Eisen

Eigenschaften
[Ar] 3d64s2 26 Fe Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Eisen, Fe, 26
Serie	Übergangsmetalle
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
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 14, 2
Austrittsarbeit	4,31 − 4,5 eV
1. Ionisierungsenergie	762,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1561,9 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2957 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	5290 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	7,874 g/cm3
Mohshärte	4,0
Magnetismus	ferromagnetisch
Schmelzpunkt	1808 K (1535 °C)
Siedepunkt	3023 K (2750 °C)
Molares Volumen	7,09 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	349,6 kJ/mol
Schmelzwärme	13,8 kJ/mol
Dampfdruck	7,05 Pa bei 1808 K
Schallgeschwindigkeit	~5900 (long.), ~3200 (trans.) m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	452 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	9,93 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	80,2 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	2, 3, 4, 6
Oxide (Basizität)	(amphoter)
Normalpotential	−0,447 V (Fe2+ + 2e− → Fe)
Elektronegativität	1,83 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 52Fe {syn.} 8,275 h ε 2,372 52Mn 53Fe {syn.} 8,51 min ε 3,743 53Mn 54Fe 5,8 % Stabil 55Fe {syn.} 2,73 a ε 0,231 55Mn 56Fe 91,72 % Stabil 57Fe 2,2 % Stabil 58Fe 0,28 % Stabil 59Fe {syn.} 44,503 d β− 1,565 59Co 60Fe {syn.} 1,5 · 106 a β− 3,978 60Co
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 57Fe 1/2 8,643 · 106 3,37 · 10−5 6,46
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
F Leichtent- zündlich (Pulver)
R- und S-Sätze	R: 11 (Pulver)[1]
	S: 53-45-60-61 (Pulver)[1]
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 indogermanischen 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. Im Kontext der industriellen Fertigung versteht man unter Eisen den Werkstoff Gusseisen, wohingegen der Werkstoff Stahl gewöhnlich nicht als Eisen bezeichnet wird.

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Geschichte

Naher Osten

Eisen wurde von Menschen erstmalig nachweisbar etwa 4000 v. Chr. in Sumer und Ägypten benutzt. Es handelte sich um gediegenes Eisen von Meteoriten, das zur Dekoration und zur Anfertigung von Speerspitzen diente.

Zwischen 3000 und 2000 v. Chr. fand 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 Rüstungen und Waffen gegenüber bronzenen Waffen auch ein wichtiger Grund sein.

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 waren.

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.

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 wegen der großen Neigung des Eisens, an feuchter Luft, im Wasser und in der nassen Erde zu korrodieren, wodurch 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 vor Christus.

Vorkommen

  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 sogenannten 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 höherer Elemente keine Energie mehr frei wird, sondern aufgewendet werden muss. Schwerere Elemente entstehen endotherm bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen Materie verantwortlich sind.

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 Magnetit (Fe₃O₄), Roteisenstein, Hämatit (Fe₂O₃), Brauneisenstein (Fe₂O₃·n H₂O), Siderit (FeCO₃), Magnetkies (FeS) und Pyrit (Eisenkies) (FeS₂).

Staaten mit der größten Förderung

Weltweit wurden im Jahre 2000 etwa 1 Mrd. Tonnen Eisenerz abgebaut, mit einem Wert von etwa 25 Mrd. Euro. Die bedeutendsten erzliefernden Staaten 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.

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

Gewinnung und Darstellung

  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.

Nur ein kleiner Teil der Erze kann als Stückerz direkt im Hochofen eingesetzt werden. Der Hauptanteil der Eisenerze wird als Feinerz in einer Sinteranlage zu Sinter verarbeitet. Das Erz wird mit Kalkstein, feinkörnigem Koks (Koksgrus) und Wasser intensiv vermischt und auf einen Wanderrost aufgegeben. Der Wanderrost wird von unten abgesaugt. Von oben wird angezündet und eine Brennfront wandert von oben nach unten durch die Mischung, die dabei kurz angeschmolzen wird. Ein wesentlicher Anteil der Erze wird zu Pellets verarbeitet. Hierzu wird das Erz pulverfein aufgemahlen, was oft bereits zur Abtrennung von Gangart nötigt ist. Mit Bindemitteln, Zuschlägen und Wasser wird eine Mischung erzeugt, die dann auf Pelletiertellern zu Kügelchen von 10 bis 16 mm Durchmesser gerollt wird. Diese werden auf einem Wanderrost mit Gasbefeuerung zu Pellets gebrannt. Sinter ist nicht gut transportierbar und wird deshalb im Hüttenwerk erzeugt. Pelletanlagen werden meist in der Nähe der Erzgruben betrieben.

Hochofenprozess

  Das Eisen wird durch chemische Reduktion des Eisenoxids der Eisenerze mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen. Der Hochofen ist ein Schachtofen. Koks und Erz werden abwechselnd in Lagen oben in den Ofen hineingeschüttet. Dazu sind oberhalb des Ofengefäßes i.d.R. zwei Bunker angeordnet, die als Gasschleusen zwischen dem Ofengefäß und der Umgebung dienen. Ganz oben befindet sich innerhalb des Ofengefäßes eine Drehschurre, mit der das Material spiralförmig flächig auf der Beschickungsoberfläche verteilt wird. Die Kokslagen halten im unteren Bereich des Ofens, wenn das Erz plastisch wird, die Durchströmbarkeit der Schüttung mit Prozessgas aufrecht (Koksfenster).

Der Einsatz sinkt im Ofenschacht ab und wird dabei durch das aufsteigende Prozessgas getrocknet, aufgeheizt, reduziert und schließlich geschmolzen (Redoxreaktion). Der gesamte Vorgang dauert etwa acht Stunden. Das Prozessgas wird erzeugt, indem unten in den Ofen durch wassergekühlte Kupferdüsen (Blasformen) auf etwa 1200 °C vorgeheizte Luft eingeblasen wird. Der Sauerstoff der Luft verbrennt mit Koks zu Kohlenstoffmonoxid, wodurch das etwa 2000 °C heiße aus Kohlenstoffmonoxid und Stickstoff bestehende Prozessgas erzeugt wird, welches die Eisenoxide reduziert. Das hiervon übrig bleibende Abgas, das am oberen Ende des Ofenschachtes gewonnen wird, ist brennbar und wird zum Vorheizen der Luft verwendet. Mit Überschussgas wird in einem Kraftwerk Strom erzeugt.

Der Ofen erzeugt neben dem flüssigen Eisen flüssige Schlacke. Beides wird vermischt mit einer Temperatur von etwa 1450 °C durch ein Stichloch abgezogen, das etwa alle zwei Stunden durch Anbohren geöffnet und jeweils nach etwa einer Stunde durch Verstopfen mit einer keramischen Masse verschlossen wird. Eisen und Schlacke werden außerhalb des Ofens getrennt. Das Eisen wird in Transportpfannen gefüllt und ins Stahlwerk gebracht. Das Eisen ist bei 1450 °C flüssig, da durch den im Eisen gelösten Kohlenstoff eine Schmelzpunktserniedrigung erfolgt. Die Schlacke wird mit Wasser verdüst. Dabei erstarrt sie durch das Abschrecken als feinkörniges Glas (Schlackensand). Dieser Schlackensand wird fein gemahlen und als Zement verwendet. Ein Hochofen erzeugt pro Tonne Eisen etwa 200 bis 300 kg Schlacke.

Erz und Koks enthalten als Hauptverunreinigung Siliziumdioxid (Quarzsand, Silikate) SiO₂ und Aluminiumoxid Al₂O₃. Ein kleiner Teil des Siliziumdioxids wird zu Silizium reduziert, das im Eisen gelöst wird. Der Rest bildet zusammen mit dem Aluminiumoxid die Schlacke (Aluminiumsilikate).

Da der Schmelzpunkt eines Gemisches von SiO₂ und Al₂O₃ zu hoch ist, um eine bei 1450 °C flüssige Schlacke zu bilden, wird Calciumoxid (Gebrannter Kalk, CaO) zur Schmelzpunktserniedrigung verwendet. Dies wird meist bereits bei der Herstellung des Eisenerzsinters als Kalkstein zugegeben.

Das Eisen des Hochofens (Roheisen) hat nur einen Eisengehalt von etwa 95 %. Es enthält für die meisten Anwendungen zu viel Kohlenstoff, Schwefel, Silicium und Phosphor. Üblicherweise wird daher im Stahlwerk zunächst durch Einblasen von Calciumcarbid, Magnesium oder Branntkalk reduzierend entschwefelt. Die Entschwefelungsschlacke wird abgezogen und das Roheisen dann in einem Konverter (Sauerstoffblasverfahren) unter Zusatz von Branntkalk oxidierend verblasen. Dabei wird Silicium zu Siliciumdioxid und Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid verbrannt. Der Phosphor wird als Calciumphosphat gebunden. Das flüssige Eisen hat danach eine Temperatur von etwa 1600 °C. Es enthält soviel Sauerstoff, dass beim Erstarren aus verbliebenem Kohlenstoff Kohlenmonoxidblasen entstehen. Beim heute meist verwendeten Strangguss ist dies unerwünscht. Beim Abstechen des Stahls aus dem Konverter in die Gießpfanne wird daher Aluminium zugegeben, um den Sauerstoff als Aluminiumoxid zu binden. Bei hohen Anforderungen an die Qualität des Stahls folgen auf den Konverterprozess noch weitere Verfahrensschritte, wie z. B. eine Vakuumbehandlung (Sekundärmetallurgie).

Eigenschaften

    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 Bildung des Sonnensystems vorherrschenden Bedingungen zu erschließen.

Nur das Eisenisotop ⁵⁷Fe besitzt einen Kernspin.

Verwendung

  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 Grundwerkstoff macht. Es wird bei der Herstellung von Landfahrzeugen, Schiffen und im gesamten Baubereich (Stahlbeton) eingesetzt.

Eisen ist (neben Cobalt und Nickel) eines jener drei ferromagnetischen Metalle, die mit ihrer Eigenschaft den großtechnischen Einsatz des Elektromagnetismus u.a. in Generatoren, Transformatoren, Drosseln, Relais und Elektromotoren ermöglichen. Es wird rein oder u.a. mit Silicium, Aluminium, Kobalt oder Nickel (siehe Mu-Metall) legiert und dient als weichmagnetisches Kernmaterial zur Führung von Magnetfeldern, zur Abschirmung von Magnetfeldern oder zur Erhöhung der Induktivität. Es wird hierzu massiv, in Form von Blechen oder Pulver (Pulverkerne) produziert.

Reines Eisenpulver wird auch 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 Silicium 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.

Geruch des Eisens

  Der 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.^[2]

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. Im Körper liegt es oxidiert als Eisen(II) und Eisen(III) vor. 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, Hydrogenasen oder den Komplexen der Atmungskette. 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 Mannes beträgt ca. 10 Milligramm Eisen. Eine erwachsene Frau (bis 51 Jahre alt) sollte ca. 15 Milligramm Eisen zuführen. 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, Kaffee oder schwarzem Tee 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 (welches nicht in Hämoglobin gebunden ist) 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.^[3] 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.^[4]

Nachweis

Bei der Nachweisreaktion für Eisen-Ionen werden zunächst die beiden Kationen Fe²⁺ und Fe³⁺ unterschieden.

Eisennachweis mit Thioglycolsäure

Mit Thioglycolsäure lassen sich Fe²⁺- und Fe³⁺-Ionen nachweisen:

Fe²⁺ + 2 HS-CH₂-COOH → [Fe(SCH₂COO)₂]^2- + 4H⁺

Bei Anwesenheit von Fe²⁺- oder Fe ³⁺-Ionen entsteht eine intensive Rotfärbung.

Eisennachweis mit Hexacyanoferraten

Die Fe²⁺-Ionen lassen sich mit rotem Blutlaugensalz nachweisen:

3 Fe²⁺ + 2 K₃[Fe(CN)₆] → Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 6 K⁺

Das Produkt trägt den Namen Turnbulls Blau (was im Grunde genommen das gleiche wie Berliner Blau ist). Es läuft keine Komplexbildungsreaktion ab, sondern lediglich ein Ionenaustausch (Fällungsreaktion).

Fe³⁺-Ionen lassen sich mit gelbem Blutlaugensalz nachweisen:

4 Fe³⁺ + 3 K₄[Fe(CN)₆] → Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12 K⁺

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) nachgewiesen werden. Berliner Blau und Turnbulls Blau sind eigentlich nur zwei Namen für die gleich Verbindung. 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 umgekehrt. Es ist bemerkenswert, dass dieses bekannte Eisennachweisreagenz selbst Eisen enthält, welches durch die Cyanidionen chemisch gut maskiert wird (Innerorbitalkomplex) und somit die Grenzen der chemischen Analytik aufzeigt.

Eisennachweis mit Thiocyanaten

Alternativ kann man Eisen(III)-salze mit Thiocyanaten (Rhodaniden) nachweisen. Diese reagiert mit Eisen(III)-Ionen zu Eisen(III)-thiocyanat:

Fe³⁺ + 3 SCN⁻ → Fe(SCN)₃

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.

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 Ionen sind fast farblos. Lösungen von Fe(III)-Salzen reagieren stark sauer und sind gelb gefärbt. Die Farbe entsteht durch Charge-transfer-Banden von Hydroxo-Ionen, wie bei [Fe(H₂O)₅OH]²⁺.
• Fe⁴⁺, kommt in den Katalysezyklen einiger Enzyme vor (zum Beispiel Cytochrom c Oxidase, Cytochrom P450, Peroxidasen),
• Fe⁵⁺, FeO₄^3-
• 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 bis 560 °C instabil.
• 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, Chromatreduzierung und Phosphatelimination; dazu gehört die Simultanfällung.
• Eisen(II)-sulfat (FeSO₄) wird wegen seiner Farbe auch Grünsalz genannt. Anwendungen wie beim Eisen(II)-chlorid, sowie bei getrocknetem Eisen(II)-sulfat als Chromatreduzierer speziell im Zement gegen die Chromatallergie.

• 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 und Fe₃(CO)₁₂.
• Fe(SCN)₃, Eisen(III)-thiocyanat, Eisenrhodanid, hat eine sehr ergiebige blutrote Färbung, dient zum Nachweis von Fe³⁺-Ionen.

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

1. ↑ ^{a b} Sicherheitsdatenblatt(Carl Roth) Dies gilt nur für Pulver, kompaktes Eisen ist ohne Gefahrensymbole/R-/S-Sätze
2. ↑ 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
3. ↑ Nielsen P: [1]Einteilung der Eisenüberladung
4. ↑ DEGUM: "DEGUM: Parkinson-Erkrankung vor dem Ausbruch erkennen" Informationsdienst Wissenschaft, 6. Juli 2006

Literatur

H. Schoppa: Was der Hochöfner von seiner Arbeit wissen muß. Verlag Stahleisen., Düsseldorf 1992, ISBN 3-514-00443-9.