Was führt dazu, dass ein Nagel rostet?

Der silberne Glanz eines neuen Nagels kann mit der Zeit anfangen, rotbraune Flecken zu zeigen, besonders wenn er längere Zeit den Elementen ausgesetzt ist. Dies ist der bekannte Beginn des Rostens. Die Ursachen des Rostens sind chemischer Natur und beinhalten Reaktionen mit Wasser und Sauerstoff.

Die Ursachen von Korrosion erfordern das Vorhandensein von Wasser und Sauerstoff. Wasser kann sich mit Kohlendioxid in der Luft zu Kohlensäure, einer schwachen Säure, verbinden.

Wenn diese saure Lösung Eisen erreicht, treten zwei Reaktionen auf. Zunächst löst das angesäuerte Wasser (ein guter Elektrolyt – dazu später mehr) einen Teil des Eisens auf, indem es Elektronen entzieht. Dann beginnt das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerfallen. Freier Sauerstoff reagiert mit gelöstem Eisen zu Eisenoxid und Eisenoxid ist Rost.

Aus dieser Erklärung lässt sich eine Wortgleichung für Rost erstellen:

Eisen + Wasser + Sauerstoff → Eisenoxid (Rost)

Die resultierende chemische Reaktion des Rostens ist:

4Fe(s) + 3O₂(g) + 6H₂O(l) → 4Fe (OH)₃(s)

Dieser poröse Rost, Fe (OH)₃(s) reagiert mit zusätzlichem Sauerstoff zu einem stärker kristallisierten Rost mit der Formel Fe₂Ö₃. xH₂0. Das hydratisierte Eisen(III)-oxid (Fe₂Ö₃) hat Wasser mit ca. 3/2 H₂Ö; die Wassermenge ist nicht festgelegt also das x vor dem H₂0.

Diese Reaktion erfolgt jedoch schrittweise.

Metalle wie Eisen lösen sich in einem elektrochemischen Prozess auf. Dies bedeutet, dass der Prozess wie eine elektrochemische Zelle (gemeinhin als Batterie gedacht) funktioniert.

Das Anode ist ein Ort, an dem das Metall belastet oder beschädigt ist. Das Kathode ist ein weiterer Teil des Metalls, der keiner Korrosion unterliegt. Wasser fungiert als Elektrolyt – die Brücke – und transportiert Ionen, um den Elektronenfluss in Bewegung zu halten, oder in diesem Fall den Elektronenfluss, der den Anodenbereich des Eisens korrodiert.

Alle elektrochemischen Prozesse beinhalten eine Art chemischer Reaktion namens Oxidation-Reduktion oder Redoxreaktionen. Bei einer Redoxreaktion findet ein Elektronentransfer statt. Die bei der Korrosion übertragenen Elektronen werden von der Oberfläche des Metalls aufgenommen und auf geeignete Elektronenakzeptoren wie Sauerstoff und Wasserstoff übertragen.

Redoxreaktionen können oft als Halbreaktionen platziert werden, um zu sehen, wie sich die Elektronen in der Reaktion bewegen. Die Oxidations-Halbreaktion verliert Elektronen, und die Reduktions-Halbreaktion gewinnt Elektronen.

Wenn Wasser mit Eisen, Fe, in Kontakt kommt, verliert das Eisen in einem Oxidationsprozess Elektronen:

• An der Anode Oxidationshalbreaktion: Fe (s) → Fe²⁺(wässrig) + 2_e_^-

Gleichzeitig kann an der Kathode eine Reduktionshalbreaktion sein:

• Reduktion von Sauerstoffgas: O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e^- → 4OH^- (wässrig) 
• Oder die Reduktion von Wasserstoff: 2H⁺(aq) + 2e- → H₂(G)
• Oder die Kombination aus beidem: O₂(g) + 4H⁺(wässrig) + 4_e_^- → 2H₂O(l)

Wenn Wasserstoffionen verbraucht werden, steigt der pH-Wert und wird weniger sauer, und OH^- Ionen erscheinen im Wasser. Diese reagieren zu Eisen(II)-Hydroxiden, die beginnen, aus der Lösung auszufallen:

2Fe²⁺(wässrig) + 4OH^- (wässrig) → 2Fe (OH)₂(s)

Da sowohl Wasser als auch Sauerstoff leicht verfügbar sind, wird selbst bei Stahl, einer hauptsächlich aus Eisen bestehenden Legierung, irgendwann Rost auftreten. Wenn es nicht aufgehalten wird, wird das Rosten über kleine Flecken hinaus weitergehen und die gesamte Oberfläche bedecken.

Die klaren Linien der ursprünglichen Form des Nagels weichen einem schuppigen Merkmal und dann kleinen Vertiefungen. Da das Eisenoxid ein sperrigeres Molekül ist als das ursprüngliche Eisen, nimmt es mehr Platz ein, was die Form des Nagels beim Rosten verzerrt. Diese verzerrte Form führt auch dazu, dass rostige Scharniere kleben und quietschen.

Mit der Zeit erreicht Rost den Kern und das Metallstück kann leicht in den Händen gebrochen werden. In Wasser gelöstes Salz ist keine der Ursachen für das Rosten, aber es beschleunigt den Prozess.