Eisen
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 ein Metall der 4. Periode in der 8. Gruppe im Periodensystem.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Eisen, Fe, 26 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 8 (VIIIB), 4 , d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 7874 kg/m3, 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]3d64s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 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 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 349.6 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 13.8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 7.05 Pa bei 1808 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 4910 m/s bei 293.15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1.83 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 440 J/(kg*K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 9.93 106/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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. |
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Wichtigste Eigenschaften
Das durchschnittliche Eisen-Atom hat etwa die 56-fache Masse eines Wasserstoff-Atoms. Eisen ist das 10.-häufigste Element im Universum.
Technisch wird das Metall aus Eisenerz gewonnen. Eisenerz enthält Eisenoxide; Eisen kommt fast nie gediegen vor. Eisenerz wird durch Verhüttung zu Roheisen reduziert; bei diesem Prozess werden auch Verunreinigungen entfernt (Schlacke).
Technisch ist Eisen für die Herstellung von Stahl bedeutsam. Stähle sind Legierungen, die neben Eisen noch andere Metalle und Nichtmetalle (insbesondere Kohlenstoff) enthalten.
Der Atomkern des Eisenisotops 56Fe hat die höchste Bindungsenergie pro Nukleon aller Atomkerne.
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.
Bei Raumtemperatur ist die allotrophe Modifikation des reinen Eisens das Ferrit oder α-Eisen. Diese Modifikation weist ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter auf, die unterhalb 911°C vorliegt. Unterhalb des Curiepunkts bei 760°C ist das Ferrit ferromagnetisch. Bis 1392°C liegt es in der kubisch flächenzentrieten γ-Modifikation oder Austenit vor. Bei weiter steigender Temperatur wandelt das Eisen in δ-Ferrit um, das wieder ein kubisch raumzentriertes Gitter aufweist. Der Schmelzpunkt ist 1539°C.
Anwendungen
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 Elektomagnetismus in Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren.
Reines Eisenpulver wird nur in der Chemie verwendet. Industriell sind verschiedene Stähle verbreitet. 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% - 4,5% Kohlenstoff und weitere Legierungselemente wie z.B. 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% und 2,5% Kohlestoff. 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.
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 (d.h. abruptes Abkühlen, i.a. 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 - 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 1300°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
Mit einem Anteil von 5% ist Eisen eines der häufigeren Elemente der Erdkruste. Die ersten Quellen die ausgebeutet wurden, sind Raseneisenerz und offenliegende Erze. Heute wird vor allem 40%iges Magneteisenerz genutzt.
Das wichtigste Mineral zur Eisengewinnung ist Hämatit, welches größtenteils aus Fe2O3 besteht. 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:
- 2 C + O2 → 2 CO
Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid:
- 3 CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur 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:
- CaCo + 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 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.
Verbindungen
Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Oxide. Da diese keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert (d.h. verrostet) ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig.
Häufige Eisenoxidationsstufen und -verbindungen:
- Fe+2,
- Fe+3,
- Fe+4, kommt in einigen Enzymen vor (z.B. Peroxidase).
- Fe+6, ist selten (z.B. K2FeO4)
- Fe3C
Isotope
Eisen hat vier natürlich vorkommende, stabile Isotope, mit den relativen Häufigkeiten: 54Fe (5.8%), 56Fe (91.7%), 57Fe (2.2%) and 58Fe (0.3%). Das Isotop 60Fe hat eine Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren. Die Existenz von 60Fe zu Begin 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 (z.B. in den Meteoriten Semarkona und Chervony Kut) nachgewiesen werden. Möglicherweise spielte die freigesetzte Energie beim radioaktiven Zerfall von 60Fe, neben der Zerfallsenergie des ebenfalls vorhandene radioaktivem 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.
Biologie
Eisen ist ein essentielles Spurenelement für viele Tiere, die es als Zentralatom im Hämoglobin benötigen. Weiter ist Eisen Bestandteil des Eisen-Schwefel-Komplexes (Iron-Sulphur-Cluster) vieler Enzyme.
Infizierende Bakterien nutzen oft Eisen, so dass ein Abwehrmechanismus des Körpers das 'Verbergen' von Eisen ist.
Vorsichtsmaßnahmen
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 1 Gramm Eisen verursacht bei einem zweijährigen Kind ernste Vergiftungserscheinungen, 3 Gramm können tödlich sein. Langandauernde Überversorgung mit Eisen führt zu Hämochromatose (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.