Eisen

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP
⁵²Fe	{syn.}	8,275 h	ε	2,372	⁵²Mn
⁵³Fe	{syn.}	8,51 min	ε	3,743	⁵³Mn
⁵⁴Fe	5,8 %	Fe ist stabil mit 28 Neutronen
⁵⁵Fe	{syn.}	2,73 a	ε	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	β^-	1,565	⁵⁹Co
⁶⁰Fe	{syn.}	1,5 · 10⁶ a	β^-	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 M Hz

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.

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 α-Eisen. Diese Modifikation weist ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter auf, das unterhalb 911 °C vorliegt. Unterhalb des Curiepunkts bei 760 °C ist das Ferrit ferromagnetisch. Die Modifikation zwischen 760 °C und 911 °C heißt β-Eisen. Da sie sich außer in den magnetischen Eigenschaften nicht vom Ferrit α-Eisen unterscheidet, wird sie gewöhnlich auch als α-Eisen bezeichnet. Bis 1392 °C liegt es in der kubisch flächenzentrierten 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 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 freigesetzte Energie beim radioaktiven Zerfall von ⁶⁰Fe, neben der atomaren 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 damals ursprünglich vorhanden gewesene 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

Oxidationsstufen

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).

Oxide

Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Oxide.

Eisen-III-Oxid

Eisen-III-Oxid ( Fe₂O₃ ) ist eine braune Substanz und in der Umgangssprache als Rost bekannt. Es entsteht durch langsame Oxidation von Eisen in Gegenwart von Wasser.

Eisen-II-Oxid

Eisen-II-Oxid (FeO) entsteht beim direkten Verbrennen von Eisen, z.B. mit dem Schneidbrenner. Es ist schwarz und bei Umgebungstemperatur nicht stabil.

Eisen-II,III-Oxid

Eisen-II,III-Oxid (Fe₃O₄) entsteht durch Umwandlung von FeO .

Da diese Oxide keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig. Wenn er vor dem endgültigen Verrosten eingesammelt und dem Recycling zugeführt wird, ist das verrostete Eisen (Stahl) bei der Stahlproduktion im Elektro-Schmelzofen ein begehrter und wertvoller Sauerstoffträger, ohne den die Stahlindustrie nicht auskommen könnte. Dieser Sauerstoff im Eisenschrott wirkt beim "Stahlkochen" als Oxidationsmittel, um ungewünschte qualitätsmindernde Beimengungen (z.B. Leichtmetalle) zu oxydieren (verbrennen).

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.

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 zugeführt, mit dem Endresultat eines (zumindest oberflächlichen) Stahls. Durch Härten (das heißt abruptes Abkühlen, im Allgemeinen in einer Flüssigkeit, wie Wasser oder Öl) entstanden Werkstücke mit einer bis dahin nicht gekannten Elastizität und Härte, die der Bronze weit überlegen war.

China

Auch in China wurden die ersten Erfahrungen mit Eisen an Meteoriteneisen 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 15. Jahrhundert in Schweden (Lapphyttan und Vinarhyttan) statt. Mit der gegossenen Kanonenkugel verbreitete sich die Gusseisenverarbeitung schnell wie die Feldzüge 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 fünf Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Die ersten Vorkommen, die abgebaut wurden, waren Raseneisenerz und offenliegende Erze. Heute wird vor allem 40-prozentiges Magneteisenerz abgebaut. 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, da bei der Fusion von höheren Elementen keine Energie mehr frei wird, sondern Energie verbraucht wird. Schwerere Elemente entstehen bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen 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)(Krivoi Rog, ist der Name des Erzes) 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 Entwicklungsländer 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 für die Bevölkerung traditionelle Fischverzehr zur Gesundheitsgefahr wurde.

Nur selten gelangt das Eisenerz vom Bergwerk kommend, unmittelbar zu den Lagerplätzen der Hütten. Meist müssen erst weite Transportwege auf dem Landweg und auf dem Seeweg, mit mehrfachem Umladen, zurückgelegt 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 Erzkörner gemeinsam mit Kalkzuschlagsstoffen auf mit Gas unterfeuerten motorisch angetriebenen Wanderrosten (Rost-Förderband) aufgelegt und durch starke Erhitzung "zusammengebacken", denn nur in dieser Form als gesinterte grobe Brocken ist der Einsatz im Hochofen möglich, da das feine Erz die Luftzufuhr (Wind) sehr beeinträchtigen, bzw. verhindern würde.

Hochofenprozess

Hochofen mit einem Teil der Nebenanlagen

Das Eisen wird durch chemische Reduktion mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen; dabei treten Temperaturen von etwa 2.000 °C auf. Zuerst wird Koks dem Hochofen zugegeben, wo es mit dem in der Einblasluft (Wind) vorhandenen Sauerstoff zu Kohlenmonoxid reagiert:

$\mathrm {2\,C+O_{2}\rightarrow 2\,CO}$

Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid:

$\mathrm {3\,CO+Fe_{2}O_{3}\rightarrow 2\,Fe+3\,CO_{2}}$

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 Kalkstein (CaCO₃) wird das Siliziumdioxid als Schlacke abgesondert. Ein erster Reaktionsschritt wandelt den Kalk in Kalziummonoxid um:

$\mathrm {CaCO_{3}\rightarrow CaO+CO_{2}}$

Daraufhin reagiert das Kalziummonoxid mit dem Siliziumdioxid:

$\mathrm {CaO+SiO_{2}\rightarrow CaSiO_{3}}$

Die entstehende Schlacke wird heute im Tiefbau, früher auch als Dünger (Thomasmehl), 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.

Verwendung

Technisch ist Eisen für die Herstellung von Stahl sehr bedeutsam. Stähle sind Legierungen des Eisens, die beim Vermischen (legieren) mit anderen Metallen und auch Nichtmetallen (insbesondere Kohlenstoff) entstehen. Eisen ist mit 95 Prozent Gewichtsanteil an genutzten Metallen, das weltweit meistverwendete. Der Grund dafür liegt in seiner weiten Verfügbarkeit, welches es recht preiswert macht, sowie in der erreichten hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit beim Eingehen von Legierungen mit anderen Metallen (z.B. Chrom, Molybdän, Nickel usw., die es für viele Bereiche in der Technik zu einem Spezialwerkstoff macht. Bei der Herstellung von Autos, Schiffen und im Hochhausbau (Stahlbeton) eingesetzt, neuerdings für Karosserieteile in besonders innovativer verschweißter Kombination mit Alublech, entwickelt in Deutschland im Jahr 1996, um Energie beim Betrieb von Autos durch Gewichtsverringerung einzusparen und zugleich den Fahrzeugschwerpunkt tiefer zu legen. Damit wird der bisher klassische Werkstoff für Autos zunehmend unter "Gewichtsdruck" geraten und vielleicht zukünftig nur mehr in Kombination mit spezifisch leichteren Metallen konkurrenzfähig sein.

Eisen ist eines jener drei ferromagnetischen Metalle (Kobalt und Nickel sind die übrigen), die mit ihrer Eigenschaft den großtechnischen Einsatz des Elektromagnetismus in Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren ermöglichen.

Reines Eisenpulver wird nur in der Chemie verwendet. Industriell sind verschiedene Stähle verbreitet, in Deutschland ca. 7.500 Sorten genormt. Eisen wird in den nachfolgend angeführten Formen genutzt:

Roheisen enthält vier bis fünf Prozent 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 ersteren 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 durch eine geeignete Kombination von thermischer Behandlung und plastischer Formung 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 eisenhaltige Präparate als Antianämika eingesetzt, kausal in der Behandlung von Eisenmangelanämien und additiv in der Behandlung von Anämien, hervorgerufen von anderen 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. Weiters 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 bereits 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 Eisenüberversorgung dieses 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.

Es ist bemerkenswert, dass dieses bekannte Eisennachweisreagenz selbt Eisen enthält, welches durch die Cyanidionen chemisch gut maskiert wird (Innerorbitalkomplex) und somit Grenzen der Analytik aufzeigt.

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).

siehe auch

Eisen-Stoffwechsel - Bedeutung des Eisens im Organismus eines Lebewesens
Rost (Korrosion)
Atomium - Das Wahrzeichen Brüssels, das einen Ausschnitt aus einem Eisen-Kristallgitter darstellt.

Weblinks

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die-roemer-online.de Eisenherstellung in der Römerzeit
Eisengewinnung in vorgeschichtlicher Zeit Landschaftsmuseum Obermain