Chemie
Warum rostet Eisen, aber Aluminium nicht?
Beide Metalle reagieren mit Sauerstoff, aber die Oxidschicht auf Aluminium ist hauchdünn und dicht und versiegelt das Metall darunter. Rost auf Eisen dagegen ist porös und bröckelt ab, sodass immer neues Eisen für den Angriff freiliegt.
Zwei Metalle, derselbe erste Schritt
An der Luft passiert mit fast jedem unedlen Metall dasselbe: Es reagiert mit dem Sauerstoff der Luft und bildet an der Oberfläche ein Oxid. Bei Eisen entsteht Eisenoxid, umgangssprachlich Rost. Bei Aluminium entsteht Aluminiumoxid. Der Unterschied zwischen einem rostigen Fahrrad und einer blanken Alufelge liegt also nicht darin, dass eines der beiden Metalle nicht reagiert. Beide reagieren. Der entscheidende Unterschied liegt darin, was die entstehende Oxidschicht danach tut.
Warum die eine Schicht schützt und die andere nicht
Aluminiumoxid ist extrem fest mit dem darunterliegenden Metall verbunden und passt praktisch lückenlos auf die Oberfläche, die es bedeckt. Dadurch entsteht eine Art Siegel: Sauerstoff und Feuchtigkeit kommen nicht mehr an das Metall darunter heran, die Reaktion kommt nach wenigen Nanometern Schichtdicke von selbst zum Stillstand. Chemiker nennen diesen Effekt Passivierung. Eisenoxid dagegen hat eine andere Struktur und ein anderes Volumenverhältnis zum ursprünglichen Metall. Die Schicht ist spröde, porös und haftet schlecht. Sie reißt auf, blättert ab, und darunter liegt sofort wieder frisches, ungeschütztes Eisen. Das Metall rostet deshalb nicht nur an der Oberfläche, sondern arbeitet sich mit der Zeit immer tiefer hinein, bis irgendwann nur noch ein löchriges Gerippe übrig ist.
Warum Rosten Wasser braucht
Reiner, trockener Sauerstoff allein lässt Eisen nur sehr langsam korrodieren. Rost in dem Ausmaß, das man vom Gartenzaun oder alten Fahrrad kennt, ist ein elektrochemischer Prozess und braucht zusätzlich Wasser, meist mit gelösten Salzen oder Säuren angereichert. An feuchten Stellen der Metalloberfläche gibt Eisen Elektronen ab und geht als Ion in Lösung, an anderen Stellen nimmt Sauerstoff diese Elektronen auf. Das entstehende Eisenoxid fällt dann als Rost aus. Deshalb rostet ein Auto an der Küste oder im gestreuten Winterstraßensalz viel schneller als in trockener Wüstenluft, und deshalb hilft es gegen Rost schon, Feuchtigkeit fernzuhalten oder abzuleiten.
Der Mensch kopiert den Trick: Verzinken
Weil man Stahl im Alltag nicht einfach durch Aluminium ersetzen kann, kopiert man den Trick der Passivierung künstlich. Beim Verzinken wird eine dünne Zinkschicht auf den Stahl aufgebracht. Zink ist unedler als Eisen, das heißt, es gibt bereitwilliger Elektronen ab. Trifft Feuchtigkeit auf verzinkten Stahl, oxidiert deshalb zuerst das Zink, nicht das Eisen darunter. Das entstehende Zinkoxid und daraus folgende Zinkkarbonat bilden ebenfalls eine vergleichsweise dichte Deckschicht, die weitere Korrosion verlangsamt. Und selbst dort, wo die Zinkschicht einen Kratzer hat und Eisen freiliegt, schützt das Zink drumherum das Eisen noch eine Weile weiter, weil es sich bevorzugt selbst auflöst, sogenannter kathodischer Schutz. Erst wenn das Zink an einer Stelle komplett aufgebraucht ist, beginnt das Eisen darunter zu rosten.
Aluminium ist nicht unbesiegbar, und Eisen ist nicht der einzige Sonderfall
Die Passivierung von Aluminium hat Grenzen. In starken Laugen oder in dauerhaftem Kontakt mit Salzwasser kann die Schutzschicht angegriffen werden, dann korrodiert auch Aluminium, oft in Form von punktuellem Lochfraß statt flächigem Rost. Wer die Schutzschicht künstlich verstärken will, eloxiert Aluminium: Dabei wird die Oxidschicht elektrochemisch verdickt und wird noch widerstandsfähiger. Aluminium steht zudem nicht allein da. Auch Edelstahl rostet praktisch nicht, weil der enthaltene Chromanteil an der Oberfläche eine ganz ähnliche, dichte Chromoxidschicht bildet. Und Titan verdankt seine Korrosionsbeständigkeit demselben Prinzip mit einer Titanoxidschicht. Das gemeinsame Grundprinzip hinter all diesen Materialien ist immer dasselbe: Nicht die Frage, ob ein Metall mit Sauerstoff reagiert, entscheidet über Rost, sondern ob die entstehende Oxidschicht das Metall darunter abschirmt oder nicht.
Häufige Fragen
Rostet Aluminium wirklich nie?
Unter normalen Alltagsbedingungen praktisch nicht, weil die Oxidschicht sich selbst versiegelt. In starken Laugen oder dauerhaftem Salzwasserkontakt kann die Schutzschicht aber angegriffen werden, dann korrodiert auch Aluminium, meist als punktueller Lochfraß.
Warum bekommt verzinkter Stahl trotzdem irgendwann Rost?
Die Zinkschicht schützt, indem sie sich selbst bevorzugt auflöst statt des Eisens darunter. Ist das Zink an einer Stelle komplett verbraucht, etwa nach vielen Jahren oder bei einer tiefen Beschädigung, beginnt das freiliegende Eisen zu rosten.
Warum rostet Edelstahl manchmal trotzdem?
Edelstahl ist durch seine Chromoxidschicht geschützt. Tiefe Kratzer, aggressive Chloride wie im Meerwasser oder eine minderwertige Legierung können diese Schicht örtlich zerstören, dann kann auch Edelstahl korrodieren, meist als kleine rostige Flecken.
