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Realschule 8 · Chemie
Wasser, Metalle und Luft: Zusatzaufgaben für Klasse 8 · Metalle und Metallgewinnung

Korrosion, Korrosionsschutz und Recycling

Ein Fahrrad steht den ganzen Winter im Hof in Dortmund. Im Frühjahr ist die Kette braun und rau, während die Aluminiumteile des Rahmens noch glänzen. Warum rostet das eine Metall und das andere nicht? Und was passiert eigentlich mit alten Metallen, wenn man sie nicht mehr braucht?

Was ist Korrosion?

Metalle reagieren oft mit Stoffen aus ihrer Umgebung, besonders mit Sauerstoff. Dabei verändern sich Oberfläche und Eigenschaften des Metalls.

Rost ist rotbraun, bröckelig und porös. Er ist eine Verbindung aus Eisen und Sauerstoff (Eisenoxid). Das Metall wird dadurch weicher und brüchiger. Jedes Jahr entstehen dadurch Schäden in Milliardenhöhe, zum Beispiel an Brücken, Autos und Rohren.

Wortgleichung (vereinfacht): Eisen + Sauerstoff → Eisenoxid (Rost)

Was braucht Eisen zum Rosten?

Man legt Eisennägel unter verschiedene Bedingungen, wie in der Skizze:

Vier Reagenzgläser mit Eisennägeln unter verschiedenen Bedingungen: trockene Luft, abgekochtes Wasser mit Öl, feuchte Luft, Salzwasser 1 Trocken 2 Ohne O₂ 3 Feucht 4 Salzwasser Calciumchlorid abgekocht + Öl Wasser + Luft Salz + Luft

Ergebnis solcher Versuche: Eisen rostet nur, wenn Sauerstoff und Wasser (Feuchtigkeit) zugleich vorhanden sind. Fehlt einer der beiden Stoffe, rostet es nicht. Salz im Wasser beschleunigt das Rosten. Deshalb rosten Autos im Winter nach dem Streusalz besonders schnell.

Üben★☆☆
Erkläre in einem Satz, was Korrosion ist, und nenne ein Beispiel.

Erkläre in einem Satz, was Korrosion ist, und nenne ein Beispiel.

Lösen
Üben★☆☆
Damit Eisen rostet, müssen zwei Stoffe vorhanden sein. a) Nenne diese beiden Stoffe. b) Nenne zwei Möglichkeiten, Eisen vor Rost zu schützen.

Damit Eisen rostet, müssen zwei Stoffe vorhanden sein.

  1. a) Nenne diese beiden Stoffe.
  1. b) Nenne zwei Möglichkeiten, Eisen vor Rost zu schützen.
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Üben★★☆
Vier Eisennägel liegen unter verschiedenen Bedingungen: 1) trockene Luft, 2) Wasser ohne Sauerstoff (abgekocht, mit Ölschicht), 3) feuchte Luft, 4) Salzwasser und Luft.…

Vier Eisennägel liegen unter verschiedenen Bedingungen:

1) trockene Luft, 2) Wasser ohne Sauerstoff (abgekocht, mit Ölschicht), 3) feuchte Luft, 4) Salzwasser und Luft.

  1. a) Gib an, in welchen Fällen die Nägel rosten.
  1. b) Sage voraus, in welchem Fall der Rost am stärksten ist, und begründe.
Lösen

Korrosionsschutz

Wenn Rosten Sauerstoff und Wasser braucht, muss man nur dafür sorgen, dass beides nicht an das Eisen kommt. Das geht auf mehreren Wegen.

Verfahren Wirkung Beispiel
Lackieren Schicht trennt das Metall von Luft und Wasser Auto, Geländer
Ölen, Fetten Ölfilm hält Wasser und Sauerstoff fern Fahrradkette, Werkzeug
Verzinken Zinkschicht auf dem Eisen Leitplanken, Eimer
Legieren Zusatzmetalle machen den Stahl beständig Edelstahl (Besteck, Spüle)
Eloxieren Verdickte Oxidschicht bei Aluminium Fensterrahmen

Opferanode: Warum Verzinken auch bei Kratzern hilft

Bei einer Lackschicht ist der Schutz weg, sobald sie einen Kratzer hat. Dann rostet das Eisen an dieser Stelle und der Rost kriecht unter den Lack. Bei verzinktem Eisen ist das anders. Zink ist unedler als Eisen. Es reagiert also lieber mit Sauerstoff als Eisen. Wird die Zinkschicht verletzt, korrodiert zuerst das Zink, und das Eisen bleibt geschützt. Das Zink „opfert“ sich.

Üben★★☆
Brücken und Autos werden durch verschiedene Verfahren vor Korrosion geschützt: Lackieren, Verzinken, Ölen. a) Erkläre bei jedem Verfahren, wie es wirkt. b) Erkläre,…

Brücken und Autos werden durch verschiedene Verfahren vor Korrosion geschützt: Lackieren, Verzinken, Ölen.

  1. a) Erkläre bei jedem Verfahren, wie es wirkt.
  1. b) Erkläre, warum verzinktes Eisen auch bei einem Kratzer geschützt bleibt (Zink ist unedler).
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Warum Aluminium nicht „rostet“

Aluminium ist ein sehr unedles Metall. Trotzdem halten Fensterrahmen und Getränkedosen aus Aluminium jahrelang. Der Grund liegt in der Oxidschicht.

An der Luft bildet Aluminium sofort eine hauchdünne, feste und dichte Schicht aus Aluminiumoxid. Sie haftet fest am Metall und lässt weder Sauerstoff noch Wasser durch. Das Metall darunter wird nicht weiter angegriffen. Man sagt: Das Aluminium passiviert sich selbst.

Eisenrost dagegen ist porös und locker. Er blättert ab und lässt Luft und Wasser hindurch. Darunter rostet das Eisen weiter, bis nichts mehr übrig ist.

Vergleich: dichte Oxidschicht auf Aluminium schützt, poröser Rost auf Eisen lässt Sauerstoff und Wasser durch Aluminium Eisen Al Fe dichte Al₂O₃-Schicht poröser Rost

Die Reaktionsgleichung für die Bildung von Aluminiumoxid:

$$4\,\mathrm{Al} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{Al_2O_3}$$
Üben★★★
Aluminium bildet an der Luft eine dünne, feste Oxidschicht, Eisenrost dagegen ist porös. a) Erkläre, warum Aluminium trotz seiner Unedelkeit dauerhaft haltbar ist. b)…

Aluminium bildet an der Luft eine dünne, feste Oxidschicht, Eisenrost dagegen ist porös.

  1. a) Erkläre, warum Aluminium trotz seiner Unedelkeit dauerhaft haltbar ist.
  1. b) Erkläre, warum Rost das darunterliegende Eisen nicht schützt.
  1. c) Formuliere die Reaktionsgleichung der Bildung von Aluminiumoxid aus Aluminium und Sauerstoff.
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Recycling von Metallen

Metalle entstehen aus Erzen, und Erze sind nicht unbegrenzt vorhanden. Der Abbau und die Verhüttung brauchen viel Energie und belasten die Umwelt. Altmetall kann man dagegen einschmelzen und wieder verwenden.

Gut recycelbar sind zum Beispiel:

  • Eisen und Stahl (Autos, Dosen, Träger) werden zu neuem Stahl,

  • Aluminium (Getränkedosen, Folien) wird zu neuen Dosen und Profilen,

  • Kupfer (Kabel, Rohre) wird wieder zu Kabeln und Rohren.

Vorteile des Recyclings: Es spart Erz, Energie und Platz auf Deponien und verringert den Ausstoß von CO₂.

Üben★☆☆
Nenne drei Metalle, die man gut recyceln kann, und gib an, wofür sie verwendet werden.

Nenne drei Metalle, die man gut recyceln kann, und gib an, wofür sie verwendet werden.

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Üben★★☆
In Deutschland werden jährlich etwa $40$ Millionen Tonnen Stahl erzeugt, davon rund $12$ Millionen Tonnen aus Schrott. a) Berechne den Anteil des Schrotts in Prozent. b)…

In Deutschland werden jährlich etwa $40$ Millionen Tonnen Stahl erzeugt, davon rund $12$ Millionen Tonnen aus Schrott.

  1. a) Berechne den Anteil des Schrotts in Prozent.
  1. b) Nenne zwei Gründe, warum Recycling Rohstoffe und Energie spart.
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Üben★★★
Beim Recycling von Aluminium wird nur etwa $5\ \%$ der Energie benötigt, die für die Neugewinnung aus Bauxit nötig ist. Die Neugewinnung braucht etwa $50\ \text{kWh}$…

Beim Recycling von Aluminium wird nur etwa $5\ \%$ der Energie benötigt, die für die Neugewinnung aus Bauxit nötig ist. Die Neugewinnung braucht etwa $50\ \text{kWh}$ pro Kilogramm.

  1. a) Berechne den Energiebedarf für das Recycling von $1\ \text{kg}$ Aluminium.
  1. b) Berechne die Energieeinsparung beim Recycling von $200\ \text{kg}$ (zum Beispiel Getränkedosen).
  1. c) Bewerte, was das für dein Konsumverhalten bedeutet (Pfandsystem, Mehrweg).
Lösen

Elektroschrott und nachhaltiges Handeln

In einem Smartphone stecken Kupfer, Gold, Kobalt und seltene Metalle. Sie sind begrenzt und werden oft unter schwierigen Bedingungen abgebaut. In vielen Schubladen liegen ungenutzte Altgeräte. Die Metalle darin gehen so verloren.

Gründe für Recycling von Elektroschrott: wertvolle Rohstoffe werden zurückgewonnen, Umwelt und Landschaft werden weniger belastet, und es braucht weniger Energie als der Neuabbau.

Schwierigkeiten: Die Metalle sind in kleinen Mengen eng verbaut und mit Kunststoffen verklebt. Das Zerlegen ist aufwendig. Viele Geräte werden außerdem nicht abgegeben, sondern bleiben in Schubladen oder landen im Hausmüll.

Bei einer Stellungnahme gehst du so vor: Nenne deine Position, begründe sie mit zwei bis drei Argumenten und ziehe ein Fazit.

Üben★★★
Ein Smartphone enthält Kupfer, Gold, Kobalt und seltene Metalle. Viele alte Geräte liegen ungenutzt in Schubladen. a) Nenne zwei Gründe, warum Metallrecycling bei…

Ein Smartphone enthält Kupfer, Gold, Kobalt und seltene Metalle. Viele alte Geräte liegen ungenutzt in Schubladen.

  1. a) Nenne zwei Gründe, warum Metallrecycling bei Elektroschrott wichtig ist.
  1. b) Nenne zwei Schwierigkeiten beim Recycling.
  1. c) Verfasse eine kurze Stellungnahme (4–5 Sätze), ob man Geräte länger nutzen oder regelmäßig erneuern sollte.
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Zurück zum Anfang: Die Aluminiumteile des Fahrrads sind durch ihre dichte Oxidschicht geschützt, die Eisenkette rostet, weil Rost porös ist. Das Altmetall des Fahrrads kann man später recyceln.

Los geht's! 9 Aufgaben in diesem Abschnitt
★☆☆ Erkläre in einem Satz, was Korrosion ist, und nenne ein Beispiel.★☆☆ Damit Eisen rostet, müssen zwei Stoffe vorhanden sein. a) Nenne diese beiden Stoffe. b)…★☆☆ Nenne drei Metalle, die man gut recyceln kann, und gib an, wofür sie verwendet werden.

Auf einen Blick

  • Korrosion ist die Zerstörung von Metallen durch Reaktion mit Stoffen der Umgebung. Eisen rostet nur, wenn Sauerstoff und Wasser zugleich vorhanden sind. Salz beschleunigt das Rosten.

  • Korrosionsschutz: Lackieren, Ölen, Verzinken, Legieren. Zink ist unedler als Eisen und schützt es auch bei Kratzern („Opfer“).

  • Aluminium bildet eine dichte Oxidschicht: $4\,\mathrm{Al} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{Al_2O_3}$. Rost ist porös und schützt nicht.

  • Recycling spart Erz, Energie und Müll. Aluminiumrecycling braucht nur etwa $5\,\%$ der Energie der Neugewinnung.

  • Bei Elektroschrott sind Rückgabe und lange Nutzung wichtig.

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