Warum rostet Eisen?

Eisen rostet, weil es mit Sauerstoff und Wasser eine chemische Reaktion eingeht, bei der Eisenoxid entsteht. Dieser Prozess heißt Korrosion und zerstört weltweit jedes Jahr Millionen Tonnen Stahl. In Deutschland verursacht Korrosion volkswirtschaftliche Schäden von rund 150 Milliarden Euro jährlich, das entspricht etwa drei bis vier Prozent des Bruttoinlandsprodukts. Anders als Gold, Aluminium oder Kupfer bildet Eisen keine schützende Oxidschicht. Stattdessen blättert der Rost ab und legt immer neue Metallflächen frei. Wie die Reaktion genau abläuft, welche Faktoren sie beschleunigen und wie du Rost verhindern kannst, erfährst du hier.

Wie die chemische Reaktion abläuft

Rosten ist eine elektrochemische Reaktion, bei der zwei Prozesse gleichzeitig stattfinden: Oxidation und Reduktion. An der Eisenoberfläche gibt das Metall Elektronen ab und wird zu Eisen-Ionen (Fe²⁺). Gleichzeitig nehmen Sauerstoffmoleküle diese Elektronen auf und verbinden sich mit Wasser zu Hydroxidionen (OH⁻). Beide Reaktionen brauchen einander. Ohne Wasser oder ohne Sauerstoff läuft der Prozess nicht ab.

In einem ersten Schritt reagieren die Eisen-Ionen mit den Hydroxidionen zu Eisen(II)-hydroxid, einer grünlich-weißen Verbindung. An der Luft oxidiert dieses weiter zu Eisen(III)-hydroxid und verliert dabei Wasser. Das Endprodukt ist Eisen(III)-oxid-hydroxid (FeOOH), die rotbraune Substanz, die wir als Rost kennen. In der Praxis ist Rost eine Mischung aus verschiedenen Eisenoxiden und Eisenhydroxiden mit eingelagertem Kristallwasser.

Der entscheidende Punkt: Rost haftet nicht fest auf der Eisenoberfläche. Er ist porös, brüchig und blättert ab. Dadurch liegt ständig frisches Eisen frei, das weiterrosten kann. Der Prozess stoppt nie von allein, solange Wasser und Sauerstoff vorhanden sind. Ein Eisennagel in feuchter Erde löst sich so über Jahre vollständig auf.

Was den Rost beschleunigt

Nicht jedes Eisenteil rostet gleich schnell. Die Korrosionsgeschwindigkeit hängt von mehreren Faktoren ab.

Salz. Salzwasser beschleunigt die Korrosion um den Faktor 10 im Vergleich zu reinem Regenwasser. Der Grund: Gelöste Salze erhöhen die elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Ionen wandern schneller, die elektrochemische Reaktion läuft effizienter. Deshalb rosten Autos in Küstenregionen und nach Streusalz-Wintern deutlich schneller. Kalziumchlorid im Streusalz ist besonders aggressiv, weil es unter Schutzschichten kriecht und dort Feuchtigkeit bindet.

Temperatur. Wärme beschleunigt chemische Reaktionen grundsätzlich. In tropischen Klimazonen korrodiert Stahl schneller als in trockenen, kalten Regionen. Pro 10 Grad Celsius Temperaturanstieg verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit ungefähr.

Luftfeuchtigkeit. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 40 Prozent rostet Eisen kaum, weil sich kein zusammenhängender Wasserfilm auf der Oberfläche bildet. Ab etwa 60 Prozent steigt die Korrosionsrate stark an. In Wüstenregionen bleiben Eisenteile deshalb erstaunlich lange erhalten.

Säuren. Saurer Regen (pH-Wert unter 5,6) greift Eisen stärker an als neutrales Wasser. Die Wasserstoffionen lösen die schützende Oxidschicht auf und beschleunigen die Oxidation des darunterliegenden Metalls.

Flugrost und Durchrostung: Die Stadien

Rost beginnt immer an der Oberfläche. Die erste Phase heißt Flugrost: eine dünne, rötliche Schicht, die sich leicht abwischen lässt. Der Begriff geht auf feine Eisenstäube zurück, die sich auf Gegenständen niederschlagen und an der Luft oxidieren. Flugrost ist harmlos, solange du ihn rechtzeitig entfernst.

Bleibt der Rost unbehandelt, frisst er sich tiefer ins Material. Das Eisen wird porös, es bilden sich Löcher und Risse. Sauerstoff und Wasser dringen durch die poröse Rostschicht an immer tiefere Metallschichten vor. Im Endstadium spricht man von Durchrostung: Das Material ist vollständig durchgefressen und hat seine strukturelle Festigkeit verloren. Bei Autos ist die Durchrostung von Schwellern, Radläufen und Bodenblechen ein häufiger Grund für das Scheitern bei der Hauptuntersuchung.

Warum andere Metalle nicht rosten

Gold, Aluminium und Kupfer rosten nicht, obwohl auch sie mit Sauerstoff reagieren können. Der Grund liegt in der Art ihrer Oxidschicht.

Gold ist das am wenigsten reaktive aller Metalle. Es reagiert unter normalen Bedingungen überhaupt nicht mit Sauerstoff. Goldschmuck aus dem alten Ägypten glänzt nach 3.000 Jahren noch wie am ersten Tag. Diese extreme Stabilität macht Gold zum Inbegriff der Beständigkeit.

Aluminium reagiert sogar sehr schnell mit Sauerstoff. Innerhalb von Millisekunden bildet sich eine hauchdünne Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Diese Schicht ist nur wenige Nanometer dick, aber extrem dicht, fest und lückenlos. Sie versiegelt das darunterliegende Metall komplett. Diesen Vorgang nennt man Passivierung. Im Unterschied zu Eisenrost haftet die Aluminiumoxidschicht perfekt auf dem Metall und bildet keine Poren.

Kupfer oxidiert ebenfalls, aber langsam. Über Jahrzehnte bildet sich eine grünliche Patina aus Kupfercarbonat, die sogenannte Grünspanschicht. Diese Patina ist dicht und schützt das darunterliegende Kupfer vor weiterer Korrosion. Kupferdächer halten deshalb 200 Jahre und mehr.

Edelstahl ist eine Eisenlegierung mit mindestens 10,5 Prozent Chrom. Das Chrom reagiert bevorzugt mit Sauerstoff und bildet eine Chromoxidschicht (Passivschicht), die das Eisen darunter schützt. Diese Schicht ist selbstheilend: Kratzer in der Oberfläche schließen sich von selbst, weil freiliegendes Chrom sofort wieder mit Sauerstoff reagiert. Allerdings kann auch Edelstahl rosten, wenn die Passivschicht durch Chloride (zum Beispiel Salzwasser) dauerhaft zerstört wird.

Rostschutz: Fünf Methoden im Vergleich

Es gibt verschiedene Strategien, um Eisen und Stahl vor Korrosion zu schützen. Jede hat ihre Stärken und Grenzen.

Verzinken. Beim Feuerverzinken wird Stahl bei 450 °C in flüssiges Zink getaucht. Die Zinkschicht schützt doppelt: Sie bildet eine physische Barriere gegen Sauerstoff und Wasser, und sie wirkt als sogenannte Opferanode. Wird die Zinkschicht beschädigt, korrodiert zuerst das Zink statt des Eisens, weil Zink in der elektrochemischen Spannungsreihe unedler ist. Feuerverzinkter Stahl hält je nach Umgebung 30 bis 50 Jahre.

Lackieren. Mehrschichtige Lacksysteme bestehen aus Grundierung, Füller und Decklack. Sie bilden eine durchgehende Barriere gegen Wasser und Sauerstoff. Der Nachteil: Jeder Kratzer durchbricht den Schutz, und unter dem Lack kann sich Unterrostung bilden, die von außen nicht sichtbar ist.

Galvanisieren. Beim galvanischen (elektrolytischen) Verzinken wird Zink in einem Elektrolyten auf das Werkstück aufgebracht. Die Schicht ist dünner als beim Feuerverzinken (5 bis 25 Mikrometer statt 50 bis 150 Mikrometer), dafür gleichmäßiger und optisch ansprechender. Galvanisch verzinkte Teile eignen sich eher für Innenräume oder als Transportschutz.

Pulverbeschichtung. Kunstharzpulver wird elektrostatisch aufgeladen, auf das Werkstück gesprüht und bei 200 °C eingebrannt. Die Schicht ist härter und abriebfester als Nasslack. Pulverbeschichtung ist lösemittelfrei und wird häufig bei Geländern, Fassadenelementen und Möbeln eingesetzt.

Kathodischer Schutz. An erdverlegte Pipelines oder Schiffsrümpfe werden Blöcke aus Zink oder Magnesium montiert. Diese Opferanoden korrodieren anstelle des Stahls. Die Methode schützt auch große Flächen zuverlässig, erfordert aber regelmäßigen Austausch der Anoden.

Fazit

Eisen rostet, weil seine Oxidschicht porös ist und abblättert, statt das Metall zu schützen. Im Gegensatz zu Aluminium oder Edelstahl fehlt Eisen die Fähigkeit zur Passivierung. Die Reaktion braucht zwei Zutaten: Sauerstoff und Wasser. Salz, Wärme und Säure beschleunigen den Prozess erheblich. Mit der richtigen Schutzmaßnahme, ob Verzinken, Lackieren oder Legieren, lässt sich Rost aber zuverlässig verhindern. Das spart nicht nur Material, sondern auch einen Teil der 150 Milliarden Euro, die Korrosion die deutsche Wirtschaft jedes Jahr kostet.