Oxidation

…ist eine Art der chemischen Reaktion, bei der ein Stoff mit Sauerstoff reagiert.

Die Oxidation wird in der Chemie auch als Reaktion mit Elektronenabgabe definiert. Dies setzt jedoch die Kenntnis vom Verhalten der Elemente, Ionen oder Moleküle voraus, Stabilität über die Aufnahme oder Abgabe von Elementarteilchen der Außenschale zu regeln.

Lass uns zunächst die Oxidation als Reaktion der Elemente (Metalle/Nichtmetalle) mit Sauerstoff verstehen.

Element + Sauerstoff —> Oxid des Elements

Schwefel + Sauerstoff —> Schwefeloxid
Eisen + Sauerstoff —-> Eisenoxid
Blei + Sauerstoff —-> Bleioxid

Es gibt neben Sauerstoff noch einige Elemente , die nicht auf einfachem Wege oxidiert werden können und das sind die Edelgase und das Metall Gold.
Willst Du mehr wissen?
Herstellung von Goldoxid

Es bilden sich Oxide!

Wir unterscheiden die durch Verbrennen erzwungene schnelle Oxidation, und die freiwillig ablaufende langsame Oxidation (stille Oxidation), die man auch Korrosion, Rosten oder Verwittern nennt.

Verbrennt man Magnesium an der Luft, so brennt dies mit einer grellen Lichterscheinung und großer Wärmeentwicklung.

Oxidation von Magnesium
Da Sauerstoff molekular (2-atomig) vorkommt, wird pro Sauerstoffatom ein Magnesiumatom verwendet.
Das ergibt dann auch 2 Magnesiumoxid-Baueinheiten.

Das weiße Reaktionsprodukt heißt Magnesiumoxid.
Es wird in der Bauindustrie als Bindemittel für Schäume eingesetzt und ist als sogenannter „Säureregulator“. Sogar in Lebensmitteln (E 530) als Zusatzstoff (E-Stoff) zugelassen. Auf Grund seines hohen Schmelzpunktes, (2800°C) wird es zur Herstellung von feuerfesten Steinen benutzt. Diese werden als Auskleidung in Öfen von Laboren oder in Schmelzpfannen bei der Stahlherstellung benutzt.

weitere Oxidationen:

Die stille Oxidation – Rosten

Materialien, die den Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, verwittern. Die stille, langsame Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft und der Hilfe von Wasser in Form von Regen, Schnee und Eis, Kälte und Hitze betrifft Stoffe, wie Metalle, Glas, Kunststoffe, Farben und Lacke, Textilien und viele mehr.

Bei den Metallen sprechen wir vom „Rosten“ oder dem „Korrodieren“.
Der Begriff „Korrosion“ ist jedoch international auch mit „corrosive“ – zerstörend oder ätzend belegt.

Die stille Oxidation - Rosten

Rost entsteht, wenn Metall mit Sauerstoff (und Wasser) in Kontakt kommt. Besonders Eisen ist anfällig für Rost, der es schwächt und unansehnlich macht. Um Haushaltsgegenstände, Werkzeuge und Gebäudeteile vor Rost zu schützen, gibt es verschiedene Methoden, die auch zu Hause mit einfachen Mitteln und Haushaltschemikalien angewendet werden können.

1. Lackieren oder Beschichten

Eine einfache Möglichkeit, Metalle vor Rost zu schützen, ist das Lackieren oder Beschichten. Du kannst Metalle wie Fahrradrahmen, Geländer oder Werkzeuge mit Rostschutzfarbe behandeln. Diese bildet eine Barriere gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff. Besonders praktisch sind Sprühdosen, die du leicht auftragen kannst. Vor dem Lackieren solltest du die Metalloberfläche sauber machen, um sicherzustellen, dass die Farbe gut haftet.

2. Ölen und Fetten

Eine weitere Methode ist das Einölen oder Einfetten von Metallteilen. Öle wie Nähmaschinenöl, oder sogar Haushaltsfette wie Vaseline, können eine schützende Schicht auf der Metalloberfläche bilden. Diese Methode eignet sich besonders für Werkzeuge und Geräte, die oft benutzt werden, wie Schraubenschlüssel, Gartenwerkzeuge oder Türscharniere. Das Öl verhindert, dass Feuchtigkeit an das Metall gelangt.

Anwendung:

  • Wische das Metall mit einem Tuch ab, um Schmutz zu entfernen.
  • Trage eine dünne Schicht Öl oder Fett auf das Metall auf.
  • Wiederhole die Anwendung regelmäßig, um den Schutz aufrechtzuerhalten.

3. Zitrone, Essig, Backpulver und Co(la)

Essig und Backpulver sind nicht nur nützliche Haushaltshelfer, sondern können auch bei der Entfernung von Rost und dem Schutz von Metallgegenständen helfen. Essig oder Zitronensäure aber auch die Phosphorsäure in der Cola reagieren mit dem Rost und lösen ihn auf, während Backpulver neutralisierend wirkt und Oberflächen reinigt.

Anwendung:

  • Weiche kleinere, verrostete Gegenstände in Essig ein und lasse sie einige Stunden stehen.
  • Bei größeren Flächen kannst du ein Tuch in Essig tränken und es auf den Rost legen.
  • Verwende anschließend eine Paste aus Backpulver und Wasser, um die restlichen Rostspuren zu entfernen und die Oberfläche zu glätten.

4. Beschichtungen mit Zink, Emaille oder Gummi

Eine Methode, die du vielleicht von großen Metallteilen wie Zäunen oder Blechdächern kennst, ist das Verzinken. Dabei wird eine dünne Schicht Zink auf das Metall aufgetragen, die es vor Rost schützt. Diese Methode wird allerdings meist in Werkstätten durchgeführt und erfordert spezielle Geräte.
Emaille ist eine dünne Porzellanschicht, die auf Metallgegenstände gebracht wird. Auch die Gummierung von Werkzeugen und Drähten – wie bei Zäunen- dient dem Rostschutz.

5. Rostschutz durch Lagerung

Nicht alle Methoden müssen chemisch sein. Du kannst Rost auch verhindern, indem du Metalle trocken lagerst. Feuchtigkeit ist der größte Feind von Metall. Daher sollten Werkzeuge und Geräte nach dem Gebrauch abgewischt und an einem trockenen Ort aufbewahrt werden. In feuchten Räumen wie Kellern kannst du Luftentfeuchter verwenden, um die Luftfeuchtigkeit zu senken.


Zusammenfassung: Um Haushaltsgegenstände, Werkzeuge und Geräte vor Rost zu schützen, gibt es viele Methoden, die du zu Hause anwenden kannst. Lacke, Öle, Essig und Backpulver sind einfache Mittel, um Rost zu verhindern oder zu entfernen. Am wichtigsten ist jedoch, Metalle trocken zu halten, da feuchte Luft die Hauptursache für Rost ist.

Stahl – eine Eisenlegierung

Inzwischen zählen wir mehr als 5000 Legierungen mit dem Namen Stahl.


Stahl ist eine eisenhaltige Legierung, die maximal 2% Kohlenstoff enthält. Der Gehalt an Schwefel oder Mangan variiert ebenso wie der Phosphorgehalt und die Anteile an weiteren eigenschaftsbeeinflussenden Metallen und Nichtmetallen. Stoffe, die den Stahl in seinen Eigenschaften verschlechtern, nennt man Störstoffe. Eigenschaftsverbessernd sind vor allem die Legierungsmetalle wie Chrom, Nickel, Vanadium, Titan, Aluminium und einige mehr.

Stahl wird direkt im Anschluss an den Hochofenprozess in benachbarten Stahlfabriken hergestellt. Dazu wird das Roheisen aus dem Hochofen in offenen Pfannen in das Stahlwerk transportiert und dort in einem ersten Schritt von seinen Störstoffen befreit, danach im 2. Schritt mit den eigenschaftsverbessernden Stoffen legiert.

Stahlherstellung – die Anfänge

Stahl - die Thomasbirne
Thomasbirne – Blasverfahren – Dortmund-Hörde

Die Herstellung von Stahl begann bereits in der Antike. Zunächst gewannen die Menschen Eisen in kleinen Rennöfen, in denen Eisenerz mit Holzkohle erhitzt wurde. Dabei entstand kein flüssiges Eisen, sondern eine zähe Eisenmasse, die noch viele Schlackenreste enthielt. Durch wiederholtes Erhitzen und Hämmern wurden diese Verunreinigungen entfernt und das Eisen fester und belastbarer.

Schon früh (1742) entwickelte B. Huntsman das Gussstahlverfahren. Dabei wurde schmiedbares Eisen zusammen mit Holzkohle über lange Zeit (tagelang) in verschlossenen Tiegeln erhitzt. Der Kohlenstoff drang in das Eisen ein und verwandelte es in hochwertigen Stahl. Dieser zeichnete sich durch große Härte und gute Bearbeitbarkeit aus und wurde beispielsweise für Werkzeuge und Waffen verwendet.

Mit Beginn der Industrialisierung stieg der Bedarf an Stahl stark an. Eine wichtige Rolle spielte nun das Pudeln. In einem Puddelofen wurde flüssiges Roheisen ständig von Hand durchmischt. Dabei verbrannten überschüssiger Kohlenstoff und andere Begleitstoffe durch den Sauerstoff der Ofenluft. Es entstand schmiedbares Pudeleisen, das sich hervorragend für Brücken, Schiffe und Eisenbahnstrecken eignete.

Ein berühmtes Bauwerk aus Pudeleisen ist der Eiffelturm in Paris. Er wurde 1889 fertiggestellt und zeigt eindrucksvoll, welche großen und stabilen Konstruktionen mit diesem Werkstoff möglich waren. Erst später wurden das Puddelverfahren und andere ältere Verfahren durch moderne Sauerstoff-Konverter zur wirtschaftlichen Stahlerzeugung ersetzt. Die Blas-Verfahren übernahmen die Aufgabe.

Die Blas-Verfahren (Frischen) im historischen Vergleich

Stahl Konverter im zeitlichen Überblick
Vereinfachte schematische Gegenüberstellung der Blasverfahren – spezifische Bauformen werden vernachlässigt
MerkmalBessemer-VerfahrenThomas-VerfahrenLinz-Donawitz-Verfahren (LD)KMS-Verfahren
Einführung185618781952ab ca. 1980er Jahre
BlasmediumLuftLuftReiner SauerstoffReiner Sauerstoff + Inertgas (Argon oder Stickstoff)
Einblasrichtungvon untenvon untenvon oben (Sauerstofflanze)von oben und unten
Konverterauskleidungsauerbasischbasischbasisch
Geeignetes Roheisenphosphorarmphosphorreichnahezu alle Roheisensortennahezu alle Roheisensorten
Entfernung von KohlenstoffJaJaJaJa
Entfernung von PhosphorNeinJaJaJa (besonders wirksam)
Durchmischung der Schmelzegeringgeringgutsehr intensiv
Stahlqualitätgutbesser als Bessemersehr hochsehr hoch und besonders homogen
Heute verwendet?NeinNeinJaJa (moderne Weiterentwicklung)

Die Chemie der Stahlherstellung

Stahl, an interactive worksheet by Jens Grescho
liveworksheets.com

Moderne Bestrebungen

Der starke CO2-Ausstoß durch die kohlenstoffbasierte Reduktion von Eisenerzen ist eine starke Klima-Belastung. Daher ist es nur vernünftig, Bestrebungen zu folgen, die Verwendung klassischer Hochofen abzulösen und Kohlenstoff durch Wasserstoff als Reduktionsmittel zu ersetzen (Wasserstoff-Direktreduktion „H-DR“). Wasserstoff reagiert dabei im Prozess mit dem Eisenoxid zu Wasserdampf und Eisen. 

Fe2O3+3H22Fe+3H2O

Mehr ?
Artikel VDI- Nachrichten
Salzgitter – AG – Anlage zur Direktreduktion


Stahl wird zum großen Teil aus Roheisen gewonnen- aber nicht ausschließlich…

{\displaystyle {\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}{}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}2\,\mathrm {Fe} {}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}

Eine ausführlichere Variante…

Variante 2

Stahl aus Schrott, auch das geht…Der Elektrostahlofen

Einen guten Überblick über die Stahlsorten und ihre Benennung liefert LINK.

Übersicht – Wirkung von Legierungselementen Quelle: https://www.stauberstahl.com/stahllegierungen/

Downloadlink von Stauberstahl: PDF

      
Aluminium – erhöht Desoxidation
– erhöht Ferritstabilisierung
   – vermindert Alterungsanfälligkeit
Berylium – erhöht Desoxidation – verringert Zähigkeit  
Bor – erhöht Streckgrenze
– erhöht Festigkeit
– erhöht Sprödigkeit
– erhöht Warmfestigkeit
 – veringert Korrosionsbeständigkeit
– verringert Schmiedbarkeit
 – verhindert die Bildung von Perlit- und Ferritstrukturen im Material und verbessert dadurch Härtbarkeit und Festigkeit
Cerium – erhöht Desoxidation    
Chrom – erhöht Abkühlungsgeschwindigkeit
– erhöht Verschleißfestigkeit
– erhöht Warmfestigkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
 – verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Schweißbarkeit
– veringert Wärmeleitfähigkeit
– verringert elektrische Leitfähigkeit
 – typ. in Kombination mit Nickel
– verbessert in hoher Konzentration die Korrosionsbeständigkeit (ab 12%)
Kohlenstoff – senkt den den Schmelzpunkt
– erhöht Härte
– erhöht Festigkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Sprödigkeit
 – verringert Schmiedbarkeit
– verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Schweißbarkeit
– verringert Bruchdehnung
– verringer Duktilität
 – verbessert mechanische Eigenschaften
Kobalt – erhöht Härte
– erhöht  Warmfestigkeit
    
Kupfer – erhöht Korrosionsbeständigkeit
– erhöht Festigkeit
– erhöht Härtbarkeit
 – verringert Bruchdehnung
– verringert Duktilität
 – Kupfer verbessert auch thermische und elektrische Leitfähigkeit
Mangan – erhöht Schweißbarkeit
– erhöht Festigkeit
– erhöht Zähigkeit
– erhöht Verschleißwiderstand
– erhöht Warmfestigkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Schmiedbarkeit
– erhöht Schweißbarkeit
– erhöht Ferritstabilisierung
 – verringert Duktilität
– verringert Zerspanbarkeit
 – typ. in Kombination mit Phosphor und Schwefel verwendet
– Mangan reagiert mit Schwefel (lässt Mangansulfide entstehen, die für kurzbrechende Späne sorgen)
– verbessert Härtbarkeit, überschüssiger Sauerstoff kann in geschmolzenem Stahl mit Mangan entfernt werden
– verbessert mechanische Eigenschaften
Molybdän – erhöht Härtbarkeit
– erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Schweißbarkeit
– erhöht Dehnbarkeit
– erhöht Warmfestigkeit
 – verringert Schmiedbarkeit
(bei hoher Konzentration)
 – typ. in Kombination mit Chrom und Nickel
– verstärkt Wirkung anderer Legierungselemente
– verbindet sich mit Kohlenstoff und erhöht dadurch die Härte durch Bildung von Karbiden
Nickel – erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Festigkeit
– erhöht Streckgrenze
– erhöht Ferritstabilisierung
 – verringert Wärmedehnung – typ. in Kombination mit Chrom
– typ. in Kombination mit Molybdän
– verbessert ab einer Konzentration von 8% Korrosionsbeständigkeit
Phosphor – erhöht Zugfestigkeit (in Baustählen)
– erhöht Härte
– erhöht Korrosionsbeständigkeit
– erhöht Versprödung
 – verringert Schweißbarkeit
– verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Duktilität
  
Schwefel – erhöht Zerspanbarkeit
– erhöht Sprödigkeit
 – verringert Kerbschlagarbeit
– verringert Polierbarkeit
– verringert Verformbarkeit
– verringert Zähigkeit
 – typ. in Kombination mit Mangan zur Reduzierung der Heißbruchgefahr
Silizium – erhöht Festigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Zugfestigkeit
 – verringert Bruchdehnung
– verringert Schweißbarkeit
– verringert Zerspanbarkeit
 – verbessert magnetische Eigenschaften
Stickstoff – erhöht Festigkeit
– erhöht Versprödung
 – verringert Korrosionsbeständigkeit – wirkt stabilisierend auf Austenitgefüge
– verbessert mechanische Eigenschaften bei erhöhter Temperatur
Titan – erhöht Korrosionsbeständigkeit
– erhöht Desoxidation
   – stabilisierendes Element in Edelstahl
– bindet Kohlenstoff und verbessert dadurch Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit
Vanadium – erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Warmfestigkeit
– erhöht Zähigkeit
    
Wolfram – erhöht Zugfestigkeit
– erhöht Härte
– erhöht Warmfestigkeit
 – verringert Zerspanbarkeit – verbessert Formbarkeit bei hohen Temperaturen und wird daher oft in Werkzeugstahl oder Schnellarbeitsstahl verwendet

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