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.

Eigenschaften

Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Eisen, Fe, 26
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	8 (VIIIB), 4, d
Dichte, Härte	7874 kg/m3, 4.0
Aussehen	metallisch grau
Atomar
Atomgewicht	55,845 amu
Atomradius (berechnet)	140 (156) pm
Kovalenter Radius	125 pm
van der Waals-Radius	N/A
Elektronenkonfiguration	[Ar]3d64s2
e- pro Energieniveau	2, 8, 14, 2
Oxidationszustände (Oxid)	2, 3, 4, 6 (amphoterisch)
Kristallstruktur	kubisch (body centered cubic)
Physikalisch
Materiezustand	Festkörper, ferromagnetisch
Schmelzpunkt	1808 K (1535 C)
Siedepunkt	3023 K (2750 C)
Molares Volumen	7,09 ×10-3 m3/mol
Verdampfungswärme	349,6 kJ/mol
Fusionswärme	13,8 kJ/mol
Dampfdruck	7,05 Pa bei 1808 K
Schallgeschwindigkeit	910 m/s bei 293,15 K
Verschiedenes
Elektronegativität	1m83 (Pauling-Skala)
Spezifische Wärmekapazität	440 J/(kg*K)
Elektrische Leitfähigkeit	9m93 106/m Ohm
Wärmeleitfähigkeit	80,2 W/(m*K)
1st Ionisierungspotential	762,5 kJ/mol
2st Ionisierungspotential	1561,9 kJ/mol
3st Ionisierungspotential	2957 kJ/mol
4st Ionisierungspotential	5290 kJ/mol
Stabilste Isotope
iso NA Halbwertzeit DM DE MeV DP 54Fe 5.8% stabil mit 28 Neutronen 55Fe {syn.} 2,73 a ε-Einfang 0,231 55Mn 56Fe 91.72% stabil mit 30 Neutronen 57Fe 2.2% stabil mit 31 Neutronen 58Fe 0.28% stabil mit 32 Neutronen 59Fe {syn.} 44,503 d β- 1,565 59Co 60Fe {syn.} 1.5 106 a β- 3,978 60Co
SI-Einheiten & STP werden benutzt, sofern nicht anders erwähnt.

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 in zu Roheisen reduziert; bei diesem Prozess werden auch Verunreinigungen entfernt (Schlacke).

Technisch ist Eisen für die Herstellung von Stahl bedeutsam. Stahle 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 somit beim Eisen. Schwerere Elemente entstehen bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern fusionierten Materie verantwortlich sind.

Anwendungen

Eisen ist mit 95 Gewichtsprozent das weltweit meistgebrauchte Metall. Der Grund dafür liegt in seiner weiten Verfügbarkeit, die es preiswert macht, sowie der Härte und Zähigkeit von Eisenlegierungen, die Eisen 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 Stahle 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.
• Gusseisen enthält 2% - 3.5% Kohlenstoff und geringe Mengen Mangan. Schwefel und Phosphor, die dem Roheisen seine schlechen Materialeigenschaften geben, sind auf ein akzeptabeles Niveau reduziert. Gusseisen schmizt bei 1420-1470 K, unterhalb der individuellen Schmelzpunkte von Eisen und Kohlestoff. Gusseisen ist sehr hart und spröde; sogar weissglühendes Gusseisen zerspringt unter Bearbeitung.
• Kohlenstoffstahl enthält zwischen 0.5% und 1.5% Kohlestoff sowie geringe Mengen an Mangan, Schwefel, Phosphor und Silizium.
• Schmiedeeisen enthält weniger als 0.5% Kohlestoff. Es ist zäh und formbar, aber nicht sehr hart. Eine Schneide wird schnell stumpf.
• Legierter Stahl enthält variierende Anteile an Kovalenter, sowie Metalle wie Chrom, Vanadium, Molybden, Nickel, Wolfram, usw.
• Ferrit wird als magnetisches Speichermedium verwedet.

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 Meteroiten, 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 Kohlenmonxid reagiert:

2 C + O₂ → 2 CO

Das Kohlenmonxid 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, Brazilien, 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 ursprünglich auch vorhandene Isotop ⁶⁰Fe hat eine Halbwertzeit von 1,5 Millionen Jahren, und ist 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.