Mangan  Ruthenium Cobalt  
 Eisen                                                 26Fe
 engl. iron; lat. ferrum (Eisen)
 

Bild vergrößern
Relat. Atommasse   
Ordnungszahl    
Schmelzpunkt    
Siedepunkt    
Oxidationszahlen     
Dichte    
Härte (Mohs)     
Elektronegativität    
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit  
  
  
 
55,845    
26    
1538 °C    
2861 °C    
6,5,4,3,2,1,0,-1,-2    
7,874 g/cm³   
4,5    
1,83 (Pauling)     
[Ar]3d64s2   
Fe-54: 5,845%   
Fe-56: 91,754%   
Fe-57: 2,119%   
Fe-58: 0,282%
 
   
     
 
Film

14 sek
Ein brennendes Büschel Eisenwolle wird mit reinem Sauerstoff in Kontakt gebracht.
Film

46 sek
Eisenwolle reagiert mit Schwefel in einem Reagenzglas. Dabei tritt ein merkwürdiges Phänomen auf.
Film

26 sek
Wie verhält sich Eisen im Vergleich zu Mangan, Nickel, Cobalt, Kupfer wenn ein Magnet daran gehalten wird?
    
  GHS-Piktogramme  
  Gefahr
Gefahren (H-Sätze)  
H 228 
  
Diese Kennzeichnung gilt für Pulver.
Das kompakte Metall ist nicht kennzeichnungspflichtig.
CAS-Nummer 
7439-89-6    



Etikett drucken
 
 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Obwohl Eisen das bedeutendste aller Gebrauchsmetalle ist, kann man reines Eisen gar nicht so leicht beschaffen. Es wird fast immer als Roheisen mit einem eher hohen Kohlenstoffgehalt oder als schmiedbarer Stahl mit einem geringeren Kohlenstoffanteil gehandelt. Reines, von Kohlenstoff freies Eisen glänzt silbrig, es ist besonders gut dehnbar und relativ weich. Die mechanische Bearbeitbarkeit nimmt bei Rotglut noch mehr zu, so dass sich ein glühendes Eisenwerkstück - beispielsweise ein Schwert - besonders gut schmieden und verformen lässt. Bei Zimmertemperatur ist reines Eisen ferromagnetisch, oberhalb von 766°C wird es paramagnetisch. Bei noch höheren Temperaturen verliert Eisen seine magnetischen Eigenschaften. Kohlenstoffhaltiges Eisen ist dagegen immer magnetisierbar. Die Eigenschaften des Metalls werden durch den Zusatz anderer Metalle und vor allem durch Kohlenstoff in Legierungen stark beeinflusst. Schmiedbarer Stahl besitzt weniger als 1,7 Prozent Kohlenstoff. Roheisen ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts von 1,7 bis 4 Prozent zu spröde.   
 
 
 Ferromagnetismus

Eisen und Magnet

 Eisen ist ferromagnetisch.
 
    
Eisen ist ein eher unedles Metall, es ist gut oxidierbar. An trockener Luft ist das kompakte Metall beständig, da sich eine Oxidschicht bildet, die das darunter liegende Eisen schützt. Ganz feines und sehr reines Eisenpulver ist sogar pyrophor, es kann sich an der Luft von selbst entzünden. Bläst man Eisenpulver über eine Brennerflamme, dann verbrennt es mit Leuchterscheinungen. 
   
 
Metallpulver in der Brennerflamme


Bild vergrößern

 
 Bläst man Eisenpulver (Fe) über eine Brennerflamme, erhält man ein schönes Leuchten.
 
  
An feuchter Luft und vor allem in Sauerstoff- und CO2-haltigem Wasser oxidiert auch kompaktes Eisen leicht unter Bildung von Rost. Das Reaktionsschema gibt den komplizierten Rostvorgang stark vereinfacht wieder:  
   
Eisen  +  Wasser  +  Sauerstoff reagiert zu  Eisenhydroxid   (+ Energie)    
  
Das Eisenhydroxid reagiert dann mit dem Luftsauerstoff zu Eisen(III)-oxid Fe2O3 weiter. Daneben entstehen auch andere Eisenoxide wie Eisen(II,III)-oxid Fe3O4 oder Eisen(II)-oxid FeO. 
 
 
 Rostausblühungen auf einem Eisenblech
 
Rost auf Eisenblech
 

 Der Rostvorgang ist eine Oxidation.
 
 
In Salzsäure oder in verdünnter Schwefelsäure löst sich Eisen unter Wasserstoffbildung und Bildung der entsprechenden Salze:   
  
Fe  +  2 HCl im Gleichgewicht zu   FeCl2   +  H2    
  
Bei konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure ist das Eisen infolge Passivierung beständig, so dass man diese in eisernen Gefäßen und Rohren aufbewahren oder transportieren kann. Dieses Phänomen kann dadurch erklärt werden, dass sich mit den oxidierend wirkenden Säuren eine sehr regelmäßige, aber dünne Oxidschicht bildet, die das Eisen vor Zersetzung schützt. Eisen bildet zahlreiche Verbindungen, mit heißem Chlor entsteht Eisen(III)-chlorid FeCl3, mit Schwefel Eisen(II)-sulfid FeS und mit Sauerstoff Eisen(II,III)-oxid Fe3O4:  
  
3 Fe  +  2 O2   Fe3O4      ΔHR = -1118 kJ/mol
2 Fe  +  3  Cl2   2 FeCl3       ΔHR = -800 kJ/mol
 

Eisenwolle reagiert mit Sauerstoff und mit Chlor


 

 Die Reaktionen von Eisenwolle mit Sauerstoff und Chlor verlaufen recht heftig.
 Filme erhältlich auf >DVD  
   
Physiologie 
Im menschlichen Körper finden sich die Eisenverbindungen vor allem im Blut bei den Erythrozyten (rote Blutkörperchen). Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin ist aus einem Eisenprotein aufgebaut. An das im Chelatkomplex gebundene Fe2+ im Hämoglobinmolekül kann sich Sauerstoff binden. Dadurch ist der Sauerstofftransport und die -speicherung im Blut gewährleistet. Darüber hinaus gibt es einige Enzymgruppen im Energiestoffwechsel, bei denen Eisenatome eingebunden sind.  
  
 
Bioelemente im menschlichen Körper


Bild vergrößern
Das Eisen (in chemisch gebundener Form) macht einen Anteil von 0,004% aus.
 
  
Bei Mangelerscheinungen treten Symptome wie Blutarmut, häufige Müdigkeit, blasse Haut, Kopfschmerzen, Entzündungen an der Zunge und in der Speiseröhre oder Risse in den Mundwinkeln auf. Kinder in der Wachstumsphase oder schwangere Frauen benötigen mehr Eisen. Ein Mangel kann auch durch einen chronischen Durchfall, durch Blutverlust oder durch entzündliche Darmerkrankungen auftreten. Aber auch eine Überdosierung ist möglich, wenn eine genetisch bedingte Eisenstoffwechselstörung vorliegt. Diese ist gar nicht so selten, denn etwa eine Person von 300 bis 400 Personen ist davon betroffen. Lit [16]  Bei Eisenmangel wirkt sich das Essen von Austern, Hirse, Linsen, weißen Bohnen, Leber, Haferflocken oder Reis als besonders günstig aus.
  
Vorkommen 
Häufigkeit   sehr häufig

Eisen steht mit 4,7% an vierter Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. In der Natur kommt es in gediegener Form sehr selten vor. In Meteoriten ist es häufig enthalten. Zu den bedeutenden Eisenerzen zählen der Hämatit, der Magnetit, der Siderit oder das Gestein
Limonit, das hauptsächlich aus den Mineralien Goethit und Lepidokrokit aufgebaut ist. Die größten Erzvorkommen liegen in Brasilien, ferner im Ural, in Australien, Kanada, Schweden, China und Frankreich. In Deutschland kommen Eisenerze im Lahn-Dill-Gebiet, in Hessen oder bei Salzgitter vor. Die Erzreserven werden weltweit auf über 115 Milliarden Tonnen geschätzt.   
 
 
Eisenerze: Hämatit und Magnetit

Hämatit
Bild vergrößern

Magnetit
Bild vergrößern

Der Hämatit wird oft auch als "Roteisenstein" bezeichnet, den Magnetit kennen
die Bergleute aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften als "Magneteisenerz".
 
   
Das Bild unten zeigt einen Eisenmeteoriten, der in Gibeon, in Namibia gefunden wurde und vor ungefähr 30000 Jahren auf der Erde einschlug. Sein Alter wird auf 4,5 Milliarden Jahre geschätzt. Er enthält neben Eisen einen Nickelanteil von 6,8 Prozent, einen Cobaltanteil von 0,4 Prozent und einen winzigen Iridiumanteil. Nach dem Schleifen wird der metallische Charakter des Meteoriten sichtbar. Nach dem Ätzen mit 5%iger alkoholischer Salpetersäure treten die für einen Meteoriten typischen "Widmannstättenschen Gefüge" sichtbar. Es handelt sich dabei um eine Mischung mehrerer Eisenmodifikationen. Die beim nickelarmen alpha-Eisen ausgebildeten Balken werden seitlich von nickelreichem gamma-Eisen ("Bandeisen") begrenzt. Sind die beiden Eisenmodifikationen nach dem Oktaeder verwachsen, erhält man nach dem Ätzen die beschriebenen Figuren:  
 
 
 Eisenmeteorit aus Namibia
         
 Nach dem Ätzen zeigen sich die Widmannstättenschen Gefüge.
 
 
Geschichte 
Die Eisenerzlagerstätten sind sedimentär in der Frühgeschichte der Erde entstanden, als die eisenhaltigen Meteoriten in den Urmeeren am Meeresboden durch Bakterien und biologische Abbauprozesse in Eisensalze umgewandelt wurden. Der Name Eisen und das englische iron könnten ihren Ursprung in keltischen Flussnamen, z.B. Isarno, Isarkos, Eisack, Eisen haben. Andere Quellen sehen den Ursprung im keltischen Isara ("stark, fest"). Der lateinische Name ferrum stammt von dem lateinischen Wort Wort ferreus ("kräftig, hart, schwer") ab. Das Symbol "Fe" führte J.J. Berzelius im Jahre 1814 ein. In der Alchemie war das Eisen dem Planeten Mars zugeordnet und verkörperte im Gegensatz zum Kupfer das männliche Prinzip. Es erhielt daher das Marszeichen (erstes Symbol von links):   
     
Eisen als Metall war bereits in der Antike bekannt. Die Eisenzeit begann nach der Bronzezeit etwa um 1400 vor Christus. Als Erfinder der Eisengewinnung aus Eisenerz gelten die Hethiter, ein Volksstamm im Vorderen Orient. Ihre Technologie kam um 500 vor Christus nach Europa. Die Eisenindustrie enstand im 7. Jahrhundert nach Christus in der Steiermark, später in Thüringen und Sachsen. Als Reduktionsmittel wurde anfangs Holz verwendet. Die Verwendung von Koks und damit der erste Betrieb eines Hochofens ist seit 1735 durch Abraham Darby in Shropshire, England, bekannt. Benjamin Huntsmann stellte 1742 erstmals Stahl her. Dieses Verfahren wurde Anfang des 19. Jahrhunderts durch den Deutschen Friedrich Krupp (1787-1826) industriell genutzt. In der Folgezeit verfeinerten sich die Verfahren, 1904 wurde der erste Elektroofen zur Stahlerzeugung in Betrieb genommen.  
  
Herstellung     
Da Eisen in der Natur nur in Meteoriten elementar vorkommt, muss es durch eine Reduktion aus Eisenerzen gewonnen werden. Das bedeutendste Verfahren ist heute der Hochofenprozess  
  
  
 Hochofen in Dillingen/Saarland


 
  Ein großer Hochofen kann pro Tag bis zu 13000 Tonnen Roheisen erzeugen.
   

Im Labor kann man Eisenerz mit Hilfe von Aluminium reduzieren. Dazu gibt man ein Gemisch aus rotem gemahlenem Eisenoxid und Aluminiumgrieß in einen Tontopf und zündet dieses Thermitgemisch mit Hilfe einer starken Wunderkerze. Der Versuch verläuft stark exotherm:  
  
Fe2O3  +  Al   2 Fe  +  Al2O3      ΔHR = -852 kJ/mol  
  
  
 Thermitreaktion im Blumentopf

Film starten
Bild vergrößern

 
  Bei der Reaktion fließt das flüssige Roheisen durch das Loch im Topf.
Film erhältlich auf >DVD  
  
Verwendung 
Eisen ist das wichtigste Gebrauchsmetall. Während reines Eisen nur selten eingesetzt wird - zum Beispiel bei der Herstellung von Magneten - sind zahlreiche Eisenlegierungen als Werkstoffmaterial bekannt. Eisenverbindungen spielen eine große Rolle als Katalysatoren bei großtechnischen Prozessen, zum Beispiel beim Haber-Bosch-Verfahren. Die Eisenoxide werden als Pigmente verwendet. Bei Eisenmangel werden Eisensalze medizinisch verabreicht. 
  
 
 Rasierklinge aus gehärtetem Stahl


 
 Reines Eisen wäre sehr weich, aber legiert mit Kohlenstoff wird es sehr hart.
 
  
 Eisenlegierungen
 
Name der Legierung Zusammensetzung Eigenschaften Verwendung
Gusseisen Eisen + 1,7-4% Kohlenstoff spröde, bricht bei Stoß oder Schlag, gießbar Kanalisationsrohre, Herdplatten, Maschinenteile
Kohlenstoffstahl 0,2-1,7% Kohlenstoffanteil hart und elastisch, gut schmiedbar und walzbar Werkzeug- und Baustahl, Eisenbahnschienen
Chromstahl "Ferrochrom" 78-98% Eisen + 2-22% Chrom + 1-1,3% Silicium besonders hart, hitze-, rost- und chemikalienbeständig Schlagwerkzeuge, Kugeln, Maschinenteile
Nickelstahl "Ferronickel" 64-98% Eisen + 35,5% Nickel + 0,2% Kohlenstoff + 0,2% Silicium zäh, dehnbar, rostbeständig, erhöhter elektrischer Widerstand Drahtseile, Achsen, Wellen und Zahnräder für Maschinen, Widerstandsdrähte
Invarstahl 35,5% Nickelanteil wärmebeständig Präzisionsmessinstrumente
Chromnickelstahl 54-55% Eisen + 25% Chrom + 20% Nickel +0,5% Silicium + 0,12% Kohlenstoff sehr hart und sehr zäh, gut schweißbar, hitze-, rost-, und chemikalienbeständig Panzerplatten, Eisenbahnräder, Achsen, chemische Apparate
Manganstahl "Ferromangan" 75-98% Eisen + 0,8-25% Mangan + 0,5% Silicium + 0,1-1,5% Kohlenstoff fest, zäh, härtbar, schmiedbar und wärmebeständig Schneidewerkzeuge, Schienen, Maschinenbauteile
Molybdänstahl "Ferromolybdän" 90-98% Eisen + 1-5% Molybdän + 1,5-5% Chrom + 0,6-0,8% Kohlenstoff fest, rostbeständig, elastisch, wenig dehnbar, sehr wärmebeständig Zahnräder, Achsen, Wellen, Stahlfedern für Kfz und Uhren
Siliciumstahl "Ferrosilicium" 85-98% Eisen + 0,5-15% Silicium + 0,1-1,7% Kohlenstoff säurebeständig, fest, härtbar, elastisch, gut verarbeitbar Transformatoren, Motorenbleche, Säurebehälter
V2A-Stahl ("Cromarganstahl" mit geringem Molybdänanteil) 71% Eisen + 20% Chrom + 8% Nickel + 0,2% Silicium + 0,1% Kohlenstoff gut schweißbar, sehr hart, rost- und säurebeständig, Waschmaschinen, Kochgeschirr, Besteck, Armbanduhren
Wolframstahl "Ferrowolfram" 70-98% Eisen + 2-18% Wolfram + 2,5% Chrom + 0,6-0,8% Kohlenstoff sehr hart, zäh und  hitzebeständig Schneidewerkzeuge, Schnelllaufteile für Maschinen
  
Als Legierung wird ein Gemisch von zwei Stoffen bezeichnet, mindestens eine Komponente ist ein Metall. Die meisten Legierungen haben eine größere Härte und sind rostbeständiger als die Metalle in elementarer Form. 
 
 
Experimente - Medien  
Thermitversuch und Hochofenmodellversuch 
Hochofenprozess 
Sulfidreaktionen 
 
 
Eisenverbindungen im Steckbrief
 
Ammoniumeisen(II)-sulfat
Eisen(III)-chlorid Eisen(II)-chlorid Eisen(III)-oxid Eisen(II,III)-oxid  Eisen(II)-nitrat






Eisen(II)-sulfat
Eisen(II)-disulfid
Eisen(II)-sulfid


 
 
Copyright: Thomas Seilnacht
www.seilnacht.com