Eisen ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste und eines der Bestandteile des äußeren und inneren Kerns der Erde, das mit dem chemischen Symbol Fe und der Ordnungszahl 26 im Periodensystem dargestellt wird.

Eisen und seine Legierungen gehören zu den am häufigsten verwendeten Metallen, die eine glatte, glänzende silberne Oberfläche in Grautönen aufweisen. Wenn es jedoch mit Sauerstoff in der Luft reagiert, erscheint es rot oder braun.

Reines Eisen ist aus Metall, aber in Gegenwart von Sauerstoff und Feuchtigkeit oxidiert es, sodass es seltener in Form von reinem Metall oder Eisen auf der Erdoberfläche zu finden ist. Daher wird bei der Gewinnung von Eisen durch ein Verfahren namens chemische Reduktion der im Erz enthaltene Sauerstoff entfernt, wodurch das Metall Eisen entsteht.

Entstehung:

Eisen wird aus Hämatit-Erz gewonnen, das mit dem Symbol Fe2O3 dargestellt wird. Dieses Metall wird in großen Öfen bei Temperaturen über 2000 Grad Celsius durch das Verfahren der Reduktion mit Kohlenstoff getrennt, und das Metall Eisen wird extrahiert.

Die Gewinnung von Eisenerz erfolgt in insgesamt 48 Ländern, wobei Länder wie China, Brasilien, Australien, Russland und Indien fünf Länder sind, die 70 Prozent des Eisenerzes der Welt abbauen und produzieren.

Eisenerz

Eisen ist das sechsthäufigste Element im Universum, hat jedoch in der Erdkruste den vierten Platz in Bezug auf die Häufigkeit. Wissenschaftler glauben, dass der Erdkern größtenteils aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht, die 35 Prozent der Gesamtmasse der Erde ausmacht. Daher wird Eisen aus diesen Gründen als das häufigste Element auf der Erde angesehen, und unter den Metallen macht es 95 Prozent der produzierten Metalle aus.

Durch die Nutzung der Eigenschaften von Eisen und die Kombination mit anderen Metallen können wir Stahl herstellen.

Veränderungen:

Eisen könnte das beste bekannte Beispiel für Veränderungen in einem Metall sein. Es gibt drei polymorphe Formen, die als Allotrop, Austenit und Ferrit bezeichnet werden. Dies kann wie folgt erklärt werden: Wenn geschmolzenes Eisen langsam abkühlt, kristallisiert es bei einer Temperatur von 1538 Grad Celsius in die allotrope Form, die auch als Delta-Eisen bekannt ist und eine kubisch zentrierte Kristallstruktur hat. Während des weiteren Abkühlens ändert sich die Kristallstruktur bei 1394 Grad Celsius in eine kubisch flächenzentrierte Form, die als Austenit oder Gamma-Eisen bezeichnet wird, und bei 912 Grad Celsius wird die Kristallstruktur erneut kubisch, was als Ferrit oder Alpha-Eisen bezeichnet wird, das in der Kristallographie viele Ähnlichkeiten mit Delta-Eisen aufweist.

Anwendungen:

Eisen ist das häufigste und am meisten verwendete Metall der Welt, da es 95 Prozent der weltweit produzierten Metalle ausmacht. Aufgrund seiner hohen Festigkeit und der Tatsache, dass es eines der günstigsten Metalle ist, wird es immer in den Strukturen von Gebäuden, Karosserien von Autos und großen Schiffen usw. verwendet.

Im Allgemeinen können die aus Roh-Eisen hergestellten Produkte in die folgenden Kategorien unterteilt werden:

Gusseisen: Wenn Roh-Eisen geschmolzen wird, wird es in sandige oder metallische Formen gegossen und abgekühlt, wodurch Gusseisen entsteht.

Schmiedeeisen: Es unterscheidet sich erheblich von Gusseisen, da es weicher ist, eine höhere Zugfestigkeit hat und im Vergleich zu Gusseisen in der Industrie häufiger verwendet wird. Es wird hergestellt, indem Magnesium und Eisen-Silikat sowie die Kristallisation von Kohlenstoff zu Gusseisen hinzugefügt werden.

Weißes Gusseisen: Es entsteht durch das Abkühlen von geschmolzenem Eisen, wobei der Kohlenstoff in Form von zementitischem Kohlenstoff vorliegt. Der Prozentsatz der Sprödigkeit kann durch Weichmachen verringert werden.

Bearbeitetes Eisen: In diesem Fall wird Eisen geschmolzen und in eine schwammartige Form gebracht. Um diese Art von Eisen zu erhalten, werden Verunreinigungen wie Silizium, Mangan und Kohlenstoff entfernt.

Stahl: Eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die durch die Eigenschaften von Eisen und anderen Elementen entsteht. Wenn Stahl produziert wird, wird seine Stabilität und Festigkeit hundertmal höher als zuvor.

Schrott: Bezieht sich auf Überreste und Abfälle von Stahl.

Eisen ist eines der häufigsten Elemente der Erde, das etwa 5% der Erdkruste ausmacht.

Eisen wird aus Hämatit-Erz gewonnen, das hauptsächlich Fe2O3 ist. Dieses Metall wird durch das Verfahren der Reduktion mit Kohlenstoff, einem reaktionsfreudigeren Element, getrennt. Dieser Prozess findet in Hochöfen bei Temperaturen von etwa 2000 Grad Celsius statt.

Im Jahr 2000 wurden etwa 1100 Millionen Tonnen Eisenerz mit einem Handelswert von etwa 25 Milliarden US-Dollar abgebaut. Während die Gewinnung von Eisenerz in 48 Ländern erfolgt, sind China, Brasilien, Australien, Russland und Indien die fünf größten Produzenten, die 70% des Eisenerzes der Welt liefern. Um etwa 572 Millionen Tonnen Roh-Eisen zu produzieren, werden 1100 Millionen Tonnen Eisenerz benötigt.

Bemerkenswerte Eigenschaften

Die Masse eines typischen Eisenatoms ist 56-mal so groß wie die eines typischen Wasserstoffatoms. Es wird angenommen, dass Eisen das zehnthäufigste Element im Universum ist. Fe ist die Abkürzung für das lateinische Wort ferrum für Eisen. Dieses Metall wird aus Eisenerz gewonnen und kommt selten in freier (elementarer) Form vor.

Um elementares Eisen zu gewinnen, müssen seine Verunreinigungen durch chemische Reduktion entfernt werden. Eisen wird zur Herstellung von Stahl verwendet, der kein Element, sondern eine Legierung und Mischung verschiedener Metalle (und einiger Nichtmetalle, insbesondere Kohlenstoff) ist. Der Kern von Eisenatomen hat die größte Anziehungskraft pro Nukleon, daher ist Eisen durch Fusion das schwerste und durch Kernspaltung das leichteste Element, das thermogen erzeugt wird.

Wenn ein Stern mit ausreichender Masse dies tut, kann er keine Energie mehr in seinem Kern produzieren und es entsteht ein Überstern. Eisen gilt als das häufigste Metall im Universum. Kosmologische Modelle mit einem offenen Universum prognostizieren einen Zeitpunkt, an dem alles aufgrund von Fusions- und Spaltungsreaktionen in Eisen umgewandelt wird!

Anwendungen

Die Anwendungen von Eisen sind umfangreicher als die aller anderen Metalle und machen 95 Prozent der weltweit produzierten Metalle aus. Der niedrige Preis und die hohe Festigkeit seiner Legierung machen seinen Einsatz insbesondere in Autos, großen Schiffen und Gebäuden unvermeidlich. Stahl ist die bekannteste Eisenlegierung, und einige Arten von Eisen sind wie folgt:

Roh-Eisen, das 4%-5% Kohlenstoff und unterschiedliche Mengen an Verunreinigungen wie Schwefel, Silizium und Phosphor enthält, und seine Bedeutung liegt nur darin, dass es sich in der mittleren Phase des Weges von Eisenerz zu Gusseisen und Stahl befindet.

Gusseisen enthält 2%-3,5% Kohlenstoff und eine kleine Menge Mangan. Die Verunreinigungen im Roh-Eisen wie Schwefel und Phosphor, die seine Eigenschaften negativ beeinflussen, werden im Gusseisen auf ein akzeptables Maß reduziert. Der Schmelzpunkt von Gusseisen liegt zwischen 1420-1470 K, was weniger ist als bei beiden seiner Hauptbestandteile und es zum ersten geschmolzenen Produkt nach gleichzeitiger Erwärmung von Kohlenstoff und Eisen macht. Gusseisen ist sehr stark, hart und spröde. Selbst Gusseisen kann dazu führen, dass Objekte brechen.

Kohlenstoffstahl enthält 0,5%-1,5% Kohlenstoff und geringe Mengen an Mangan, Schwefel, Phosphor und Silizium.

Schmiedeeisen (weiches Eisen) hat weniger als 0,5% Kohlenstoff und ist ein starkes und schmiedbares Produkt, aber nicht so schmelzbar wie Roh-Eisen. Es enthält sehr geringe Mengen an Kohlenstoff (ein paar Zehntel Prozent). Wenn eine Kante davon geschärft wird, verliert sie schnell ihre Schärfe.

Legierungsstähle enthalten unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff sowie andere Metalle wie Chrom, Vanadium, Molybdän, Nickel, Wolfram usw.

Eisenoxide werden zur Herstellung von magnetischen Speichern in Computern verwendet. Sie werden oft mit anderen Verbindungen gemischt und behalten ihre magnetischen Eigenschaften in gelöster Form.

Die häufigsten Oxidationszustände von Eisen sind:

Ferrous Zustand 2+Fe

Ferric Zustand 3+Fe

Ferrostate 4+Fe, das durch einige Enzyme (z.B. Peroxidasen) stabilisiert wird.

Eisen (VI) ist ebenfalls bekannt (obwohl es selten ist). Wenn es in Form von Kaliumferrat (K2FeO) vorliegt, ist es ein selektiver Oxidator für primäre Alkohole. Diese feste Substanz ist nur unter Vakuumbedingungen und in dunkellila Farbe stabil, sowohl in Form einer ätzenden Lösung als auch als festes Material.

Eisenkarbid Fe3C ist als Zementit bekannt.

Biologie

Eisen ist das Hauptatom des Häm-Moleküls (ein Teil der roten Blutkörperchen) und daher ein essentielles Element für alle Hämoproteine. Aus diesem Grund ist das Vorhandensein dieses Elements für Tiere lebenswichtig. Anorganisches Eisen findet sich auch in den Eisen-Schwefel-Ketten vieler Enzyme. Bakterien verwenden oft Eisen. Wenn der Körper gegen eine bakterielle Infektion kämpft, versteckt er dieses Element, um zu verhindern, dass Bakterien Zugang zu Eisen erhalten.

Isotope

Eisen hat natürlich vier stabile Isotope: Fe-54, Fe-56, Fe-57, Fe-58. Die relative Häufigkeit der Eisenisotope in der Natur beträgt etwa Fe-54 5,8%, Fe-56 91,7%, Fe-57 2,2% und Fe-58 0,3%. Fe-60, ein nicht aktives radioaktives Nuklid, hat eine Halbwertszeit von 5,1 (Myr). Die meisten früheren Bemühungen zur Messung der isotopischen Zusammensetzung von Eisen konzentrierten sich auf die Bestimmung verschiedener Typen von Fe-60 aufgrund von Prozessen, die mit Nukleosynthese (wie Studien zu Meteoriten) und der Bildung von Mineralien verbunden sind.

In verschiedenen Phasen können die Meteoriten Semarkona und Chervony Kut eine Verbindung zwischen der Konzentration von Ni-Nickel|60 (Produkt des Übersterns Fe-60) und der Häufigkeit stabiler Eisenisotope aufweisen, was einen Hinweis auf die Existenz von Eisen 60 zur Zeit der Bildung des Sonnensystems darstellt. Wahrscheinlich hat die durch den Zerfall von Eisen 60 freigesetzte Energie zusammen mit der durch den Zerfall des radioaktiven Nuklids Al-26 freigesetzten Energie zur erneuten Schmelzung und Trennung von Übersternen nach ihrer Bildung vor 4,6 Milliarden Jahren beigetragen. Die Häufigkeit von Ni-60 in extraterrestrischen Materialien könnte auch mehr Informationen über den Ursprung des Sonnensystems und seine frühe Geschichte liefern.

Unter den stabilen Isotopen hat nur Eisen 57 einen Atomspin (1/2-). Daher wird Eisen 57 in der Chemie und Biochemie als spin-isotop verwendet.

Warnungen

Ein übermäßiger Verzehr von Eisen kann zu Vergiftungen führen, da eine hohe Menge an Eisen(II) mit Peroxiden im Körper reagiert und freie Radikale erzeugt. Wenn die Menge an Eisen im Körper normal ist, können die antioxidativen Mechanismen des Körpers diesen Prozess kontrollieren. Wenn die Menge an Eisen über dem Normalwert liegt, entstehen unkontrollierbare Mengen an freien Radikalen.

Die tödliche Menge an Eisen für ein zweijähriges Kind beträgt etwa 3 Gramm, und ein Gramm davon führt zu einer schweren Vergiftung. Es gibt Berichte über Vergiftungen von Kindern durch den Verzehr von 10 bis 50 Eisen(II)-sulfat-Tabletten in kurzer Zeit. Eine übermäßige Eisenaufnahme durch unbeabsichtigte Einnahme von Medikamenten ist eine ernsthafte Todesursache bei Kindern. Ein unkontrollierbarer Anstieg von Eisen im Körper führt zu einer Erkrankung namens Hämochromatose. Überschüssiges Eisen lagert sich in der Leber ab und verursacht eine Eisenablagerungskrankheit (Siderose) und Organschäden. Aus diesem Grund sollten Personen, die keinen Eisenmangel haben, keine Eisenpräparate einnehmen.

Was ist Eisen?

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