und der Reduktionsseite (O2(aq) mit OH¯-Ionen (aq) und der Eisenplatte als metallischem Leiter entsteht ein galvanisches Element. Es könnte eine Spannung gemessen werden. Weil kein gasförmiger Sauerstoff mehr fließt, werden auch keine Elektronen mehr aufgenommen, die Stromstärke sinkt auf 0. Mit der Ausbildung eines galvanischen Elements ist ein geringer Stromfluss verbunden, der nach einem bestimmten Maximum wieder auf 0 absinken wird.

Reaktionsgleichungen zur Rostbildung:

Schritt 1:
Bildung des Eisen(II)-hydroxids: Oxidation von Eisen Fe(s)   --> Fe2+ + 2 e¯
Reduktion von Sauerstoff [in Anwesenheit von Wasser]: O2(g)  + 2 H2O (l) +  4 e¯   ----> 4 OH¯(aq)

Redoxreaktion: 2 Fe(s)  +  1 O2(g)  + 2 H2O (l)  ---> 2 Fe(OH)2(s) Eisen(II)-hydroxid

Schritt 2:
Weiteroxidation des Eisen(II)-hydroxids:
Oxidation von Eisen(II)-hydroxid:    Fe(OH)2(s)  + 1 OH¯(aq) ---> Fe(OH)3(s)  + 1 e¯
Reduktion von Sauerstoff:  O2(g)  + 2 H2O(l) +  4 e¯   ----> 4 OH¯(aq)

 Redoxreaktion:   4 Fe(OH)2(s)  +  O2(g)   +  2 H2O(l)   --->  4  Fe(OH)3(s)

Rostbildung: Fe(OH)3(s) ---> FeO(OH)(s) + H2O(l); Rost = Eisenoxidhydroxid

Siehe dazu auch  Rost - der Feind des Eisens  im pdf-Format  und   Rost - der Feind des Eisens im WordPerfect-Format.

update: 21.04.17                                                                                                                                                                                       zurück     zur Hauptseite