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Eisen


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Eisen (v. air. iarn dem Namen des Schwermetalls ) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit Symbol Fe (lat. Ferrum Eisen) und Ordnungszahl 26. Es ist Metall der 4. Periode in der 8. im Periodensystem.
Eigenschaften
Mangan - Eisen - Kobalt
Fe
Ru   
 
 
Allgemein
Name Symbol Ordnungszahl

Eisen Fe 26
Serie Übergangsmetalle
Gruppe Periode Block

8 (VIIIB) 4 d
Dichte Mohshärte

7874 kg/m 3 4.0
Aussehen

metallisch glänzend
mit einem gräulichen Farbton
Atomar
Atomgewicht 55.845 amu
Atomradius (berechnet) 140 (156) pm
Kovalenter Radius 125 pm
van der Waals-Radius k.A.
Elektronenkonfiguration

[Ar]3d 6 4s 2
e - 's pro Energieniveau

2 8 14 2
Oxidationszustände ( Oxid )

2 3 4 6 (amphoter)
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Physikalisch
Aggregatzustand ( Magnetismus )

fest ( ferromagnetisch )
Schmelzpunkt 1808 K (1535°C)
Siedepunkt 3023 K (2750°C)
Molares Volumen

7.09 × 10 -3 m 3 /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
Elektronegativität 1.83 ( Pauling-Skala )
Spezifische Wärmekapazität

440 J/(kg*K)
Elektrische Leitfähigkeit 9.93 10 6 /m Ohm
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
Stabilste Isotope
Isotop NH t 1/2 ZM ZE M eV ZP
54 Fe 5.8% Fe ist stabil mit 28 Neutronen
55 Fe

{syn.} 2.73 y ε Einfang 0.231 55 Mn
56 Fe 91.72% Fe ist stabil mit 30 Neutronen
57 Fe 2.2% Fe ist stabil mit 31 Neutronen
58 Fe 0.28% Fe ist stabil mit 32 Neutronen
59 Fe

{syn.} 44.503 d β 1.565 59 Co
60 Fe

{syn.} 1.5E 6 y β - 3.978 60 Co
NMR-Eigenschaften
57 Fe
Kernspin 1/2
gamma / rad / T

8.643e6
Empfindlichkeit 3.37e-5
Larmorfrequenz bei B="4".7 T

6.46 M Hz
SI -Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt
sofern nicht anders angegeben.

Inhaltsverzeichnis

Wichtigste Eigenschaften

Das durchschnittliche Eisen-Atom hat etwa die Masse eines Wasserstoff -Atoms. Eisen ist das 10.-häufigste Element im Universum .

Technisch wird das Metall aus Eisenerz gewonnen das kein reines Eisen sondern Eisenoxide enthält. Eisenerz wird durch Verhüttung zu Roheisen reduziert; bei diesem Prozess auch Verunreinigungen entfernt (Schlacke).

Technisch ist Eisen für die Herstellung Stahl bedeutsam. Stähle sind Legierungen die neben Eisen noch andere Metalle Nichtmetalle (insbesondere Kohlenstoff ) enthalten.

Der Atomkern des Eisenisotops 56 Fe hat die höchste Bindungsenergie pro Nukleon aller Atomkerne.

Die Fusion von Elementen in Sternen endet beim Eisen. Schwerere Elemente entstehen Supernovaexplosionen die auch für das Verstreuen der Stern fusionierten Materie verantwortlich sind.

Bei Raumtemperatur ist die allotrope Modifikation des reinen Eisens das Ferrit oder α-Eisen. Diese Modifikation weist ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter auf die unterhalb 911°C vorliegt. Unterhalb Curiepunkts bei 760°C ist das Ferrit ferromagnetisch. Modifikation zwischen 760°C und 911°C heißt β-Eisen. sie sich außer in den magnetischen Eigenschaften vom Ferrit α-Eisen unterscheidet wird sie gewöhnlich als α-Eisen bezeichnet. Bis 1392°C liegt es der kubisch flächenzentrierten γ-Modifikation oder Austenit vor. Bei weiter steigender Temperatur wandelt Eisen in δ-Ferrit um das wieder ein raumzentriertes Gitter aufweist. Der Schmelzpunkt liegt bei

Diese Eigenschaft der Umwandlung des Gitters kubisch-raumzentriert (bis 911°C) über kubisch-flächenzentriert (bis 1392°C) zu kubisch-raumzentriert (bis 1539°C) sowie des anschließenden Zerfalls Gitterstrukturen nennt man auch die " Polymorphie des Eisens".

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 schwarze Farbe. Auch die Strichfarbe ist grau.

Wegen der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff ist gediegenes Eisen nicht stabil. Es daher in Legierung mit Nickel nur in Eisenmeteoriten auf sowie in Basalten in denen es manchmal zu einer Reduktion von eisenhaltigen Mineralen kommt.

Anwendungen

Eisen ist mit 95 Gewichtsprozent das meistgebrauchte Metall. Der Grund dafür liegt in weiten Verfügbarkeit die es preiswert macht sowie Festigkeit und Zähigkeit von Eisenlegierungen die es vielen Bereichen nützlich macht. Viel Eisen wird der Herstellung von Autos Schiffen und im Hochhausbau ( Stahlbeton ) eingesetzt.

Eisen ist eines der drei ferromagnetischen ( Kobalt und Nickel sind die anderen) und erlaubt damit großtechnischen Einsatz des Elektomagnetismus in Generatoren Transformatoren und Elektromotoren .

Reines Eisenpulver wird nur in der verwendet. Industriell sind verschiedene Stähle verbreitet. Eisen in den folgenden Formen genutzt:

  • Roheisen enthält 4% - 5% Kohlenstoff unterschiedliche Anteile an Schwefel Phosphor und Silizium . Es ist ein Zwischenprodukt in der von Gusseisen und Stahl.
  • Gusseisen enthält 2% - 4 5% Kohlenstoff weitere Legierungselemente wie z.B. Silizium und Mangan . In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit liegt Kohlenstoff im Gusseisen als Karbid oder elementar als Graphit vor. In Anlehnung an das Aussehen Bruchflächen spricht man im ersten Fall von und im zweiten Fall von grauem Gusseisen. ist sehr hart und spröde. Es lässt gewöhnlich nicht plastisch verformen.
  • Stahl enthält zwischen 0% und 2 5% Im Gegensatz zu Gußeisen ist er plastisch Durch Legieren sowie eine geeignete Kombination von Behandlung und plastischer Unformung können die mechanischen des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.

Geschichte

Naher Osten

Der älteste menschliche Gebrauch von Eisen aus Sumer und Ägypten etwa 4000 v. Chr. Es handelte um gediegenes Eisen von Meteoriten und wurde zur Dekoration oder als benutzt. Es wurde nicht durch Schmelzen oder sondern durch Methoden der Steinbearbeitung ( Steinzeit ) bearbeitet.

Zwischen 3000 und 2000 v. Chr. man verhüttetes Eisen (vom Meteoriteisen durch die von Nickel unterscheidbar) in Mesopotamien Anatolien und Ägypten. Es scheint nur zeremoniell worden zu sein und war wertvoller als Eine mögliche Herkunft ist als Nebenprodukt bei Bronzeherstellung als Schwammeisen.

Zwischen 1600 und 1200 v. Chr. Eisen verstärkt genutzt; es löste Bronze allerdings nicht ab. Seit 1200 fand dann im Osten der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit statt. Es wird vermutet dass nicht Materialüberlegenheit des Eisens sondern ein Mangel an Zinn (zur Bronzeherstellung notwendig) den Übergang auslöste.

Bei dem ersten eisenzeitlichen Verhüttungsschritt entstand Durch den Gebrauch von Holzkohle bei der Weiterverarbeitung wurde dem Eisen zugefügt mit dem Endresultat eines (zumindest oberflächlichen) Durch Härten (d.h. abruptes Abkühlen i.a. in einer entstanden Werkstücke mit einer Elastizität und Härte der Bronze überlegen war.

China

Auch in China wurden die ersten mit Eisen an Meteoriteisen gewonnen. Erste archäologische von Schmiedeeisen finden sich im Nordwesten nahe aus dem 8. vorchristlichen Jahrhundert. Man vermutet diese Produkte die mit den Methoden des Ostens erstellt wurden durch Handel nach China sind.

Etwa 550 v. Chr in der Zhou-Dynastie (1122 - 256 v. Chr) fand der Entwicklung des Hochofens ein entscheidender technischer statt: die Produktion von Gusseisen wurde möglich.

Europa

Da europäische Verarbeitungstechniken nur Temperaturen von 1.300°C erreichten fand die Entwicklung von Gusseisen erst im 14. Jahrhundert in Schweden (Lapphyttan und Vinarhyttan) statt. Mit der verbreitete sich die Gusseisenverarbeitung schnell über ganz

Als die schwindenden Wälder den wachsenden zur Eisengewinnung in Großbritannien nicht mehr decken konnten wurde Kohle (genauer das Kohleprodukt Koks) von Abraham als Alternative entwickelt. Diese Umstellung zusammen mit Erfindung der Dampfmaschine gilt als Beginn der industriellen Revolution .

Vorkommen

Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich Hauptbestandteil des Erdkerns . Das Wechselspiel von festem Eisen im und flüssigem Eisen im äusseren Kern erzeugt das Erdmagnetfeld . Mit einem Anteil von 5 % Eisen aber auch eines der häufigeren Elemente Erdkruste . Die ersten Quellen die ausgebeutet wurden Raseneisenerz und offenliegende Erze. Heute wird vor 40%iges Magneteisenerz genutzt.

Das wichtigste Mineral zur Eisengewinnung ist Hämatit welches größtenteils aus Fe 2 O 3 besteht. Das Eisen wird durch chemische mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen; dabei treten Temperaturen von etwa auf. Zuerst wird Koks dem Hochofen zugegeben wo es mit in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Kohlenmonoxid reagiert:

2 C + O 2 → 2 CO

Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid:

3 CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2

Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur ist das Eisen flüssig. Allerdings enthält es noch Verunreinigungen Form von Siliziumdioxid . Durch Zugabe von Kalk (CaCO 3 ) wird das Siliziumdioxid als Schlacke abgesondert. erster Reaktionsschritt wandelt den Kalk in Kalziummonoxid

CaCO 3 → CaO + CO 2

Daraufhin reagiert das Kalziummonoxid mit dem

CaO + SiO 2 → CaSiO 3

Die entstehende Schlacke wird im Tiefbau auch als Dünger eingesetzt.

Weltweit wurden im Jahre 2000 etwa Megatonnen Eisenerz abgebaut mit einem Wert von 25 Mrd. Euro. Die bedeutendsten Eisenerzlieferanten sind China Brasilien Australien Russland und Indien . Zusammen liefern sie etwa 70% des Aus den 1.000 Mt Erz wurden etwa Mt Eisen gewonnen. Zusätzlich wird aus Schrott neues Eisen gewonnen.

Abbau

Eisenerz wird im Tagebau und Tiefbau gewonnen. Dort wo die als abbauwürdig erkannten offen zutage treten kann das Erz im aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz in Südamerika bes. Brasilien im Westen Australiens China in Ost-Europa (z.B. Ukraine) und Kanada diese Weise abgebaut.

Diese Länder verdrängten in den letzten die ursprünglich bedeutendsten Eisenerz-Förderländer wie Frankreich Schweden auch Deutschland selbst dessen letzte Eisenerzgrube in Oberpfalz 1987 geschlossen wurde.

Allerdings stellt der relativ leichte Abbau ein großes Problem dar: Der Export von ist nach wie vor die Haupteinnahmequelle vieler Staaten. Entsprechend hemmungslos stürzen sich viele der Tropenländer auf diese Ressourcen meist auf Kosten Mensch und Umwelt. Riesige Erz-Abbaugebiete wie die Tedi-Mine in Papua-Neuguinea zerstören nicht nur den auf ihrem eigentlichen Gebiet sondern in weitem die ganze Landschaft. Denn hochgiftige Abwässer und kippen die Minenbetreiber einfach in die Gegend wo sich das Gift durch die Flüsse - so dass stromabwärts am Ok Tedi Fischverzehr für die traditionelle Bevölkerung zur Gesundheitsgefahr

Vom Bergwerk gelangt das Eisenerz selten zu den Lagerplätzen der Hütten. Meist müssen weite Transportwege auf dem Land und auf Meer mit mehrfachem Umladen überwunden werden.

Vor der weiteren Verarbeitung wird das schließlich zerkleinert und gemahlen. Danach werden die nach ihrer Größe sortiert und gesintert. Das es werden kleine Körner ' --> zusammengeklebt"' denn nur so ist die Verwendung im möglich.

Verbindungen

Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Oxide. diese keine feste Schutzschicht bilden oxidiert (d.h. ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig.

Häufige Eisenoxidationsstufen und -verbindungen:

  • Fe 2+
  • Fe 3+
  • Fe 4+ kommt in einigen Enzymen vor (z.B.
  • Fe 6+ ist selten (z.B. K 2 FeO 4 )
  • Fe 3 C

Die Fe 2+ bzw. Fe 3+ Ionen können als lösliches bzw. unlösliches /Turnbullsblau mithilfe von Kaliumhexacyanoferrat(II/III) (bei 2+ III und bei 3+ II benutzen) nachgewiesen werden.

Isotope

Eisen hat vier natürlich vorkommende stabile Isotope mit den relativen Häufigkeiten: 54 Fe (5.8%) 56 Fe (91.7%) 57 Fe (2.2%) and 58 Fe (0.3%). Das Isotop 60 Fe hat eine Halbwertszeit von 1 5 Millionen Jahren. Die von 60 Fe zu Begin der Entstehung des Planetensystems durch den Nachweis einer Korrelation zwischen den von 60 Ni dem Zerfallsprodukt von 60 Fe und den Häufigkeiten der stabilen Fe-Isotope einigen Phasen mancher Meteoriten (z.B. in den Meteoriten Semarkona und Chervony Kut ) nachgewiesen werden. Möglicherweise spielte die freigesetzte beim radioaktiven Zerfall von 60 Fe neben der Zerfallsenergie des ebenfalls vorhandene 26 Al eine Rolle beim Aufschmelzen und der der Asteroiden direkt nach ihrer Bildung vor 4 6 Milliarden Jahren. Heute ist alles vorhandene 60 Fe vollständig in 60 Ni zerfallen. Die Verteilung von Nickel- und in Meteoriten erlaubt es die Isotopen- und bei der Bildung des Sonnensystems zu messen und die vor und der Bildung des Sonnensystems vorherrschenden Bedingungen zu

Nur das Eisenisotop 57 Fe besitzt einen Kernspin und findet darum in der Chemie und Biochemie.

Biologie

Eisen ist ein essentielles Spurenelement für fast alle Lebewesen. Als Zentralatom Hämoglobin und Myoglobin ist es in vielen Tieren für und -speicherung verantwortlich. In diesen Proteinen ist es von einem planaren Porphyrinring Weiter ist Eisen Bestandteil von Eisen-Schwefel-Komplexen (Iron-Sulphur-Cluster) vielen Enzyme z.B. Nitrogenasen und Hydrogenasen . dritte wichtige Klasse der Eisenenzyme sind die Nicht-Häm-Eisenenzyme zu nennen z.B. die Methan-Monooxygenase Ribonukleotid-Reduktase und das Hämerythrin . Diese Proteinen nehmen in verschiedensten Organismen der Sauerstoffaktivierung Sauerstofftransport Redoxreaktionen und Hydrolysen wahr.

Infizierende Bakterien nutzen oft Eisen so ein Abwehrmechanismus des Körpers das 'Verbergen' von ist.

Vorsichtsmaßnahmen

Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für Menschen ist kann zu viel Eisen im giftig sein. Zu große Mengen an Fe 2+ -Ionen reagieren mit Peroxiden wobei freie Radikale Im Normalzustand werden letztere durch körpereigene Prozesse

Etwa 1 Gramm Eisen verursacht bei zweijährigen Kind ernste Vergiftungserscheinungen 3 Gramm können sein. Langandauernde Überversorgung mit Eisen führt zu (Eisenspeicherkrankheit). Das Eisen reichert sich in der Leber an und führt dort zu Siderose von Eisensalzen) und Organschäden. Daher sind Eisenpräparate bei Eisenmangel zu empfehlen.

Siehe auch



Bücher zum Thema Eisen

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