Eisen

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Eisen, Fe, 26
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block	8, 4, d
Aussehen	metallisch glänzend mit; einem gräulichen Farbton
Massenanteil an der Erdhülle	4,7
Atomar
Atommasse	55,845 u
Atomradius (berechnet)	140 (156) pm
Kovalenter Radius	125 pm
Van-der-Waals-Radius	? pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 3d64s2
1. Ionisierungsenergie	762,5 kJ·mol−1
2. Ionisierungsenergie	1561,9 kJ·mol−1
3. Ionisierungsenergie	2957 kJ·mol−1
4. Ionisierungsenergie	5290 kJ·mol−1
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	7874
Mohshärte	4,0
Magnetismus	ferromagnetisch
Schmelzpunkt	1808 K (1535 °C)
Siedepunkt	3023 (2750 °C)
Molares Volumen	7,09 · 10-6 m3·mol−1
Verdampfungswärme	349,6
Schmelzwärme	13,8 kJ·mol−1
Dampfdruck	7,05 Pa bei 1808 K
Schallgeschwindigkeit	~5900 (long.), ~3200 (trans.); m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	452 J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit	4,31 - 4,5
Elektrische Leitfähigkeit	9,93 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit	80,2 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	2, 3, 4, 6
Normalpotential	-0,447 V (Fe2+ + 2e- → Fe)
Elektronegativität	1,83 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung {{{GHS-Piktogramme}}}
H- und P-Sätze	H: {{{H}}}
	EUH: {{{EUH}}}
	P: {{{P}}} {{{Quelle P}}}
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. ; Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Eisen (mhd. isen; vergleichbar mit kelt. isara „kräftig“, got. eisarn und aiz, lat. aes „Erz“; das Wort scheint Germanen und Kelten gemeinsam gewesen zu sein, die Abstammung von einer gemeinsamen idg. Wurzel ist jedoch nicht sicher geklärt) 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. Nebengruppe im Periodensystem.

Eigenschaften

ein Stück hochreines Eisen mit 99,97%iger Reinheit

Datei:EZ Fe bcc.jpg

Kubisch raumzentrierte Elementarzelle eines Eisenkristalls

Das durchschnittliche Eisen-Atom hat etwa die 56-fache Masse eines Wasserstoff-Atoms. Der Atomkern des Eisenisotops ⁵⁶Fe weist einen der größten Massendefekte und damit eine der höchsten Bindungsenergien pro Nukleon aller Atomkerne auf. Deshalb wird es als Endstufe bei der Energieerzeugung durch Kernfusion in den Sternen betrachtet.

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 766 °C ist das Ferrit ferromagnetisch. Die Modifikation zwischen 766 °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 1535 °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.

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 fast 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 Bildug des Sonnensystems vorherrschenden Bedingungen zu erschließen.

Nur das Eisenisotop ⁵⁷Fe besitzt einen Kernspin.

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 (Rosten) 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. Eisenerze findet man dagegen vergleichsweise häufig, wichtige Beispiele sind Magneteisenstein, Magnetit (Fe₃O₄), Roteisenstein, Hämatit (Fe₂O₃), Brauneisenstein (Fe₂O₃·n H₂O), Siderit (FeCO₃), Magnetkies (FeS) und Pyrit (Eisenkies) (FeS₂).

Verbindungen

Wertigkeiten und Oxidationsstufen

Fe¹⁺, äußerst ungewöhnlich, z.B. als Fe[(H₂0)₅NO]²⁺. (Ringprobe, Nachweis von NO₃^-)
Fe²⁺, diese Salze sind zumeist blassgrün,
Fe³⁺, diese Salze sind zumeist intensiv orange. Ihre Farbigkeit in wässriger Lösung ist durch die Bildung von Aqua-Komplexen (Komplexchemie) zu erklären [Fe(H₂O)₆]³⁺, die je nach pH-Wert Wasser-Liganden gegen OH^--Liganden austauschen. Durch die Wasserliganden erhält man eine Ligandenfeldaufspaltung, mit den Hydroxidionen einen Chargetransfer (Charge-Transfer-Komplexe).
Fe⁴⁺, kommt in den Katalysezyklen einiger Enzyme vor (zum Beispiel Cytochrom c Oxidase, Cytochrom P450, Peroxidasen),
Fe⁶⁺, ist selten (beispielsweise K₂FeO₄).

Oxide

Eisen bildet mit Sauerstoff zweiwertige und dreiwertige Oxide:

Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) ist eine braune Substanz. Es entsteht durch Oxidation von Eisen im Sauerstoffüberschuss.
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 (Fe₃O₄) entsteht durch Umwandlung von FeO.

Da diese Oxide keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig. Wenn sie vor dem endgültigen Verrosten eingesammelt und dem Recycling zugeführt werden, sind verrostetes Eisen und verrosteter Stahl bei der Stahlproduktion im Elektro-Schmelzofen ein begehrter und wertvoller Sauerstoffträger. Dieser Sauerstoff im Eisenschrott wirkt beim „Stahlkochen“ als Oxidationsmittel, um ungewünschte qualitätsmindernde Beimengungen (z. B. Leichtmetalle) zu oxidieren (verbrennen).

Salze

Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Salze:

Eisen(II)-chlorid (FeCl₂) wird angewendet zur Sulfidfällung, Faulgasentschwefelung, Biogasentschwefelung und Phosphatelimination; dazu gehört die Simultanfällung.
Eisen(II)-sulfat (FeSO₄) wird wegen seiner Farbe auch Grünsalz genannt. Anwendungen wie beim Eisen(II)-chlorid, sowie Chromatreduktion bei getrocknetem Eisen(II)-sulfat.

Eisen(III)-chlorid (FeCl₃) kann Kupfer oxidieren und lösen; deshalb kann man wässrige Eisen(III)-chlorid-Lösungen zum schonenden Ätzen von Leiterplatten verwenden. Reaktionsformel:

Cu + 2 FeCl₃ = CuCl₂ + 2 FeCl₂

Eisen(III)-chloridsulfat (FeClSO₄)

Alle Eisensalze werden unter anderem verwendet als Flockungsmittel und zur Phosphatelimination, dazu gehört die Vorfällung, Simultanfällung, Nachfällung und Flockenfiltration sowie Sulfidfällung, Faulgasentschwefelung, Biogasentschwefelung

Weitere Eisenverbindungen

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.

In vielen Fällen wird Eisen auch als Rohstoff benutzt, da es hervorrrragend dafür geignet ist. Auch Autokarosserien bestehen zu 40% aus Eisen. Die Eisenbahn heißt Eisenbahn weil sie zu 99,99999999999999% aus Eisen besteht.

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. Möglicherweise entstand es in Form von Schwammeisen als Nebenprodukt der Bronzeherstellung.

Zwischen 1600 und 1200 v. Chr. wurde Eisen verstärkt genutzt; die Hethiter kannten dann wohl eine Methode zur wirtschaftlichen Herstellung des Eisens. Es löste Bronze allerdings noch nicht ab. In dieser Zeit blieb es weitgehend Monopol des Hethitischen Reiches (auf dem Gebiet der heutigen Türkei) und war ein Faktor seines Aufstiegs. Ab 1200 v. Chr. fand mit dem Untergang des Hethitischen Reiches und der Verbreitung des entsprechenden Wissens im Nahen Osten der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit statt. Es wird vermutet, dass nicht nur die Materialüberlegenheit des Eisens, sondern ein Mangel an Zinn (zur Bronzeherstellung notwendig) den Übergang auslöste. Allerdings kann die Überlegenheit eiserner Rüstung und Waffen gegenüber bronzenen Waffen auch ein wichtiger Grund sein. Man benutzt Eisen auch dafür um Eisen zu benützten un verbrennen, da es aus Eisen besteht. Eisen wird auch oft aus Eisengranulatsionssäurenmittel verwendet. Heute besteht fast alles aus Eisen und Eisengranulatsionssäuremittel. Weil auch Waffen aus Eisen hergestellt wird benutzt man Eisen auch zum töten.

Beim 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 vorsichtiges Härten (das heißt sorgfältiges und gekonntes 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.

550 v. Chr. wurde der Hochofen entwickelt: Jetzt war das Herstellen von Gusseisen möglich.

Europa

Neben seiner herausragenden Bedeutung als Werkstoff wurde Eisen in der Alchemie verwendet, wo es mit dem Zeichen für Mars/Männlichkeit ♂ assoziiert wurde.

Da europäische Verarbeitungstechniken (Rennofen) 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

Raseneisensteinstücke

Eisen ist zusammen mit Nickel wahrscheinlich der Hauptbestandteil des Erdkerns. Vermutlich angetrieben von thermischen Kräften, erzeugen Konvektionsströmungen von flüssigem Eisen im äußeren Kern das Erdmagnetfeld. Mit einem Anteil von 4,7 Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Die ersten Vorkommen, die abgebaut wurden, waren Raseneisenstein und offenliegende Erze. Heute wird vor allem 40-prozentiges Magneteisenerz abgebaut. Das wichtigste Mineral zur Eisengewinnung ist Hämatit, welches größtenteils aus Fe₂O₃ besteht. Die größten Eisenerzvorkommen finden sich in den so genannten Banded Iron Formations (BIF, gebändertes Eisenerz oder Bändererz), die auch als Takonit oder Itabirit bezeichnet werden.

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 aufgewendet werden muss. Schwerere Elemente entstehen endotherm bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen Materie verantwortlich sind.

Gewinnung und Darstellung

Eisenproduktion in Coalbrookdale, wo Abraham Darby I 1709 als erster Eisen unter Verwendung von Koks gewonnen hat (Gemälde von Philippe-Jacques de Loutherbourg, 1801)

Eisenerz wird im Tagebau und im 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) und Kanada auf diese Weise abgebaut.

Diese Länder verdrängten in den letzten Jahren die ursprünglich bedeutendsten Eisenerz-Förderländer wie Frankreich, Schweden oder Deutschland, dessen letzte Eisenerzgrube in der Oberpfalz 1987 geschlossen wurde

Riesige Erz-Abbaugebiete wie die Ok Tedi-Mine in Papua-Neuguinea beeinträchtigen nicht nur den Regenwald stellenweise, sondern durch die ungeklärte Einleitung von Abwässern und Schlämmen in Flüsse teilweise auch diejenige Bevölkerung, die vom Flußwasser Gebrauch macht. Jedoch ist die Anzahl an Menschen, die durch die Mine in dem bitterarmen Land ihren Lebensunterhalt verdienen und oft sogar ihre Existenz verdanken, viel größer. 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

Das Eisen wird durch chemische Reduktion mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen. Dabei wird es etwa 2.000 °C heiß. Als erstes wird Koks in den Hochofen zugegeben, wo es mit dem Sauerstoff der Einblasluft zu Kohlenmonoxid reagiert. Bei den hohen Temperaturen entsteht vorwiegend Kohlenmonoxid und nicht Kohlendioxid. Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid und wird als Gichtgas abgezogen. In den unteren heißen Zonen reagiert aber auch der Kohlenstoff direkt mit dem Eisenerz.

Von der hohen Reaktionstemperatur und der Schmelzpunktsenkung durch die Aufnahme von Kohlenstoff wird das entstehende Eisen flüssig. Jedoch enthält es noch Verunreinigungen in Form von Siliciumdioxid. Durch die Zugabe von Kalkstein wird das Siliciumdioxid als Schlacke abgesondert. Ein erster Reaktionsschritt wandelt den Kalk in Calciummonoxid um. Daraufhin reagiert das Calciummonoxid mit dem Siliziumdioxid. Die entstehende Schlacke wurde früher als Dünger gebraucht, heute findet sie im Tiefbau Verwendung.

Die größten Roheisenproduzenten

Weltweit wurden im Jahre 2000 etwa 1 Mrd. Tonnen Eisenerz abgebaut, mit einem Wert von etwa 25 Mrd. Euro. Die bedeutendsten Eisenerzlieferanten sind Brasilien, Australien, die Volksrepublik China, 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.

Das bei weitem bedeutendste Herstellerland für Roheisen ist die Volksrepublik China, gefolgt von Japan und der Russischen Föderation. In Europa sind die wichtigsten Produzenten Ukraine und Deutschland.

Die größten Roheisenproduzenten weltweit (2003)
Quelle: Handelsblatt *Die Welt in Zahlen* (2005)
Rang	Land	Produktion (in Mio. t)	Rang	Land	Produktion (in Mio. t)
1	VR China	202,3	10	Frankreich	13
2	Japan	82,1	11	Taiwan	10,3
3	Russische Föd.	48,3	12	Italien	10,1
4	USA	39,1	13	Vereinigtes Königreich	10,1
5	Brasilien	32	14	Kanada	8,5
6	Ukraine	29,6	15	Belgien	7,8
7	Deutschland	29,5	16	Südafrika	6,2
8	Südkorea	27,3	17	Australien	6,1
9	Indien	26,1	18	Niederlande	5,8

Für eine ausführlichere Liste der Produktionsländer siehe Liste der größten Roheisenerzeuger. Weitere Tabellen zu Produktionsdaten findet man hier:

Industrie - die größten Produzenten von: Aluminium, Dünger, Kunstfasern, Papier, Stahl, Zement
Bergbau - die Hauptfördernationen von: Bauxit, Blei, Eisenerz, Diamanten, Gold, Kupfer, Platin, Silber, Zink, Zinn

Verwendung

Brücke über den Severn

Eisen ist technisch gesehen 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, welche es recht preiswert macht, sowie in der erreichten hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit beim Eingehen von Legierungen mit anderen Metallen wie Chrom, Molybdän und Nickel, die es für viele Bereiche in der Technik zu einem Spezialwerkstoff macht. Bei der Herstellung von Autos, Schiffen und im Hochhausbau (Stahlbeton) eingesetzt, 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 und Kunststoffen konkurrenzfähig sein.

Eisen ist (neben Kobalt und Nickel) eines jener drei ferromagnetischen Metalle, 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 sind etwa 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 Silicium. Es ist ein Zwischenprodukt in der Herstellung von Gusseisen und Stahl.
Gusseisen enthält 2,06 bis 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 (Kaltwalzen) können die mechanischen Eigenschaften des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.
Bei unlegierten 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 durch andere Ursachen hervorgerufenen Anämien.

Biologische Bedeutung

Im Meer ist Eisen ein ständiges Mangelelement, unter dem das marine Leben sehr zu leiden hat. Das experimentelle künstliche Ausbringen von Eisen an einigen Orten im Meer hatte sofort eine Algenblüte und eine Blüte des Zooplanktons zur Folge und eine hohe Aktivität des Lebens in diesen Bereichen.

Infizierende Bakterien nutzen oft Eisen, so dass ein Abwehrmechanismus des Körpers das „Verbergen“ von Eisen ist.

Ich kommeum auf die Toillettttttttttttte zu gehen sagt der Fuchs zum Hasen und riecht nach Bierbäuchen.

Duft des Eisens

Strukturformel von 1-Octen-3-on

Der seltsame, aber typische, als metallisch klassifizierte Geruch, wenn man Eisengegenstände berührt, entsteht durch eine chemische Reaktion von Stoffen des Schweißes und des Fetts der Haut mit zweiwertigen Eisenionen. ^[1]

Einer der wichtigsten Duftträger ist 1-Octen-3-on, das noch in großer Verdünnung pilzartig-metallisch riecht. Vorstufe der Geruchsstoffe sind Lipidperoxide. Diese entstehen, wenn Hautfett durch bestimmte Enzyme oder andere Prozesse (z. B. UV-Anteil des Lichts) oxidiert werden. Diese Lipidperoxide werden dann durch die zweiwertigen Eisenionen zersetzt wobei die Duftstoffe gebildet werden. Die zweiwertigen Eisenionen entstehen durch Korrosion des Eisens bei Berührung mit dem Handschweiß, der korrosive organische Säuren und Chloride enthält.

Beim Verreiben von Blut auf der Haut entsteht ein ähnlicher Geruch. Blut enthält ebenfalls Eisenionen.

Medizinische Bedeutung

Normaler Eisenstoffwechsel

Eisen ist ein essentielles Spurenelement für fast alle Lebewesen, vor allem für die Blutbildung. Als Zentralatom des Kofaktors Häm in Hämoglobin und Myoglobin ist es bei vielen Tieren und beim Menschen für Sauerstofftransport und -speicherung verantwortlich. In diesen Proteinen ist es von einem planaren Porphyrinring umgeben. Weiter 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 verschiedenen 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.

Eisenbedarf und Eisenmangel

Vor allem Frauen leiden häufig an Eisenmangel, der Grund dafür ist die Menstruation - an jedem Tag verliert der Körper ca. 15 Milligramm, bei der Geburt eines Kindes ca. 1000 Milligramm Eisen. Der Tagesbedarf eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 20 Milligramm Eisen, durch die gleichzeitige Einnahme von Vitamin C wird die Resorptionsquote deutlich erhöht. Besonders reichhaltig ist Eisen in Fleisch, Leber, Hülsenfrüchten und Vollkornbrot enthalten. Die Eisenaufnahme durch Nahrungsmittel wird bei gleichzeitigem Verzehr von Milchprodukten von diesen gehemmt.

Toxizität und Eisenüberladung

Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen für den Körper toxisch, d.h. 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. Bei einem erwachsenen Mann treten ab ca. 2,5 Gramm Eisen im Blut ernstzunehmende Vergiftungserscheinungen auf. 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.^[2] Da Eisen ein Übergangsmetall ist, kann es, vor allem in seiner zweiwertigen Form (Fe²⁺), durch ein Überangebot auch im Gehirn unter bestimmter Voraussetzungen zu neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. der Parkinson- oder auch der Alzheimer-Krankheit führen.^[3]

Eisenfunde

Eisenfunde sind gegenüber den Funden von Bronze relativ selten, einerseits weil das Eisen in den ältesten Perioden nur in geringem Maße verwendet wurde, andererseits weil wegen der großen Neigung des Eisens, an feuchter Luft, im Wasser und in der nassen Erde zu korrodieren, die Gegenstände sich nicht erhalten konnten. Nur besondere Umstände oder große Ausmaße des Gegenstandes verhinderten den Verlust solcher Stücke.

Eines der ältesten Fundstücke stammt aus der Cheopspyramide und wurde 1837 von J. R. Hill beim Lossprengen einiger Steinlagen in einer Mauerfuge gefunden, wo es vor Rost geschützt war. Es handelt sich um das Bruchstück eines größeren schmiedeeisernen Werkzeugs und hat ein Alter von etwa 5.000 Jahren. Ein späteres Fundstück ist das von Belzoni unter einer Sphinx in Karnak entdeckte Stück, das als Teil einer Sichel erkannt wurde und etwa 2.800 Jahre alt ist.

In Asien fanden sich eiserne Gegenstände in den Gräbern von Turan und größere Eisenlager in den Ruinen von Khorsabad, wo Ringe, Kettenteile zusammen mit etwa 160.000 kg Eisenbarren entdeckt wurden. Auch Layard stieß bei seinen Ausgrabungen in Nimrud auf eiserne Waffen, wie Helme, Speere und Dolche. Der berühmte Pfeiler von Delhi im Qutb-Komplex ist eine 7 m hohe schmiedeeiserne massive Säule mit etwa einem halben Meter Durchmesser, die seit dem Beginn des 5. Jahrhunderts von den Indern als heilig verehrt wird und Sanskrit-Inschriften enthält.

Zu den ältesten europäischen Stücken gehören die eisernen Zelte und Speere, die Graf Gozzadini 1853 in etruskischen Gräbern bei Bologna entdeckt hat. Sie stammen aus dem 9. bis 10. Jahrhundert.

Nachweis

Bei der Nachweisreaktion für Eisen werden zunächst die beiden Kationen unterschieden: $\mathrm {Fe^{2\operatorname {+} }}$ und $\mathrm {Fe^{3\operatorname {+} }}$ .

Eisennachweise mit Hexacyanoferraten

Datei:Kaliumhexacyanoferrat(II).JPG

Kaliumhexacyanoferrat(II)

Die $\mathrm {Fe^{2\operatorname {+} }}$ -Ionen lassen sich mit rotem Blutlaugensalz nachweisen: $\mathrm {3\,Fe^{2\operatorname {+} }+2\,K_{3}\left[Fe(CN)_{6}\right]_{(aq)}\longrightarrow Fe_{3}\left[Fe(CN)_{6}\right]_{2}+6\,K^{\operatorname {+} }}$ Das Produkt trägt den Namen Turnbulls Blau - Es läuft keine Komplexbildungsreaktion ab, sondern lediglich ein Ionenaustausch (Fällungsreaktion). $\mathrm {Fe^{3\operatorname {+} }}$ -Ionen lassen sich mit gelbem Blutlaugensalz nachweisen: $\mathrm {4\,Fe^{3\operatorname {+} }+3\,K_{4}[Fe(CN)_{6}]_{(aq)}\longrightarrow Fe_{4}[Fe(CN)_{6}]_{3}+12\,K^{\operatorname {+} }}$ Bei dieser Nachweisreaktion entsteht Berliner Blau, ein wichtiger Farbstoff.

Die Fe²⁺- beziehungsweise Fe³⁺-Ionen können also als lösliches, beziehungsweise unlösliches Berliner- /Turnbulls Blau mit Hilfe von Kaliumhexacyanoferrat-(II/III) (bei 2+ III benutzen und bei 3+ II benutzen) nachgewiesen werden.

Berliner Blau und Turnbulls Blau sind eigentlich nur zwei Namen für die selbe Verbindung, sie haben die selbe Struktur. Dies lässt sich leicht verstehen wenn man weiß, dass die blaue Farbe von Metall-Metall Charge-Transfer herrührt. Dabei geht Fe(III) in Fe(II) über und Fe(II) in Fe(III).

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

Eisennachweise mit Thiocyanat

Alternativ kann man Eisen-III-salze durch Zugabe von Kalium- oder Ammoniumthiocyanatlösung („Rhodanid“) nachweisen (KSCN). Diese reagiert mit Eisen-III-Kationen zu Eisen-III-thiocyanat:

\mathrm {FeCl_{3}+3KSCN\;{\overrightarrow {\leftarrow }}\;Fe(SCN)_{3}+3KCl}

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), so dass u. U. ein Kationentrenngang durchgeführt werden muss. Huuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu.

Siehe auch

Eisen-Stoffwechsel – Bedeutung des Eisens im Organismus eines Lebewesens
Elektrowerk – Herstellung von seltenen Legierungen wie Ferro-Chrom und Ferro-Molybdän
Atomium – Das Wahrzeichen Brüssels, das einen Ausschnitt aus einem Eisen-Kristallgitter darstellt.

Quellen

↑ D. Glindemann, A. Dietrich, H.-J. Staerk und P. Kuschk Die zwei Gerüche des Eisens bei Berührung und unter Säureeinwirkung - (Haut)Carbonylverbindungen und Organophosphine, Angewandte Chemie 118 (2006) 7163 - 7166
↑ Nielsen P: [1]Einteilung der Eisenüberladung
↑ DEGUM: "DEGUM: Parkinson-Erkrankung vor dem Ausbruch erkennen" Informationsdienst Wissenschaft, 6. Juli 2006

Weblinks

Commons: Eisen – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Eisen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Mineralienatlas:Eisen (Wiki)
Eisengewinnung im Hochofen
die-roemer-online.de Eisenherstellung in der Römerzeit
Eisengewinnung in vorgeschichtlicher Zeit Landschaftsmuseum Obermain
Nachhaltige Eisengewinnung früher, mit Lehmofen und Raseneisenerz Eisenherstellung vom WDR
Hochofenmuseum Radwerk IV

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[1] D. Glindemann, A. Dietrich, H.-J. Staerk und P. Kuschk Die zwei Gerüche des Eisens bei Berührung und unter Säureeinwirkung - (Haut)Carbonylverbindungen und Organophosphine, Angewandte Chemie 118 (2006) 7163 - 7166

[2] Nielsen P: [1]Einteilung der Eisenüberladung

[3] DEGUM: "DEGUM: Parkinson-Erkrankung vor dem Ausbruch erkennen" Informationsdienst Wissenschaft, 6. Juli 2006

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[3]