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Eisen
Eisen ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit Symbol Fe (lat. Ferrum, Eisen) und Ordnungszahl 26. Es ist ein Metall der 4. Periode in der 8. Gruppe im Periodensystem. Der Name Eisen ist entweder auf das urkeltische Wort isorai oder auf das indogermanische Wort eison (glänzend) zurückzuführen.
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Feinguss
Stahlguss
Eisenguss
Gusseisen mit
Lamellengraphit
Gusseisen
mit Kugelgraphit
Temperguss
Aluminium-
guss
Gussverfahren
Elemente:
Aluminium
Silizium
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Inhaltsverzeichnis
1 Geschichte
1.1 Naher Osten
1.2 China
1.3 Europa
2 Vorkommen
3 Gewinnung und Darstellung
3.1 Hochofenprozess
4 Eigenschaften
4.1 Eisen als Mineral
5 Isotope
6 Verbindungen
7 Verwendung
8 Biologische Bedeutung
9 Sicherheitshinweise
10 Nachweis
11 Links
Geschichte
Naher Osten
Der älteste menschliche Gebrauch von Eisen stammt aus Sumer und Ägypten, etwa 4000 v. Chr. Es handelte sich um gediegenes Eisen von Meteoriten, und wurde zur Dekoration oder als Speerspitze benutzt. Es wurde nicht durch Schmelzen oder Schmieden, sondern durch Methoden der Steinbearbeitung (Steinzeit) bearbeitet.
Zwischen 3000 und 2000 v. Chr. findet man verhüttetes Eisen (vom Meteoriteisen durch die Abwesenheit von Nickel unterscheidbar) in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten. Es scheint nur zeremoniell genutzt worden zu sein, und war wertvoller als Gold. Eine mögliche Herkunft ist als Nebenprodukt bei der Bronzeherstellung als Schwammeisen.
Zwischen 1600 und 1200 v. Chr. wurde Eisen verstärkt genutzt; es löste Bronze allerdings noch nicht ab. Seit 1200 fand dann im Nahen Osten der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit statt. Es wird vermutet, dass nicht die Materialüberlegenheit des Eisens, sondern ein Mangel an Zinn (zur Bronzeherstellung notwendig) den Übergang auslöste.
Bei dem ersten eisenzeitlichen Verhüttungsschritt entstand Schwammeisen. Durch den Gebrauch von Holzkohle bei der Weiterverarbeitung wurde dem Eisen Kohlenstoff zugefügt, mit dem Endresultat eines (zumindest oberflächlichen) Stahls. Durch Härten (das heisst abruptes Abkühlen, im allgemeinen in einer Flüssigkeit) entstanden Werkstücke mit einer Elastizität und Härte, die der Bronze überlegen war.
China
Auch in China wurden die ersten Erfahrungen mit Eisen an Meteoriteisen gewonnen. Erste archäologische Spuren von Schmiedeeisen finden sich im Nordwesten, nahe Xinjiang, aus dem 8. vorchristlichen Jahrhundert. Man vermutet, dass diese Produkte, die mit den Methoden des Nahen Ostens erstellt wurden, durch Handel nach China gelangt sind.
Etwa 550 v. Chr, in der späteren Zhou-Dynastie (1122 bis 256 v. Chr), fand mit der Entwicklung des Hochofens ein entscheidender technischer Durchbruch statt: die Produktion von Gusseisen wurde möglich.
Europa
Da europäische Verarbeitungstechniken nur Temperaturen von knapp 1.300 °C erreichten, fand die Entwicklung von Gusseisen erst im 14.
Jahrhundert in Schweden (Lapphyttan und Vinarhyttan) statt. Mit der Kanonenkugel
verbreitete sich die Gusseisenverarbeitung schnell über ganz Europa.
Als die schwindenden Wälder den wachsenden Holzkohlebedarf zur Eisengewinnung in Grossbritannien nicht mehr decken konnten, wurde Kohle (genauer das Kohleprodukt Koks) von Abraham Darby als Alternative entwickelt. Diese Umstellung, zusammen mit der Erfindung der Dampfmaschine, gilt als Beginn der industriellen Revolution.
Vorkommen
Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich der Hauptbestandteil des Erdkerns. Angetrieben von thermischen Kräften, erzeugen Konvektionsströmungen von flüssigem Eisen im äusseren Kern das Erdmagnetfeld. Mit einem Anteil von 5 Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigeren Elemente der Erdkruste. Die ersten Quellen, die ausgebeutet wurden, sind Raseneisenerz und offenliegende Erze. Heute wird vor allem 40-prozentiges Magneteisenerz genutzt. Das wichtigste Mineral zur Eisengewinnung ist Hämatit, welches grösstenteils aus Fe2O3 besteht.
Eisen ist das zehnthäufigste Element im Universum. Die Fusion von Elementen in Sternen endet beim Eisen. Schwerere Elemente entstehen bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern fusionierten Materie verantwortlich sind.
Gewinnung und Darstellung
Eisenerz wird im Tagebau und Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika, bes. Brasilien, im Westen Australiens, in der Volksrepublik China, in Ost-Europa (beispielsweise Ukraine) und Kanada auf diese Weise abgebaut.
Diese Länder verdrängten in den letzten Jahren die ursprünglich bedeutendsten Eisenerz-Förderländer wie Frankreich, Schweden oder auch Deutschland selbst, dessen letzte Eisenerzgrube in der Oberpfalz 1987 geschlossen wurde.
Allerdings stellt der relativ leichte Abbau auch ein grosses Problem dar: Der Export von Rohstoffen ist nach wie vor die Haupteinnahmequelle vieler ärmerer Staaten. Entsprechend hemmungslos stürzen sich viele der hochverschuldeten Tropenländer auf diese Ressourcen, meist auf Kosten von Mensch und Umwelt. Riesige Erz-Abbaugebiete wie die Ok Tedi-Mine in Papua-Neuguinea zerstören nicht nur den Regenwald auf ihrem eigentlichen Gebiet, sondern in weitem Umkreis die ganze Landschaft. Denn hochgiftige Abwässer und Schlämme kippen die Minenbetreiber einfach in die Gegend, von wo sich das Gift durch die Flüsse verteilt - so dass stromabwärts am Ok Tedi der Fischverzehr für die traditionelle Bevölkerung zur Gesundheitsgefahr wurde.
Vom Bergwerk gelangt das Eisenerz selten unmittelbar zu den Lagerplätzen der Hütten. Meist müssen erst weite Transportwege auf dem Land und auf dem Meer mit mehrfachem Umladen überwunden werden.
Vor der weiteren Verarbeitung wird das Erz schliesslich zerkleinert und gemahlen. Danach werden die Erzkörner nach ihrer Grösse sortiert und gesintert. Das heisst, es werden kleine Körner "zusammengeklebt", denn nur so ist die Verwendung im Hochofen möglich.
Hochofenprozess
Das Eisen wird durch chemische Reduktion mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen; dabei treten Temperaturen von etwa 2000 °C auf. Zuerst wird Koks dem Hochofen zugegeben, wo es mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Kohlenmonoxid reagiert:
2C + O2 → 2CO
Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid:
3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur und der Schmelzpunktsenkung durch die Aufnahme von Kohlenstoff ist das entstehende Eisen flüssig. Allerdings enthält es noch Verunreinigungen in Form von Siliziumdioxid. Durch Zugabe von Kalk (CaCO3) wird das Siliziumdioxid als Schlacke abgesondert. Ein erster Reaktionsschritt wandelt den Kalk in Kalziummonoxid um:
CaCO3 → CaO + CO2
Daraufhin reagiert das Kalziummonoxid mit dem Siliziumdioxid:
CaO + SiO2 → CaSiO3
Die entstehende Schlacke wird im Tiefbau, früher auch als Dünger, eingesetzt.
Weltweit wurden im Jahre 2000 etwa 1.000 Megatonnen Eisenerz abgebaut, mit einem Wert von etwa 25 Mrd. Euro. Die bedeutendsten Eisenerzlieferanten sind die Volksrepublik China, Brasilien, Australien, Russland und Indien. Zusammen liefern sie etwa 70 % des Weltbedarfs. Aus den 1.000 Mt Erz wurden etwa 572 Mt Eisen gewonnen. Zusätzlich wird aus Schrott noch neues Eisen gewonnen.
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Eigenschaften |
Mangan - Eisen - Kobalt
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Allgemein |
| Name, Symbol, Ordnungszahl |
Eisen, Fe, 26 |
| Serie | Übergangsmetalle |
| Gruppe, Periode, Block | 8 (VIIIB), 4, d |
| Aussehen | metallisch glänzend mit einem gräulichen Farbton |
| Massenanteil an der Erdhülle | 4,7 % |
Atomar |
| Atommasse | 55,845 |
| Atomradius (berechnet) | 140 (156) pm |
| Kovalenter Radius | 125 pm |
| van der Waals-Radius | - |
| Elektronenkonfiguration | [Ar]3d64s2 |
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 14, 2 |
| Oxidationszustände (Oxide) | 2, 3, 4, 6 (amphoter) |
| Normalpotential | -0,447 (Fe2+ + 2e- → Fe) |
| Elektronegativität | 1,83 (Pauling-Skala) |
| Austrittsarbeit | 4,31-4,5 eV |
| Kristallstruktur | kubisch raumzentriert |
Physikalisch |
| Aggregatzustand | fest |
| Dichte (Mohshärte) | 7874 kg/m3 (4,0) |
| Magnetismus | ferromagnetisch |
| Schmelzpunkt | 1808 K (1535 °C) |
| Siedepunkt | 3023 K (2750 °C) |
| Molares Volumen | 7,09 · 10-6 m3/mol |
| Verdampfungswärme | 349,6 kJ/mol |
| Schmelzwärme | 13,8 kJ/mol |
| Dampfdruck | 7,05 Pa bei 1808 K |
Schallgeschwindigkeit
Longitudinalwelle:
Transversalwelle: | bei 293,15 K = 20 °C:
~5900 m/s
~3200 m/s |
Verschiedenes |
| Spezifische Wärmekapazität | 440 J/(kg · K) |
| Elektrische Leitfähigkeit | 9,93 · 106 S/m |
| Wärmeleitfähigkeit | 80,2 W/(m · K) |
| 1. Ionisierungsenergie | 762,5 kJ/mol |
| 2. Ionisierungsenergie | 1561,9 kJ/mol |
| 3. Ionisierungsenergie | 2957 kJ/mol |
| 4. Ionisierungsenergie | 5290 kJ/mol |
Isotope |
| Isotop |
NH |
t1/2 |
ZM |
ZE MeV |
ZP |
| 52Fe |
{syn.} |
8,275 h |
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2,372 |
52Mn |
| 53Fe |
{syn.} |
8,51 min |
|
3,743 |
53Mn |
| 54Fe |
5,8 % |
Fe ist stabil mit 28 Neutronen |
| 55Fe |
{syn.} |
2,73 a |
|
0,231 |
55Mn |
| 56Fe |
91,72 % |
Fe ist stabil mit 30 Neutronen |
| 57Fe |
2,2 % |
Fe ist stabil mit 31 Neutronen |
| 58Fe |
0,28 % |
Fe ist stabil mit 32 Neutronen |
| 59Fe |
{syn.} |
44,503 d |
ß- |
1,565 |
59Co |
| 60Fe |
{syn.} |
1,5 · 106 a |
ß- |
3,978 |
60Co |
NMR-Eigenschaften |
|
57Fe |
| Kernspin |
1/2 |
| gamma / rad/T |
8,643 · 106 |
| Empfindlichkeit |
3,37 · 10-5 |
| Larmorfrequenz bei B = 4,7 T |
6,46 MHz |
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. |
Hochofen mit einem Teil der Nebenanlagen |
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Eigenschaften
Das durchschnittliche Eisen-Atom hat etwa die 56-fache Masse eines Wasserstoff-Atoms. Der Atomkern des Eisenisotops 56Fe weist den grössten Massendefekt und damit die höchste Bindungsenergie pro Nukleon aller Atomkerne auf.
Bei Raumtemperatur ist die allotrope Modifikation des reinen Eisens das Ferrit oder a-Eisen. Diese Modifikation weist ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter
auf, die unterhalb 911 °C vorliegt. Unterhalb des Curiepunkts bei 760 °C ist das Ferrit ferromagnetisch. Die Modifikation zwischen 760 °C und 911 °C heisst ss-Eisen. Da sie sich ausser in den magnetischen Eigenschaften nicht vom Ferrit a-Eisen unterscheidet, wird sie gewöhnlich auch als a-Eisen bezeichnet. Bis 1392 °C liegt es in der kubisch flächenzentrierten ?-Modifikation oder Austenit vor. Bei weiter steigender Temperatur wandelt das Eisen in d-Ferrit um, das wieder ein kubisch raumzentriertes Gitter aufweist. Der Schmelzpunkt liegt bei 1539 °C.
Diese Eigenschaft der Umwandlung des Gitters von kubisch-raumzentriert (bis 911 °C) über kubisch-flächenzentriert (bis 1392 °C) zu kubisch-raumzentriert (bis 1539 °C) sowie des anschliessenden Zerfalls der Gitterstrukturen nennt man auch die "Polymorphie des Eisens".
Eisen ist beständig an trockener Luft, in trockenem Chlor sowie in konzentrierter Schwefelsäure, konzentrierter Salpetersäure und basischen Agenzien (ausser heisser Natronlauge) mit einem pH-Wert grösser als 9.
Eisen als Mineral
Sehr selten kann Eisen auch gediegen auftreten. Das Mineral kristallisiert dann im kubischen Kristallsystem, hat eine Härte von 4,5 und eine stahlgraue bis
schwarze Farbe. Auch die Strichfarbe ist grau.
Wegen der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff ist gediegenes Eisen nicht stabil. Es tritt daher in Legierung mit Nickel nur in Eisenmeteoriten auf sowie in Basalten, in denen es manchmal zu einer Reduktion von eisenhaltigen Mineralen kommt.
Letztere findet man dagegen vergleichsweise häufig, wichtige Beispiele sind Magneteisenstein (Fe3O4), Roteisenstein (Fe2O3), Brauneisenstein (Fe2O3·n H2O), Siderit (FeCO3), Magnetkies (FeS) und Pyrit (FeS2).
Isotope
Eisen hat vier natürlich vorkommende, stabile Isotope, mit den relativen Häufigkeiten: 54Fe (5,8 %), 56Fe (91,7 %), 57Fe (2,2 %) und 58Fe (0,3 %). Das Isotop 60Fe hat eine Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren. Die Existenz von 60Fe zu Beginn der Entstehung des Planetensystems konnte durch den Nachweis einer Korrelation zwischen den Häufigkeiten von 60Ni, dem Zerfallsprodukt von 60Fe, und den Häufigkeiten der stabilen Fe-Isotope in einigen Phasen mancher Meteoriten
(beispielsweise in den Meteoriten Semarkona und Chervony Kut) nachgewiesen werden. Möglicherweise spielte die frei gesetzte Energie beim radioaktiven Zerfall von 60Fe, neben der Zerfallsenergie des ebenfalls vorhandenen radioaktiven 26Al, eine Rolle beim Aufschmelzen und der Differenzierung der Asteroiden direkt nach ihrer Bildung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Heute ist alles ursprünglich vorhandene 60Fe vollständig in 60Ni zerfallen. Die Verteilung von Nickel- und Eisenisotopen in Meteoriten erlaubt es, die Isotopen- und Elementehäufigkeit bei der Bildung des Sonnensystems zu messen und die vor und während der Bildung des Sonnensystems vorherrschenden Bedingungen zu erschliessen.
Nur das Eisenisotop 57Fe besitzt einen Kernspin und findet darum Anwendung in der Chemie und Biochemie.
Verbindungen
Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Oxide. Da diese keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert (das heisst verrostet) ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig.
Häufige Eisenoxidationsstufen:
- Fe2+, diese Salze sind zumeist blassgrün,
- Fe3+, diese Salze sind zumeist intensiv orange,
- Fe4+, kommt in den Katalysezyklen einiger Enzyme vor (zum Beispiel als Cytochrom P450, Peroxidasen)
- Fe6+, ist selten (beispielsweise K2FeO4)
Einzelne Eisenverbindungen:
- Fe3C, Eisencarbid,
- Fe(CO)5, Eisencarbonyl, Eisenpentacarbonyl, IPC (I für
iron), entsteht unter Druck aus Eisen und Kohlenmonoxid und bildet nach seiner Zersetzung neben Kohlenmonoxid ein besonders reines Eisenpulver, das Carbonyleisen. Eine weitere Variante von Eisencarbonyl ist Fe2(CO)9.
- Fe(SCN)3, Eisen(III)thiocyanat, Eisenrhodanid, hat eine sehr ergiebige blutrote Färbung, dient zum Nachweis von Fe3+-Ionen.
Verwendung
Technisch ist Eisen für die Herstellung von Stahl bedeutsam. Stähle sind Legierungen, die neben Eisen noch andere Metalle und Nichtmetalle (insbesondere Kohlenstoff) enthalten.
Eisen ist mit 95 Gewichtsprozent das weltweit meistgebrauchte Metall. Der Grund dafür liegt in seiner weiten Verfügbarkeit, die es preiswert macht, sowie der Festigkeit und Zähigkeit von Eisenlegierungen, die es in vielen Bereichen nützlich macht. Viel Eisen wird bei der Herstellung von Autos, Schiffen und im Hochhausbau (Stahlbeton) eingesetzt.
Eisen ist eines der drei ferromagnetischen Metalle (Kobalt und Nickel sind die anderen) und erlaubt damit den grosstechnischen Einsatz des Elektromagnetismus in Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren.
Reines Eisenpulver wird nur in der Chemie verwendet. Industriell sind verschiedene Stähle verbreitet, in Deutschland genormt ca. 7500. Eisen wird in den folgenden Formen genutzt:
- Roheisen enthält 4-5 % Kohlenstoff sowie unterschiedliche Anteile an Schwefel, Phosphor und Silizium. Es ist ein Zwischenprodukt in der Herstellung von Gusseisen und Stahl.
- Gusseisen enthält 2,06-6,67 % Kohlenstoff und weitere Legierungselemente wie beispielsweise Silizium und Mangan. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff im Gusseisen als Karbid oder elementar als Graphit vor. In Anlehnung an das Aussehen der Bruchflächen spricht man im ersten Fall von weissem und im zweiten Fall von grauem Gusseisen. Gusseisen ist sehr hart und spröde. Es lässt sich gewöhnlich nicht plastisch verformen.
- Stahl enthält zwischen 0,06 % und 2,06 % Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Gusseisen ist er plastisch umformbar. Durch Legieren sowie eine geeignete Kombination von thermischer Behandlung und plastischer Unformung können die mechanischen Eigenschaften des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.
- Bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0.8% spricht man von Baustahl, bei über 0.8% von Werkzeugstahl.
In der Medizin werden eisenhältige Präparate als Antianämika
eingesetzt, kausal in der Behandlung von Eisenmangelanämien
und additiv in der Behandlung von Anämien anderer Ursachen.
Biologische Bedeutung
Eisen ist ein essentielles Spurenelement für fast alle Lebewesen. Als Zentralatom im Hämoglobin und Myoglobin ist es in vielen Tieren für Sauerstofftransport und -speicherung verantwortlich. In diesen Proteinen ist es von einem planaren Porphyrinring umgeben. Weiter ist Eisen Bestandteil von Eisen-Schwefel-Komplexen (Iron-Sulphur-Cluster) in vielen Enzymen, beispielsweise Nitrogenasen und Hydrogenasen. Als dritte wichtige Klasse der Eisenenzyme sind die so genannten Nicht-Häm-Eisenenzyme zu nennen, beispielsweise die Methan-Monooxygenase, Ribonukleotid-Reduktase und das Hämerythrin. Diese Proteine nehmen in verschiedensten Organismen Aufgaben der Sauerstoffaktivierung, Sauerstofftransport, Redoxreaktionen und Hydrolysen wahr. Ebenso wichtig ist dreiwertiges Eisen als Zentralion im Enzym Katalase, das in den Peroxisomen
der Zellen das im Stoffwechsel entstehende Zellgift Wasserstoffperoxid abbaut.
Infizierende Bakterien nutzen oft Eisen, so dass ein Abwehrmechanismus des Körpers das "Verbergen" von Eisen ist.
Sicherheitshinweise
Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen im Körper giftig
sein. Zu grosse Mengen an Fe2+-Ionen reagieren mit Peroxiden, wobei freie Radikale entstehen. Im Normalzustand werden letztere durch körpereigene Prozesse kontrolliert.
Etwa ein Gramm Eisen verursacht bei einem zweijährigen Kind ernste Vergiftungserscheinungen, drei Gramm können tödlich sein. Lang andauernde Überversorgung mit Eisen führt zur Hämochromatose, einer Eisenspeicherkrankheit. Das Eisen reichert sich in der Leber an und führt dort zu Siderose
(Ablagerung von Eisensalzen) und Organschäden. Daher sind Eisenpräparate nur bei Eisenmangel zu empfehlen. Allerdings nimmt der Körper bei Eisen-Überversorgung selbiges nicht mehr aus der Nahrung auf.
Nachweis
Die Fe2+- beziehungsweise Fe3+-Ionen können als lösliches beziehungsweise unlösliches Berliner- /Turnbulls Blau mit Hilfe von Kaliumhexacyanoferrat-(II/III) (bei 2+ III benutzen und bei 3+ II benutzen) nachgewiesen werden.
Fe3+ kann auch noch mit der sehr empfindlichen Thiocyanat-Reaktion nachgewiesen werden. Es bildet sich das tiefrote Fe(SCN)3, welches in Lösung bleibt. Allerdings stören einige Begleitionen diesen Nachweis (z.B. Co2+, Mo3+, Hg2+, Überschuss an Mineralsäuren).
Links
- Eisen-Stoffwechsel
- Rost (Korrosion)
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