Eisen (von kelt. isara „kräftig“, mhd. isen, got. eisarn und aiz, lat. aes „Erz“) 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. Der Name Eisen ist entweder auf das urkeltische Wort isorai oder auf das indogermanische Wort eison („glänzend“) zurückzuführen.

Eigenschaften

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 760 °C ist das Ferrit ferromagnetisch. Die Modifikation zwischen 760 °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

Nur das Eisenisotop ⁵⁷Fe besitzt einen Kernspin und findet darum Anwendung in der Chemie und Biochemie.

Eisen als Mineral

Wegen der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff 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. Letztere findet man dagegen vergleichsweise häufig, wichtige Beispiele sind Magneteisenstein (Fe₃O₄), Roteisenstein (Fe₂O₃), Brauneisenstein (Fe₂O₃·n H₂O), Siderit (FeCO₃), Magnetkies (FeS) und Pyrit (Eisenkies) (FeS₂).

Verbindungen

Wertigkeiten und Oxidationsstufen

• 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 ^*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 als Cytochrom P450, Peroxidasen),
• Fe⁶⁺, ist selten (beispielsweise K₂FeO₄).

Oxide

• Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) ist eine braune Substanz. Es entsteht durch langsame Oxidation von Eisen in Gegenwart von Wasser und ist das Endprodukt des Verrostens.
• 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 er vor dem endgültigen Verrosten eingesammelt und dem Recycling zugeführt wird, ist das verrostete Eisen (Stahl) bei der Stahlproduktion im Elektro-Schmelzofen ein begehrter und wertvoller Sauerstoffträger, ohne den die Stahlindustrie nicht auskommen könnte. Dieser Sauerstoff im Eisenschrott wirkt beim „Stahlkochen“ als Oxidationsmittel, um ungewünschte qualitätsmindernde Beimengungen (z. B. Leichtmetalle) zu oxidieren (verbrennen).

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

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; 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 die Materialüberlegenheit des Eisens, sondern ein Mangel an Zinn (zur Bronzeherstellung notwendig) den Übergang auslöste.

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 Härten (das heißt abruptes 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

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

Europa

Da europäische Verarbeitungstechniken 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 II als Alternative entwickelt. Diese Umstellung, zusammen mit der Erfindung der Dampfmaschine, gilt als Beginn der industriellen Revolution.

Vorkommen

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 verbraucht wird. Schwerere Elemente entstehen bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen Materie verantwortlich sind.

Gewinnung und Darstellung

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

Allerdings stellt der relativ leichte Abbau auch ein großes Problem dar: Der Export von Rohstoffen ist nach wie vor die Haupteinnahmequelle vieler ärmerer Staaten. Entsprechend hemmungslos stürzen sich viele der hochverschuldeten Entwicklungsländer auf diese Ressourcen, meist auf Kosten von Mensch und Umwelt. Riesige Erz-Abbaugebiete wie die Ok Tedi-Mine in Papua-Neuguinea zerstören nicht nur den Regenwald auf ihrem eigentlichen Gebiet, sondern in weitem Umkreis die ganze Landschaft. Denn hochgiftige Abwässer und Schlämme kippen die Minenbetreiber einfach in die Gegend, von wo sich das Gift durch die Flüsse verteilt – so dass stromabwärts am Ok Tedi der für die Bevölkerung traditionelle Fischverzehr zur Gesundheitsgefahr wurde.

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. Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid.

Von der hohen Reaktionstemperatur und der Schmelzpunktsenkung wird das entstehende Eisen durch die Aufnahme von Kohlenstoff flüssig. Jedoch enthält es noch Verunreinigungen in Form von Siliziumdioxid. Durch die Zugabe von Kalkstein wird das Siliziumdioxid 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

Das bei weitem bedeutendste Herstellerland für Roheisen ist 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

Verwendung

Technisch ist Eisen 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, neuerdings für Karosserieteile in besonders innovativer verschweißter Kombination mit Alublech, entwickelt in Österreich bei VA Stahl Linz mit Fa. Fronius Schweißtechnik, Wels, in den Jahren 2001-2003, 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 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 Silizium. 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 können die mechanischen Eigenschaften des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.
• Bei 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

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

Vor allem Frauen leiden häufig an Eisenmangel, der Grund dafür ist die Menstruation - an jedem Tag dieser 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.

Sicherheitshinweise

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.

Nachweis

Eisennachweise mit Hexacyanoferraten

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.

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

$\backslash mathrm\{FeCl\_3\; +\; 3\; KSCN\; \backslash ;\backslash overrightarrow\{\backslash leftarrow\}\backslash ;\; Fe(SCN)\_3\; +\; 3\; KCl\}$

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.

Weblinks

• 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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