Eisen

Eigenschaften des Elements

Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur

Dichte in bei 25 °C	7,86
Härte nach Mohs	4,5
Schallgeschwindigkeit in	5000
Schmelztemperatur in °C	1540
spezifische Schmelzwärme in	277
Siedetemperatur in °C	3000
spezifische Verdampfungswärme in	6340
Standardentropie S0 in	27
Wärmeleitfähigkeit in bei 27 °C	80,2
spezifische Wärmekapazität in	0,449
Volumenausdehnungskoeffizient in 10- 3
spez. elektrischer Widerstand in	0,0971
Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre, Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe)	4,7

elementares Eisen (Meteorit)

Eiffelturm

Nuklide des Elements 

Ordnungs-zahl Z	Massen- zahl A	Atommasse in u	Häufigkeit in %	Art der Strahlung und Energie in MeV	Halb-wertszeit
26	53	52,945	künstlich	β : 2,8	8,9 min.
	54	53,939 617	5,8%
	56	55,934 936	91,7%
	57	56,935 398	2,2%
	58	57,933 282	0,3%
	59	58,934 878	künstlich	β : 0,5	45 d

Energieniveauschema

Weitere Eigenschaften

Reines Eisen ist ein silberglänzendes, relativ weiches Metall. Auf der Härteskala nach Mohs erhält es den Wert 4,5. Es ist gut dehnbar. Zur Rotglut erhitzt ist es gut schmiedbar. Unterhalb von
768 °C zeigt das Metall ferromagnetische Eigenschaften. Diese zeigen sich jedoch nur im Magnetfeld. Enthält Eisen einen bestimmten Kohlenstoffanteil, kann es dauerhaft magnetisiert werden. Eisen gehört zu den unedlen Metallen. An feuchter Luft korrodiert es. Es bildet sich ein brauner Überzug aus Rost. Da Rost sehr porös ist, schützt er nicht vor weiterer Korrosion. Um die Zerstörung zu verhindern, werden Eisenteile mit Schutzüberzügen (Farbanstriche, metallische Überzüge) versehen. Eisen reagiert mit verdünnten Säuren unter Bildung von Wasserstoff. Durch konzentrierte Säuren wird Eisen jedoch passiviert und zeigt sich dann beständig. Beim Erhitzen reagiert Eisen mit vielen Nichtmetallen, z. B. mit Sauerstoff, mit Schwefel und Halogenen.

Entdeckung

Eisen ist eines der sieben Metalle im Altertum. Erste Hinweise für die Verarbeitung gibt es schon in Ägypten vor 3000 v.Chr. Allerdings handelte es sich dort sicher um Eisen aus Meteoriten. Die Hethiter entwickelten um 1500 v.Chr. in Kleinasien die Eisentechnologie. Damit begann die Eisenzeit. Trotzdem galt das Eisen als sehr teures Material, da die Verhüttung von Eisenerzen sehr hohe Temperaturen erfordert und somit die Gewinnung sehr schwierig war. Waffen aus Eisen bzw. Stahl waren aber hinsichtlich ihrer Härte den Bronzewaffen überlegen. In Europa hatte man erst im frühen Mittelalter Verfahren entwickelt, mit denen Eisen in größeren Mengen erschmolzen werden konnte. Die Schachtöfen stellten Vorläufer der Hochöfen dar. Die deutsche Bezeichnung «Eisen» und das englisch «iron» gehen möglicherweise auf das keltische Wort «Isara» zurück, das «fest» bzw. «hart» bedeutet. Die lateinische Bezeichnung «ferrum» stammt vom lateinischen Wort für hart bzw. schwer («ferreus») ab.

Vorkommen/Herstellung

Das Element Eisen ist relativ häufig (4. Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdkruste). Man nimmt an, dass der Erdkern hauptsächlich aus Eisen besteht. Eisenmeteoriten enthalten bis zu 900 kg/t Eisen. Auf der Erdoberfläche kommt Eisen jedoch kaum in reiner Form vor. Es liegt meist in Form von Oxiden, Carbonaten oder Sulfiden vor. Abbauwürdige Eisenerze müssen 20 % Eisenanteil enthalten. Solche Erze sind u. a. Eisenkies (Pyrit - FeS₂), Siderit (Spateisenstein - FeCO₃), Magnetit (Magneteisenstein - Fe₃O₄), Brauneisenstein (Limonit - Fe₂O₃ x H₂O) und Roteisenstein (Hämatit - Fe₂O₃). Die größten Eisenerzvorkommen liegen in Brasilien, außerdem verfügen Russland im Uralgebiet, aber auch die USA, Kanada, Schweden, Frankreich, Indien und China über Eisenerzvorkommen. Eisenverbindungen spielen in Organismen eine wesentliche Rolle. Das Element Eisen gehört zu den lebenswichtigen Spurenelementen. Es wird u. a. zum Aufbau des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin benötigt, ist aber auch in wichtigen Enzymen und in der Muskulatur (Myoglobin) chemisch gebunden. Daher liegt der tägliche Bedarf eines Erwachsenen bei 6 - 40 mg an Eisen-Ionen. Zur Eisenherstellung wird zuerst einmal das Eisenerz vom tauben Gestein getrennt. Zur anschließenden Verhüttung eignen sich nur oxidische Erze, daher werden Eisensulfide und Carbonate in Oxide überführt (Rösten bzw. Calcinieren). Im Hochofenprozess werden diese Oxide mithilfe von Kohlenstoffmonooxid reduziert und zu Roheisen umgewandelt. Das Roheisen enthält noch viele Bestandteile, die die Eigenschaften des Eisens beeinflussen. Beispielsweise bewirkt ein hoher Kohlenstoffanteil, dass das Roheisen nicht schmiedbar und sehr spröde ist. Daher wird der größte Teil des Roheisens zu Stahl weiter verarbeitet. Als Stahl bezeichnet man Eisenlegierungen mit einem Kohlenstoffanteil unter 1,7 %.

Verwendung

Eisen gehört zu den wichtigsten Gebrauchsmetallen. Es ist für die Stahlherstellung nötig und stellt den hauptsächlichen Bestandteil dar (Chromnickelstahl: ungefähr 55 %,
Manganstahl: zwischen 75 und 98 %, V2A-Stahl: 71 %). Durch die verschiedenen Zusätze können die Eigenschaften der Stähle gegenüber dem Eisen wesentlich verbessert werden. Die Härte nimmt zu, die Festigkeit steigt und bei besonderen hochwertigen Stählen kann Korrosionsbeständigkeit erreicht werden. Stähle werden als Baustahl, Werkzeugstahl u. a. eingesetzt. Daneben existieren noch andere Verwendungsmöglichkeiten. Roheisen wird als Gusseisen beispielsweise für Pfannen genutzt. Reines Eisen dient zur Herstellung von Magneten. Schwere Eisenkerne werden in Transformatoren eingebaut.

Wichtige Verbindungen

- Eisensalze (Farbherstellung: Eisen(II)-salze und rotes Blutlaugensalz) ergibt Turnbulls Blau, Eisen(III)-salze und gelbes Blutlaugensalz ergibt Berliner Blau.
- Eisen(III)-chlorid (FeCl₃ x 6H₂O: Ätzlösung für das Ätzen von Kupfer,
- Eisenoxide (Farbpigmente: z. B. Fe₂O₃ rotes bis braunes Pulver)
- Rost
- Eisen(II)-sulfat (FeSO₄ x 7H₂O: technisch wichtiges Eisensalz)
- Hämoglobin (roter Farbstoff des menschlichen Blutes - Transport von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid)

Bau

Im Eisenkristall herrscht Metallbindung.