Forscher im Kampf gegen Korrosion

Elektronenklau durch Sauerstoff

„Der Evansche Tropfenversuch“: Dieses Experiment erdachte der britische Chemiker Ulick Richardson Evans. Es untersucht, wie ein Wassertropfen eine Eisenoberfläche rosten lässt. Bild vergrößern
„Der Evansche Tropfenversuch“: Dieses Experiment erdachte der britische Chemiker Ulick Richardson Evans. Es untersucht, wie ein Wassertropfen eine Eisenoberfläche rosten lässt. [weniger]

In der Rostbildung überwiegt ein Korrosionsprozess, bei dem im Wasser gelöster Luftsauerstoff die Hauptrolle spielt. In einem mehrstufigen Oxidationsprozess entsteht in dem Tropfen ein Gemisch aus Eisen(II)- und Eisen(III)-Oxiden. Die römischen Ziffern beschreiben, wie viele Elektronen die Eisenatome dem Sauerstoff geopfert haben. Hinzu kommt „Kristallwasser“, das diese Oxide in sich einschließen. Besonders dadurch „bläht“ sich Rost im Vergleich zum reinen Eisen auf: Bei gleicher Anzahl von Eisenatomen braucht Rost viel mehr Volumen. Der Rost passt mit seiner XXL-Größe nicht mehr auf das Eisen und platzt Stück für Stück ab. Darunter gibt er reines Eisen frei, das der Korrosion wehrlos ausgesetzt ist. So frisst sich der Rost immer tiefer ins Eisen hinein.

Bei Stahl läuft die Korrosion oft komplexer ab, wobei die Korrosionsanfälligkeit von der Stahlsorte abhängt. Aber was ist eigentlich Stahl? „Stahl besteht natürlich vor allem aus Eisen und etwas Kohlenstoff, aber es kommen noch andere chemische Elemente hinzu“, erklärt die Doktorandin Julia Klemm: „Bei rostfreien Edelstählen sind es oft Chrom und Nickel.“ Schon seit Tausenden von Jahren wissen Schmiede: Eisen wird viel härter, wenn sie es beim Schmieden mit Kohle in Kontakt bringen. Erst das Beimischen von Kohlenstoff macht Eisen überhaupt zu Stahl. Chemisch gesehen ist Stahl eine „Legierung“, also ein metallischer Werkstoff aus mehreren chemischen Elementen. Der unterschiedliche Mix verschiedener Zutaten beeinflusst die Materialeigenschaften der Stahlsorten.

Ein hoher Anteil von Chrom im Stahl verhindert Korrosion, weshalb die Düsseldorfer Max-Planck-Forscher diesem Element ihre besondere Aufmerksamkeit widmen. Molybdän wird Stahl gerne zugegeben, um ihn noch besser zu machen. Doch nicht allein die vielfältige Rezeptur der Stahllegierungen macht die Korrosionsforschung unübersichtlich. Auf mikroskopischer Größenskala zeigt sich, dass Stahl – wie jedes normale Metall – kein gleichmäßiges Material ist. Wie Eisen besteht Stahl aus vielen winzigen Kristallen, sogenannten Kristalliten, die wie ein Mikromüsliriegel zusammengebacken sind. Im Unterschied zu reinem Eisen können sich diese Kristallite im Stahl chemisch stark unterscheiden. Die verschiedenen Kristallit-Sorten sind deshalb unterschiedlich korrosionsanfällig.

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