Aufgabe B – Korrosion sinnvoll genutzt

Der Begriff Korrosion ist für Laien fast immer negativ besetzt, nicht allein, weil es durch diese pro Jahr zu Verlusten von etwa $Formula: 3\text{–}4\,\%$ $Formula: 3\text{–}4\,\%$ des Bruttoinlandsprodukts kommt. Es gibt aber auch Beispiele, bei denen diese elektrochemischen Vorgänge von Vorteil sind. Dazu gehört die Wärmekompresse.

Beschreibe die Reaktionen A bis E zur Bildung von Rost (M 1).

5 BE

Erkläre die Beobachtungsergebnisse im Experiment zur Untersuchung der Einflussfaktoren auf Korrosion.

Benenne die verwendete Lösung in Ansatz C und formuliere die Reaktionsgleichung unter Angabe von Teilgleichungen (M 2).

13 BE

Bestimme sowohl das Oxidations- und Reduktionsmittel als auch den Elektrolyten in einer Wärmekompresse.

Entwickle passend zur Fragestellung der Lernenden eine Versuchsdurchführung (M 3, M 4).

11 BE

Beurteile die Handlungsempfehlungen beim Umgang mit Wärmekompressen (M 5).

6 BE

Diskutiere die Verwendung von Wärmekompressen anhand von vier Argumenten.

5 BE

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Material 1: Die Bildung von Rost

Chemisch betrachtet ist Rost ein Stoffgemisch aus Eisen(II)-oxid und Eisen(III)-oxid, deren Teilchen von Wasser-Molekülen (Kristallwasser) umlagert sind. Da es sich nicht stöchiometrisch exakt in seiner Zusammensetzung beschreiben lässt, gilt für das rotbraune Stoffgemisch die folgende Formel: $Formula: x\:\text{FeO}\cdot y\:\text{Fe}_2\text{O}_3\cdot z\:\text{H}_2\text{O}$ $Formula: x\:\text{FeO}\cdot y\:\text{Fe}_2\text{O}_3\cdot z\:\text{H}_2\text{O}$

Abb. 1: ablaufende Reaktionen beim Vorgang des Rostens

Material 2: Einflussfaktoren auf die Korrosion

Jeweils ein gereinigter Eisennagel wird für die angegebene Zeit in verschiedene Lösungen getaucht.

Drei Reagenzgläser mit Eisennägeln: A abgekochtes Wasser (kein Rost), B salzhaltiges Wasser (Rost), C mit Gasbläschen (schnelle Reaktion)

Abb. 2: Experimentierergebnisse (Ansatz A, Ansatz B, Ansatz C)

Material 3: Wärmekompressen

Wärmekompressen bestehen aus einem hautfreundlichen Vlies, welches einzelne Wärmezellen mit einer Mischung aus Eisengranulat, Aktivkohle, Natriumchlorid und Wasser umschließt. Kurz vor dem Gebrauch wird die Folienverpackung geöffnet, die Kompresse entnommen und an der schmerzenden Körperstelle angebracht. Die Wärmezellen erwärmen sich und erreichen innerhalb von 30 Minuten eine angenehme Temperatur, die über einen Zeitraum von 8 bis 12 Stunden (je nach Produkt) konstant beibehalten wird.

Material 4: Untersuchung der Funktionsweise einer Wärmekompresse im Schülerexperiment

Im Chemieunterricht möchten Schülerinnen und Schüler einer 8. Klasse folgende Frage zur Funktionsweise von Wärmekompressen experimentell untersuchen:

Durch welchen Luftbestandteil wird die Kompresse aktiviert?

In einer Experimentierbox stehen folgende Geräte zur Verfügung:

Waage, Thermometer, Spatel, Frischhaltefolie, drei Kunststoffspritzen mit Kanülen

Material 5: Handlungsempfehlungen beim Umgang mit Wärmekompressen

Der Hersteller von Wärmekompressen gibt u.a. folgende Hinweise zum Umgang:

a)	Verpackung erst kurz vor der Anwendung öffnen.
b)	Die Haut muss an der zu behandelnden Stelle trocken sein.
c)	Vor der Entsorgung in den Hausmüll muss die Kompresse intensiv gewässert werden.

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Reaktion A: Eisen(II)-hydroxid entsteht, wenn es zu einem direkten Kontakt von Eisen mit Sauerstoff und Wasser kommt.
Reaktion B: Dieses reagiert mit Wasser und Sauerstoff zu Eisen(III)-hydroxid.
Reaktion C: Eisen(II)-hydroxid reagiert unter Abspaltung von Wasser zu Eisen(II)- oxid weiter.
Reaktion D: Unter Abspaltung von Wasser bildet sich aus Eisen(III)-hydroxid unter anderem Eisen(III)-oxidhydroxid.
Reaktion E: Umwandlung von Eisen(III)-oxidhydroxid unter Abgabe von Wasser zu Eisen(III)-oxid

Hinweis: Die Beschreibung der Reaktionen ist auch auf Teilchenebene möglich.

Erklärung der Experimentbeobachtungen

Ansatz A: nach sieben Tagen keine Veränderungen → abgekochtes Wasser enthält keinen Sauerstoff → keine Korrosion
Ansatz B: nach einem Tag rotbraune Färbung → Sauerstoff/Wasser vorhanden, Ionen erhöhen die elektrische Leitfähigkeit → Korrosion läuft schnell ab
Ansatz C: Gasblasenaufstieg → sofortige Entstehung von Wasserstoff → Säurekorrosion

Es handelt sich bei der verwendeten Lösung im Ansatz C um eine Säurelösung.

Formulierung der Reaktionsgleichungen

Oxidation:	$Formula: \ce{Fe \rightleftharpoons Fe^2+ + 2e-}$ $Formula: \ce{Fe \rightleftharpoons Fe^2+ + 2e-}$
Reduktion:	$Formula: \ce{2 H3O+ + 2e- \rightleftharpoons H2 + 2 H2O}$ $Formula: \ce{2 H3O+ + 2e- \rightleftharpoons H2 + 2 H2O}$
Gesamtgleichung:
$Formula: \ce{Fe_{(s)} + 2 H3O+_{(aq)} \rightleftharpoons Fe^2+_{(aq)} + H2_{(g)} + 2 H2O_{(l)}}$ $Formula: \ce{Fe_{(s)} + 2 H3O+_{(aq)} \rightleftharpoons Fe^2+_{(aq)} + H2_{(g)} + 2 H2O_{(l)}}$

Zuordnung der Fachbegriffe zu den Teilen der Wärmekompresse

Reduktionsmittel – Eisen
Oxidationsmittel – Sauerstoff
Elektrolyt – Wasser/Natriumchlorid

Planung eines Experiments

drei gleiche Ansätze bezüglich Masse von Eisen, Aktivkohle, Wasser und Natriumchlorid
jeweils gut zu einer Paste vermischen
in Haushaltsfolie einpacken/verschließen
über Kanüle und Spritze werden gleiche Volumen von Luft/reinem Sauerstoff/reinem Stickstoff durch Beimpfung zugegeben und somit die Reaktion gestartet
Luft als Referenzprobe
Messung der Temperaturänderung in einem Zeitintervall von je 30 Sekunden
Vergleich der Werte

a)	Mit dem Entfernen der Folie beginnt die Reaktion durch Sauerstoffzufuhr (Oxidationsmittel), daher sollte erst unmittelbar vor der Anwendung die Folie entfernt werden.
b)	Die Haut muss trocken sein, da ansonsten zusätzlich Wasser eindringt und die Reaktion schneller oder langsamer ablaufen lässt und somit die Anwendungszeit beeinflusst.
c)	Bei Austrocknung des Gemisches kann es aufgrund der Wärmeentwicklung bei einer noch aktiven Kompresse zur Entzündung des Hausmülls kommen.

Pro-Argumente

leicht zu handhaben, an nahezu allen Körperstellen einsetzbar
lokalisierte Wärmeentwicklung über einen längeren Zeitraum
führt ohne medikamentösen Eingriff zur Schmerzlinderung
ohne Verwendung von Gefahrstoffen → unproblematisch zu entsorgen

Contra-Argumente

einmalige Anwendung (relativ kostenintensiv)

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