Eisen
Eisen (lat. Ferrum) ist ein chemisches Element in der Periodensystem der Elemente, das das Symbol Fe und die Protonenzahl 26 hat. Eisen ist ein ziemlich weicher, silbergrauer Metall. Es gehört zu den Übergangselementen. Chemisch ist es ziemlich reaktiv und reagiert mit Säuren mit Freisetzung von Wasserstoff. Unter Einfluss von atmosphärischer Feuchtigkeit und Sauerstoff wird es oxidiert und bildet eine Mischung aus hydratisierten Oxiden und Hydroxiden von Eisen, genannt Rost. Dieser Prozess ist ein großes Problem für die Industrie, da Eisen eines der am häufigsten verwendeten Metalle ist. Als Schutz werden verschiedene Anstriche, Passivierung durch Phosphorsäure (Entstehung einer festen Schicht von Phosphaten), Metallschutz, usw. verwendet.
Verbindungen
Die am häufigsten vorkommenden Oxidationszahlen von Eisenverbindungen sind +2 und +3. Zu den Verbindungen gehören hauptsächlich Eisenoxid (II) (FeO), Eisenoxid (III) (Fe2O3), und die doppelte Eisenoxid (II, III) (Fe3O4). Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von reinem Eisen verwendet.
Eisen als Übergangselement bildet viele Komplexe, in denen es am häufigsten in Koordinationszahlen 4 und 6 vorkommt. Eisenkomplexe sind ziemlich stabil. Zu den bekanntesten zählen Hexacyanoferrat (II) von Kalium (gelbe Blutkalk) K4[Fe (CN)6], Hexacyanoferrat (III) von Kalium (rote Blutkalk) K3[Fe (CN)6] – verwendet in der analytischen Chemie, und Pentacarbonyl-Eisen Fe (CO)5, verwendet zur Laborherstellung von reinem Eisen.
Weitere verwendete Verbindungen sind Eisen (II)-sulfat (FeSO4), Eisen (III)-chlorid (FeCl3).
Auch Oxidationszahlen +4, +5, +6 (K2FeO4) sind bekannt. Die genannten Verbindungen sind sehr starke Oxidationsmittel.
Vorkommen
Eisen ist eines der am weitesten verbreiteten Elemente im Erde (5 hm. %). Seine Verteilung ist jedoch nicht gleichmäßig, und in Richtung des Kerns steigt sein Gehalt an, wobei der Kern selbst aus einer Legierung Nickel und Eisen im Verhältnis ~85 % Fe: ~6 % Ni besteht. In der Natur kommt Eisen in verschiedenen, meist mafschen Gesteinen – Basalt und Mineralien – Pyroxene, Amphibole, Oliven. Wichtige Minerale Eisenerze, aus denen Eisen industriell hergestellt wird, sind: Hematit, Limonit, Magnetit, Siderit[1]. Viele andere Minerale enthalten ebenfalls Eisen, doch die Extraktion aus ihnen ist entweder nicht rentabel oder sehr energieintensiv, z. B. Pyrit. Die weltweit wichtigsten Eisenerzvorkommen sind sogenannte Bänder-Eisenformationen.
Das Vorkommen reines Eisens ist selten (einige Fundorte in Grönland und Schweden). Es kommt auch in sogenannten Eisen Meteoriten in Form von Legierungen mit Nickel vor.
Herstellung
Eisen ist dem Menschen seit der Antike bekannt (Hallstattzeit und Latenzeit), doch seine größere industrielle Produktion begann erst im 18. Jahrhundert. Für die Herstellung werden die bereits erwähnten Erze verwendet (Hematit, Magnetit, Siderit, Limonit).
Die Herstellung basiert auf Redoxreaktionen mit Kohlenmonoxid, bzw. Kohlenstoff in sogenannten Hochofen. In den Hochofen werden vorbereitete Erze, Koks und Kalkstein, ggf. Siliziumdioxid dosiert. Die Temperatur im Ofen beträgt ca. 1 800 °C und mehrere Prozesse laufen dort ab:
- Verbrennung von Koks mit Bildung von Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid
- C + O2 → CO2
- 2C + O2 → 2CO
- Reduktion von Eisen mit Kohlenmonoxid
- 3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2
- oder mit Kohlenstoff
- 3 C + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO
- Bildung von Schlacke (Schutz des geschmolzenen Eisens vor erneuter Oxidation)
CaO + SiO2 → CaSiO3
Der gesamte Prozess verläuft kontinuierlich, in die obere Zone werden Erze, Koks, Schlackenbildner zugeführt und in regelmäßigen Abständen wird geschmolzenes Eisen (Eisenabzug) aus der unteren Zone abgezogen.
Pyrit wird nicht als Rohstoff für die Eisenherstellung verwendet, da er Schwefel enthält, der unerwünschte Sulfide bildet.
Verwendung
Eisen ist das am häufigsten verwendete Metall. Roheisen enthält neben Kohlenstoff auch verschiedene Verunreinigungen, weshalb es nicht direkt verwendet werden kann. Durch seine Verarbeitung werden verschiedene Gussformen hergestellt. Gusseisen ist ziemlich hart, aber spröde, mit geringen Möglichkeiten weiterer Verarbeitung. Es hat jedoch sehr gute Guss-eigenschaften. Daher wird es für Produkte verwendet, bei denen keine große Genauigkeit der Bearbeitung erforderlich ist und die es möglich ist zu gießen (z. B. Deckel, Heizkörper). Es gibt jedoch auch Gussformen mit veränderten Eigenschaften.
Durch Entfernen von Kohlenstoff aus Roheisen wird Stahl erzeugt, der im Vergleich dazu viel besser verarbeitbar ist, ist schmiedbar, biegsam. Durch Zusätze anderer Metalle (Mangan, Chrom, Vanadium, Wolfram, Kobalt und andere) werden verschiedene mechanische Eigenschaften des Stahls (Zugfestigkeit, Härte, chemische Beständigkeit und viele andere) verändert. Mit Stahl begegnen wir uns im Alltag (Verkehr, Industrie, Maschinen, Bauwesen).
Weitere Informationen über die Verwendung von Eisen finden Sie in den Kategorien Guss und Stahl
Biologische Bedeutung
Eisen ist ein wichtiger biogenes Element. Als zentrales Atom des organometallischen Komplexes Häm, eingebettet in Protein Hämoglobin spielt es eine wichtige Rolle im Organismus der Warmblüter bei der Transport Sauerstoff von Lungen zu den Zellen.
Hämoglobin ist in Erythrozyten gebunden. Sauerstoff ist an Hämoglobin durch Koordinationsbindung gebunden. Probleme entstehen, wenn in die Lunge ein Ligand mit höherer Bindungsenergie (Kohlenmonoxid) gelangt, der den Sauerstoff verdrängt und zu dessen Transportblockierung führt.
Die Hauptquellen von Eisen in der Nahrung sind Innereien (Leber, Herz) und Fleisch, sowie Bohnen und Blattgemüse.