rust

Forløp av korrosjon på en malt overflate

Sterkt rustet stålplate

Rust på et ark som var i saltsprøyten. På den øvre halvdelen uten grunning, på den nedre halvdelen grunning + toppstrøk

Når rust defineres som korrosjonsproduktet som består av jern eller stål ved oksidasjon med oksygen i nærvær av vann , dannes det. Rust er porøs og beskytter ikke mot ytterligere nedbrytning, i motsetning til oksydlaget av andre metalliske materialer som krom, aluminium eller sink eller Corten-stål som bare ruster på overflaten . På grunnlag av disse egenskapene er metallene delt inn i gruppene jernholdige metaller (rust) og ikke-jernholdige metaller (ikke rust).

Oversikt

Fra et kjemisk synspunkt består rust vanligvis av jern (II) oksid , jern (III) oksid og krystallvann . Molekylær formel :

${\ displaystyle \ mathrm {x \ Fe ^ {II} O \ cdot y \ Fe _ {\ 2} ^ {III} O_ {3} \ cdot z \ H_ {2} O}}$ (x, y, z positive forhold)

Rust er således et vannholdig jernoksid, en kjemisk forbindelse som tilhører oksidene og også inneholder vann og hydroksidioner (oksidhydrat). Det er skapt av oksidasjon av jern uten behov for høyere temperaturer. Rust ligner således forbindelsen mangandioksid ( mangandioksidholdig vann ), som også er å anse som et oksidhydrat av et overgangsmetall.

Rust danner løse strukturer med lav styrke . Oksidasjonen forårsaker en økning i masse og volum. Sistnevnte fører til spenning og flassing av rustlaget (se illustrasjoner).

For å beskytte mot korrosjon er jernholdige materialer belagt med beskyttende lag, forsynt med offeranoder eller rustet etterpå med fosforsyre eller sitronsyre og deretter beskyttet igjen .

Armeringsstål ruster ikke hvis de er godt innkapslet i betongen , siden det alkaliske miljøet (pH> 12) i betongen danner et passivt lag på overflaten av stålet som beskytter mot korrosjon. Som et resultat av karbonatiseringsprosessen kan betongens pH-verdi synke så langt at det ikke lenger er et beskyttende passivt lag på stålet. Hvis vann og luft får tilgang til stålet, kan det ruste. Som et resultat av økningen i rustvolumet, brister betongoverflaten i det rustende stålområdet og forfallet akselereres fordi vann og luft har enda bedre tilgang.

• 

  Drikkevare fremstilt av hvitblikk med rust perforeringer gjennom det beskyttende tinnlaget

• 

  Jernstolpe med et beskyttende lag som delvis er fliset av av rust ( galvanisering )

• 

  Rustende jernbanespor

• 

  Rustet støtte av en klinket stål bro med malingen

• 

  Rust på et skip

Elektrokjemisk modell av rustdannelse

Rust på en traktor

Dannelsen av rust ( korrosjon ) på jern begynner som et resultat av angrepet

• en syre (syrekorrosjon) eller
• av oksygen og vann (oksygenkorrosjon)

på metalloverflaten.

Syrekorrosjon

I tilfelle av syrekorrosjon ( hydrogenkorrosjon ) trekker protonene (hydrogenionene) av syren ut elektroner fra metallet: Jern reagerer med hydrogenioner i vannet (ved A) for å danne jern (II) kationer:

${\ displaystyle \ mathrm {Fe \ rightleftharpoons \ Fe ^ {2 +} + 2 \ e ^ {-}}}$

Hydrogenionene (oksidasjonsmiddel) reagerer på hydrogengass ( redoksreaksjon ) fordi de absorberer elektronene til metallet (reduksjon av oksidasjonsmiddelet). Reaksjonsskjemaet for den totale reaksjonen er således:

${\ displaystyle \ mathrm {Fe + 2 \ H ^ {+} \ rightleftharpoons \ Fe ^ {2 +} + H_ {2}}}$

Oksygenkorrosjon

Skjematisk fremstilling av rusting av jern (grå) i nærvær av vann (blått) og oksygen (hvitt). Se tekst for en forklaring av sifrene.

I tilfelle oksygenkorrosjon (forvitring av jern til rust) fungerer oksygen som et oksidasjonsmiddel: det absorberer elektroner.

I skjematisk fremstilling av gitteret (se bilde) er det en dråpe vann (blå) på en jernoverflate (grå), omgitt av luft (hvit). I henhold til spenningsserien til elementene diffunderer de positivt ladede jernionene i det vandige miljøet, elektronene forblir i metallet og lader det negativt, se ① i skjematisk tegning.

Nøytralt vann inneholder 10 ⁻⁷ mol / L hydrogenioner ( autoprotolyse ):

${\ displaystyle \ mathrm {H_ {2} O \ rightleftharpoons \ H ^ {+} + OH ^ {-}}}$

Den negative ladningen av metallet og grenselaget av positivt ladede jernioner over jernoverflaten forhindrer generelt rask reaksjon med protoner: oksygen og luftfritt vann angriper ikke jernmetallet.

Imidlertid, hvis oksygen er til stede, tar det over transporten av elektronene. Den diffunderer fra utsiden til vanndråpene (se diagram). Forskjellen i konsentrasjon i vanndråpet skaper nå en potensiell forskjell mellom ② og ③. Det anodiske området ② og det katodiske området ③ danner en galvanisk celle med vannet som elektrolytt , en redoksreaksjon finner sted.

Elektronene reagerer med vann og oksygen for å danne hydroksidioner, se ③ i diagrammet:

${\ displaystyle \ mathrm {H_ {2} O + {\ frac {1} {2}} \ O_ {2} +2 \ e ^ {-} \ longrightarrow 2 \ OH ^ {-}}}$

Hydroksidionene og jernionene danner jern (II) hydroksid ④.

Jern (II) hydroksid er olivengrønn til grågrønn og omdannes til jern III-ioner i nærvær av vann og luft. Sammen med hydroksidionene dannes rustbrunt jern (III) hydroksid i denne andre redoksreaksjonen :

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Fe ^ {2 +} + 4 \ (OH) ^ {-} + {\ frac {1} {2}} \ O_ {2} + H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ Fe (OH) _ {3}}}$

I forenklet form er den samlede reaksjonsplanen således:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ Fe + {\ frac {3} {2}} \ O_ {2} +3 \ H_ {2} O \ longrightarrow 2 \ Fe (OH) _ {3}}}$

På grunn av utslipp av vann dannes det lite løselige jern (III) oksydhydroksid som avsettes på jernoverflaten ved ⑤:

${\ displaystyle \ mathrm {Fe (OH) _ {3} \ longrightarrow FeO (OH) \ cdot H_ {2} O}}$

Følgende operasjoner finner også sted:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ FeO (OH) \ cdot H_ {2} O \ longrightarrow Fe_ {2} O_ {3} +3 \ H_ {2} O}}$

${\ displaystyle \ mathrm {Fe (OH) _ {2} \ longrightarrow FeO + H_ {2} O}}$

Den opprinnelig dannede blandingen av jern (II) hydroksid og jern (III) hydroksyd dannes således ved delvis vannutslipp til en stabil blanding av jern (II) oksid, jern (III) oksid og krystallisasjonsvann implementert, i det folket kjent som rust betegnet blir:

${\ displaystyle \ mathrm {\ mathrm {x \ Fe ^ {II} O \ cdot y \ Fe _ {\ 2} ^ {III} O_ {3} \ cdot z \ H_ {2} O}}}$ (x, y, z positive forhold)

Akselererende faktorer i rustdannelse

Når jern kommer i kontakt med et annet metall, opprettes et lokalt element ved kontaktpunktet , noe som fører til korrosjon av det mindre edle metallet. Rustprosessen akselereres også av tilstedeværelsen av salter, da disse øker vannets ledningsevne. Vandringen av ionene i vannet er viktig for korrosjonsprosessen, ellers vil kretsløpet bli avbrutt og korrosjonen vil stoppe veldig raskt (se saltbro i en vanlig elektrokjemisk celle).

Oksidasjons- og korrosjonsprosesser som ligner rustdannelse

Vannfrie oksidasjonsprodukter som dannes på overflaten av jern ved høye temperaturer, er kjent som skala . I motsetning til rust består de av vannfrie eller hydroksydfrie jernoksider med forskjellige oksidasjonstilstander . Spesielt når du smører glødende jern, slår hammerslag av tynne gråsvarte jernoksydlag fra overflaten, som er kjent som hammerslag .

Selv med andre metaller som sink , krom , aluminium eller nikkel , hvorav noen også er mindre edle enn jern, er det bare de øverste atomlagene som oksiderer til et knapt synlig oksydlag som beskytter metallet nedenfor fra ytterligere reaksjon med oksygen (se også passivering ).

I nærvær av luft og vann kan imidlertid forvitringsprosesser og korrosjon oppstå. B. med kobber til patina . Med jern kommer imidlertid ikke korrosjonen i rust / materialgrensesnittet til å stanse, fordi den elektriske ledningsevnen til den allerede dannede (fuktige) rusten og dens oksygenpermeabilitet favoriserer ytterligere korrosjon ved rust / materialgrensesnittet.

Ved temperaturer over 180 ° C dannes beskyttende lag av magnetitt (Fe ₃ O ₄ ) på overflatene av jernholdige materialer når de utsettes for vanndamp ved høye temperaturer . Det er skapt ved reaksjon av metallisk jern med vannmolekyler for å danne hydrogen. Når det gjelder rør i høytrykkskar med lokalt veldig høy termisk belastning, kan denne reaksjonen finne sted mer intenst og er noen ganger en av årsakene til rørrivninger. Høye pH-verdier i vannet, spesielt i nærvær av alkalioner, akselererer i tillegg denne reaksjonen.

Rustfjerning

Fjerning av mekanisk rust

Sterkt rustne metaller kan frigjøres for rust ved børsting eller sliping. En av de mest effektive metodene for å fjerne støv er sprengning med sand eller lignende materialer som er fri for silisiumdioksyd. Denne metoden brukes hovedsakelig i teknologi før maling. Hvis sandblåsingsmetoden ikke er tilstrekkelig, kan den pneumatiske nåleskaleren også brukes. Fullstendig fjerning av rust ned til det nakne metallet er en av forutsetningene for at et korrosjonsbestandig belegg skal oppnås.

Lett rust kan også vaskes av med en svak syre . Fortynnet fosforsyre er for eksempel egnet . For at syren ikke skal angripe metallet, må den skylles av med mye vann. Metallet må tørkes grundig og beskyttes mot ytterligere korrosjon. Fosforsyre fungerer også som rustomformer og brukes for eksempel i forskjellige blandinger for reparasjon av biler .

Med alle disse metodene for å fjerne støv, blir rusten fjernet og det rustne materialet går tapt.

Korrosjonsbeskyttelse

Tre strategier for korrosjonsbeskyttelse kan utledes fra modellen :

Holdes vekk fra oksygen

Eksempler:

• Jernvarmerør ruster ikke på innsiden hvis vannet ledes i et lukket system uten luftinntak. I tillegg avtar løseligheten av oksygen når vannet varmes opp.
• Med sprinklersystemer er det lagt stor vekt på at vannet i de fylte rørene nesten aldri blir fornyet. På denne måten kan de ikke ruste gjennom, fordi oksygenet som opprinnelig var i vannet, raskt er oppbrukt og vannet er derfor oksygenfritt.

Imidlertid kan disse reaksjonene også forhindres av forskjellige andre beskyttende tiltak. Et eksempel på dette er passivering : belegget med slike mindre edle metaller som danner et stabilt oksydlag. Et metall kan også forsynes med et annet metall som et beskyttende lag mot oksidasjon ved galvanisering , galvanisering eller forkroming . Ytterligere beskyttende belegg er diffusjonssikker og porefri maling og belegg med plast og spunnet betong.

Holdes vekk fra fuktighet

Siden vann fungerer som en elektrolytt i reaksjonen på rustutvikling, er det en god motstrategi å holde det tørt. For eksempel er det praktisk talt ingen rustskader på biler i områder med lav luftfuktighet .

Rørlednings rør og platestål brytes rundt kabler (for telefon og elektrisitet til omkring 1970) var dekket med asfalt takbelegg fylte jute matter eller strimler for å hindre at jord fra å fukte med vann. Selv i dag er områdene som er spesielt utsatt for korrosjon, der trafikklys eller lampemaster eller jordingstenger trenger inn på fortauet, utstyrt med et bituminøst, fettete eller betongdeksel.

En annen mulighet er beskyttende lag laget av fett , maling , krom eller metallbelegg (metallbelegg) som beskytter jernet mot omgivelsene ( varmforsinking , blikk ). Så snart dette beskyttende laget er ødelagt, begynner rustprosessen.

Rustfritt stål er en jernlegering med et krominnhold på mer enn 12% og er beskyttet mot oksidasjon av kromoksydlaget .

Reduksjon av potensiell forskjell i lokale elementer

Eksempel 1: Varmforsinking gir langvarig beskyttelse av jern mot rust. Hvis belegget er skadet, dannes sink og jern et lokalt element når det utsettes for vann (ligner på et batteri). Sink, det mindre edle metallet, tærer og beskytter jern mot oksidasjon. I de fleste sinkstøvmalinger ("sink spray") kan imidlertid sink ikke ha en galvanisk effekt, da det er isolert fra bindemiddelet. Bare sinkstøvmaling med et elektrisk ledende bindemiddel eller sinkstøvmaling basert på epoksyharpiks med en passende pigmentvolumkonsentrasjon ( PVC ), der sinkpartiklene berører, gir god beskyttelse mot korrosjon.

I tilfelle av et belegg med et mer edelt metall (for eksempel tinn for blikk ), skjer det motsatte. Strykejernet vil ruste, muligens dekket av det beskyttende laget (se bilde av drikkeboksen). Tilstedeværelsen av et mer edelt metall fremmer til og med oksidasjon. Det lokale elementet laget av jern og det mer edle metallet forhindrer den beskyttende negative ladningen av jernet (se ovenfor).

Eksempel 2: Jernrør er elektrisk koblet til en såkalt offeranode laget av et mindre edelt metall. Som i det første eksemplet er jern beskyttet på bekostning av offeranoden, forutsatt at begge er i kontakt via en elektrolytt , f.eks. Fuktig jord.

Eksempel 3: I stedet for en offeranode beskytter en elektrisk ledende elektrode (f.eks. Grafitt) også hvis den holdes på et positivt potensial i forhold til jernet via en ekstern likestrømskilde. Dette kalles katodisk korrosjonsbeskyttelse , som brukes i rørledninger og i brokonstruksjon .

Se også

• Anodisering (overflateoksidasjon av aluminium ), varmforsinking , filmgalvanisering
• Lakkering (f.eks. Av sølv)
• Flash-rust , kobberpatina (korrosjon av kobber ), hvit rust (korrosjon av sink )
• Korrosjonsbeskyttelse , rustomformer
• Limonitt , en blanding av forskjellige jernoksider

litteratur

• Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze (red.): Materialvitenskap. Schroedel, Hannover et al. 1978, ISBN 3-507-96002-8 (7., revidert utgave. Springer, Berlin et al. 2000, ISBN 3-540-66855-1 ).
• Herbert E. Hömig: Fysisk-kjemiske grunnleggende fôrvannskjemi . 2. utgave. Vulkan Verlag Dr. W. Classen, Essen 1963.
• Werner Schatt (red.): Introduksjon til materialvitenskap. Tysk forlag for grunnleggende industri, Leipzig 1991, ISBN 3-342-00521-1 .

weblenker

Wiktionary: rust  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• chemieunterricht.de: Kjemiske eksperimenter med korrosjon
• deutschlandfunk.de , essay og diskurs , 4. juni 2017, Torsten Körner : Rust sover aldri
• Wissenschaft.de: Hvordan rust blir nyttig : "Jernoksid i form av nanopartikler kan bidra til å rense drikkevann ."

Individuelle bevis

1. ^ Rompps kjemieleksikon. 6 bind. 8., reviderte og utvidede utgave. Franckh, Stuttgart 1979–1988, ISBN 3-440-04510-2 .
2. Me Georg Meichsner, Thomas G. Mezger, Jörg Schröder: Måling og kontroll av malingsegenskaper. Reologi - grensesnitt - kolloider. Vincentz Network, Hannover 2003, ISBN 3-87870-739-8 .