An die lustigen Geschichten mit Ritter Rost in unserer Kindheit erinnern sich wohl die meisten noch recht gern. Doch in unserem Alltag ist Rost gar nicht mehr so lustig. Das Auto ist ständig gefährdet, die Metallkonstruktion des Gewächshauses löst sich langsam auf und auch im großen Stil ist Rost ein Problem. Seit der Entdeckung des Eisens durch den Menschen verwenden wir dieses stabile Material und später dann Stahl für riesige Konstruktionen wie Brücken, Schiffe und Stahlbetonbauten. Und denkt nur an die unzähligen Schienen, die im Laufe der Jahrhunderte schon durch den Rostfrass zerstört worden sind. Doch wie entsteht Rost eigentlich und was ist das genau? Genau diesen Fragen wollen wir heute nachgehen.

Was ist eigentlich Rost?

Ehe wir uns der Frage widmen, wie genau Rost entsteht, ein paar kurze Worte dazu, was Rost eigentlich ist. Gemeinhin spricht von Rost als Korrosion, was ja nicht verkehrt ist. Aber nicht jede Korrosion ist auch für das Material schädlich. Fast alle Metalle oxidieren nämlich beim Kontakt mit Sauerstoff und Wasser. Doch bei den meisten entsteht dadurch eine natürliche Schutzschicht – die Oxidschicht. Diese ist undurchlässig und schützt das darunterliegende Material vor weiterer Oxidation. Sicher kennt ihr die berühmte grüne Patina der kupfernen Verblendungen von Türmen und Dächern. Das ist genau so eine Oxidschicht.

Auch beim Eisen bildet sich beim dauerhaften Kontakt mit Wasser bzw. Feuchtigkeit und Sauerstoff eine Oxidschicht, doch schützt diese das Material leider nicht. Als einziges Metall bildet Eisen Rost. Rost ist eine wasserhaltige Eisenoxid-Verbindung an der Oberfläche des Materials. Sie ist porös und bildet somit eine noch viel größere Angriffsfläche für weiteren Rost. Metalle, wie Eisen und Stahl können dann komplett durchrosten und zerstört werden. Aufgrund dieser Eigenschaften unterscheiden wir auch Eisenmetalle (rostende Metalle) und Nichteisenmetalle (nicht rostende Metalle).

Wie entsteht Rost?

Nun gehen wir aber tiefer auf die Frage ein. Wie entsteht Rost? Die Korrosion durch Oxidation von Eisen durch Sauerstoff in Verbindung mit Wasser bzw. Feuchtigkeit ist ein chemischer Prozess, der sich auf molekularer Ebene abspielt. Zur Rostbildung kommt es aufgrund unterschiedlicher Ladungen der Moleküle. Sauerstoff greift das Eisen an, denn dem Sauerstoffatom fehlen zwei Elektronen, damit die äußere Elektronenschale voll besetzt ist. Sauerstoff können wir also grundsätzlich als einen aggressiven Elektronenräuber bezeichnen. Der Diebstahl der Elektronen heißt Oxidation (vom altgriechischem Namen Oxygenium für Sauerstoff abgeleitet).

Grundsätzlich schadet Oxidation dem Eisen erst einmal nicht. Nur in Reaktion mit Sauerstoff (ohne Einfluss von Wasser)gibt Eisen sehr bereitwillig Elektronen an das Sauerstoffatom ab und schadet sich damit nicht selbst. Wie bei anderen Metallen bildet sich eine dünne Oxidschicht aus Eisen(II)-Oxid, die vor weiterer Zerstörung schützt. Daher kommt es auch, dass in sehr trockenen Gebieten das Eisen nicht so schnell rostet wie zum Beispiel in unseren Gefilden. Ganz anders sieht es aus, wenn Feuchtigkeit ins Spiel kommt und Feuchtigkeit gibt es in unserer Luft immer, egal, ob als Niederschlag oder dadurch, dass die Luft immer in verschiedenen Graden feucht ist.

Rost durch Sauerstoff und Wasser

Erst wenn Sauerstoff und Wasser auf das Eisen und den Stahl einwirken, bildet sich bei dieser chemischen Reaktion Rost. Chemisch besteht Rost aus einer Mischung von Eisen(II)-Oxid, Eisen(III)-Oxid und Kristallwasser. Der Prozess, der dabei abläuft, wird Sauerstoffkorrosion genannt.

Die Sauerstoffmoleküle dringen in die Wassermoleküle ein. Sie verbinden sich nun nicht mit den Eisenatomen, sondern reagieren mit den Wassermolekülen und den Eisenelektronen zu Hydroxid -Ionen. Diese sind negativ geladenen und reichern sich im Wasser an. Das Metall will den Elektronenverlust ausgleichen und es strömen also Elektronen aus dem Metall nach. Dadurch entsteht wiederum ein Elektronenmangel. Positiv geladene Eisenatome wandern in die Wassertropfen und treffen dort auf die negativ geladenen Hydroxid-Ionen. Die unterschiedlichen Ladungen führen dazu, dass sich beide miteinander verbinden und bilden grünes bis olivbraunes Eisen(II)-Hydroxid.

Fe² +2 OH = Fe (OH)₂

Sauerstoff und Wasser sind nun aber immer noch da und das Eisen(III)-Hydroxid wird zu Eisen(III)-Ionen umgesetzt und es entsteht Eisen(III)-Hydroxid. Dieses nun sieht schon so rostbraun aus, wie wir das kennen. Wir haben jetzt ein Gemisch aus Eisen(II)-Hydroxid und Eisen(III)-Hydroxid. Im Laufe der Zeit wird nun wieder Wasser freigesetzt. Unser Hydroxid-Gemisch wird zu dem beständigen Gemisch aus Eisen(II)-Oxid und Eisen(III)-Oxid und Kristallwasser- dem Rost. Durch das Kristallwasser (im Festkörper gebundenes Wasser) braucht Rost viel mehr Volumen als reines Eisen. Es bläht sich auf, bröselt und platzt ab. Durch das Abplatzen wird wieder reines Eisen freigelegt und der ganze mehrstufige Oxidationsprozess beginnt von vorne. So wird nach und nach das gesamte Material zerstört. Es verwittert.

Wir haben den Prozess gekürzt und stark vereinfacht dargestellt. Es ist sicherlich in eurem Sinne. Bei Stahl läuft der Prozess meist noch komplexer ab, da andere chemische Elemente wie Chrom und Nickel noch hinzukommen. Diese, vor allem Chrom, verzögern den Prozess. Je höher der Anteil von Chrom in der Legierung Stahl, desto weniger anfällig wird er für Rostbildung.

Rost durch Säure

Auch durch Säure kann ein Korrosionsprozess in Gang gesetzt werden. Bei der Säurekorrosion spricht man auch von der Wasserstoffkorrosion. Hier wird das Metall, vor allem Eisen, aber auch Kupfer durch die Protonen der Säure angegriffen. Nicht der Sauerstoff, sondern die Protonen der Säure, in dem Fall Wasserstoff-Ionen, wirken als Oxidator. Es entsteht dabei aber kein Rost, sondern das Material wird in sich destabilisiert und spröde. Man spricht daher auch von Wasserstoffversprödung. Zusätzlich zum Angriff auf das Material durch die Säure vollzieht sich dann noch der oben erläuterte Prozess der Rostbildung durch Sauerstoff in Verbindung mit Wasser.

Ein natürliches In-Gang-Setzen des Rostvorgangs durch die Verbindung von Schadstoffen mit Wasser zu Säure wie Schwefel zum Beispiel ist bei uns in Deutschland zumindest, kaum noch möglich, da unsere Luft seit den 80er Jahren viel sauberer geworden ist. Die Gefahr des sauren Regens, der nicht nur Wälder besonders angegriffen hat, sondern eben auch die Rostbildung in Eisen und Stahl antreibt, ist in unseren Breiten gebannt. Wollt ihr aber Edelrost selber machen, dann nutzt ihr genau dieses Prinzip, um den Rostvorgang zu starten.

Schiffe sind durch das Meerwasser besonders anfällig für Rost

Beschleunigung der Rostbildung

Die Rostbildung kann  durch andere Metalle und vor allem durch Salze beschleunigt werden. Berührt zum Beispiel ein anderes Metall euer Eisen, entsteht an der Stelle des Kontaktes ein sogenanntes Lokalelement. Dieses führt zur Oxidation des unedleren Metalles, in dem Falle also dem Eisen.

Besonders Salze steigern die Bildung von Rost, denn Salze, zum Beispiel Natriumchlorid, erhöhen die Leitfähigkeit des Wassers. Dadurch erhalten die Salze quasi dauerhaft den Stromfluss und die chemischen Reaktionen permanent am Laufen. Die Salzionen sorgen also für einen dauerhaften und beschleunigten Ladungsausgleich an den Reaktionsorten. Sie fördern die Bildung der Hydroxid-Ionen und die Freisetzung der positiven Eisenatome. Das ist der Grund, warum gerade Schiffe besonders anfällig für Rost sind.

Rostähnliche Oxidation und Korrosionsvorgänge

Es gibt auch wasserfreie Oxidationsprodukte, die sich auf der Oberfläche von Eisen bilden können. Diese bilden sich bei hohen Temperaturen, wie zum Beispiel beim Schmieden. Diese Eisenoxide sind meist sehr dünn und grauschwarz. Das ist der sogenannte Hammerschlag beim Schmieden, der vom glühenden Eisen abplatzt.

Weitere rostähnliche Erscheinungen sind die Patina bei Kupfer oder der Weißrost bei Zink. Die Bildung von Weißrost bei Zink setzt sich im Gegensatz zum Rost bei Eisen aber nicht mehr weiter fort, sobald die Feuchtigkeit weg ist. Deswegen solltet ihr auch verzinkte Bleche immer witterungsgeschützt lagern. Bei dauerhafter Einwirkung von Feuchtigkeit kann auch Zink nach und nach zerstört werden.

Kann Edelstahl rosten?

Edelstahl ist dafür bekannt, dass es eben korrosionsgeschützt ist und nicht bzw. nicht so schnell rosten kann. Die Legierung ist ein Meilenstein in der Entwicklung, durch den wir im Alltag, beim Heimwerken und im Handwerk vor Rost geschützt sind. Es gibt aber auch den Edelstahl in unterschiedlichen Qualitäten. A4-Edelstahl beispielsweise ist resistenter als A2-Edelstahl und wird vor allem dann eingesetzt, wenn viel Wasser oder zusätzlich noch Salze den Reaktionsprozess vom Stahl/Eisen zum Rost antreiben. So sind Edelstahlschrauben in A4-Qualität zum Beispiel in Pools verarbeitet. Mehr zur Entwicklung des Edelstahls erfahrt ihr in unserem Beitrag Edelstahl – vom Stein zum Stahl und darüber hinaus.

Wir haben noch ein Video für euch, in dem alles noch einmal erklärt wird. Wenn euch also das nächste Mal jemand fragt: Wie entsteht Rost, dann seid ihr um eine Antwort nicht mehr verlegen. Wie man Rost entfernen kann, ohne dass er sich sofort wieder neu bildet und Werkstücke, Dekorationen und Bauten vor Rost schützen kann, werden wir euch natürlich in einem weiterem Beitrag im Theo-Schrauben-Handwerkerblog erklären.