Eisen

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Eisen

Vorkommen, Verwendung und Eigenschaften

Eisen macht 5 % der Erdkruste aus und ist nach Aluminium das zweithäufigste Element unter den Metallen und nach Sauerstoff, Silizium und Aluminium das vierthäufigste unter den Elementen. Eisen, das den Hauptbestandteil des Erdkerns bildet, ist das häufigste Element auf der Erde insgesamt (etwa 35 %) und kommt in der Sonne und anderen Sternen relativ häufig vor. In der Erdkruste ist das freie Metall selten und kommt als terrestrisches Eisen (legiert mit 2 bis 3 Prozent Nickel) in basaltischem Gestein in Grönland und in kohlenstoffhaltigen Sedimenten in den Vereinigten Staaten (Missouri) sowie als nickelarmes meteorisches Eisen (5 bis 7 Prozent Nickel), Kamazit, vor. Nickel-Eisen, eine einheimische Legierung, kommt in terrestrischen Lagerstätten (21-64 % Eisen, 77-34 % Nickel) und in Meteoriten als Taenit (62-75 % Eisen, 37-24 % Nickel) vor. (Zu den mineralogischen Eigenschaften von Nativeisen und Nickeleisen siehe Native Elemente). Meteoriten werden nach dem relativen Anteil ihres Eisen- und Silikatmineralgehalts als Eisen-, Eisenstein- oder Steinmeteoriten klassifiziert. Eisen kommt auch in Kombination mit anderen Elementen in Hunderten von Mineralien vor; von größter Bedeutung als Eisenerz sind Hämatit (Eisenoxid, Fe2O3), Magnetit (Drei-Eisen-Tetroxid, Fe3O4), Limonit (hydratisiertes Eisenoxidhydroxid, FeO(OH)∙nH2O) und Siderit (Eisencarbonat, FeCO3). Igneous Rocks haben einen durchschnittlichen Eisengehalt von etwa 5 Prozent. Das Metall wird durch Schmelzen mit Kohlenstoff (Koks) und Kalkstein gewonnen. (Spezifische Informationen über den Abbau und die Gewinnung von Eisen finden Sie unter Eisenverarbeitung.)

Die durchschnittliche Menge an Eisen im menschlichen Körper beträgt etwa 4,5 Gramm (etwa 0.004 Prozent), wovon etwa 65 Prozent in Form von Hämoglobin vorliegen, das molekularen Sauerstoff von der Lunge durch den Körper transportiert; 1 Prozent in den verschiedenen Enzymen, die die intrazelluläre Oxidation steuern; und der Rest wird im Körper (Leber, Milz, Knochenmark) für eine spätere Umwandlung in Hämoglobin gespeichert. Rotes Fleisch, Eigelb, Karotten, Obst, Vollkornprodukte und grünes Gemüse liefern den größten Teil der 10-20 Milligramm Eisen, die ein durchschnittlicher Erwachsener täglich benötigt. Zur Behandlung von hypochromen Anämien (verursacht durch Eisenmangel) werden zahlreiche organische oder anorganische Eisenverbindungen (in der Regel eisenhaltig) verwendet.

Eisen, wie es im Handel erhältlich ist, enthält fast immer geringe Mengen an Kohlenstoff, der bei der Verhüttung aus dem Koks aufgenommen wird. Diese verändern seine Eigenschaften, von hartem und sprödem Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 4 Prozent bis hin zu verformbaren kohlenstoffarmen Stählen mit weniger als 0,1 Prozent Kohlenstoff.

Es gibt drei echte Allotrope des Eisens in seiner reinen Form. Delta-Eisen, das sich durch eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur auszeichnet, ist oberhalb einer Temperatur von 1.390 °C (2.534 °F) stabil. Unterhalb dieser Temperatur findet ein Übergang zu Gamma-Eisen statt, das eine kubisch flächenzentrierte (oder kubisch dicht gepackte) Struktur aufweist und paramagnetisch ist (nur schwach magnetisierbar und nur solange das magnetisierende Feld vorhanden ist); seine Fähigkeit, mit Kohlenstoff feste Lösungen zu bilden, ist für die Stahlherstellung wichtig. Bei 910 °C (1.670 °F) findet ein Übergang zum paramagnetischen Alpha-Eisen statt, das ebenfalls eine kubisch-raumzentrierte Struktur aufweist. Unterhalb von 773 °C wird Alpha-Eisen ferromagnetisch (d. h. es kann dauerhaft magnetisiert werden), was auf eine Änderung der elektronischen Struktur, aber keine Änderung der Kristallstruktur hinweist. Oberhalb von 773 °C (dem Curie-Punkt) verliert es seinen Ferromagnetismus vollständig. Alpha-Eisen ist ein weiches, duktiles, glänzendes, grau-weißes Metall von hoher Zugfestigkeit.

Reines Eisen ist recht reaktiv. In sehr fein verteiltem Zustand ist metallisches Eisen pyrophor (d.h. es entzündet sich spontan). Es verbindet sich bei leichter Erhitzung stark mit Chlor und auch mit einer Vielzahl anderer Nichtmetalle, darunter alle Halogene, Schwefel, Phosphor, Bor, Kohlenstoff und Silicium (die Carbid- und Silicidphasen spielen in der technischen Metallurgie von Eisen eine wichtige Rolle). Metallisches Eisen löst sich leicht in verdünnten Mineralsäuren auf. Mit nicht oxidierenden Säuren und in Abwesenheit von Luft erhält man Eisen in der Oxidationsstufe +2. Bei Anwesenheit von Luft oder bei Verwendung von warmer verdünnter Salpetersäure geht ein Teil des Eisens als Fe3+-Ion in Lösung. Sehr stark oxidierende Medien – z. B. konzentrierte Salpetersäure oder dichromathaltige Säuren – passivieren jedoch Eisen (d. h., sie führen dazu, dass es seine normale chemische Aktivität verliert), ähnlich wie Chrom. Luftfreies Wasser und verdünnte luftfreie Hydroxide haben wenig Wirkung auf das Metall, aber es wird von heißer konzentrierter Natriumhydroxid angegriffen.

Natürliches Eisen ist eine Mischung aus vier stabilen Isotopen: Eisen-56 (91,66 Prozent), Eisen-54 (5,82 Prozent), Eisen-57 (2.19 Prozent) und Eisen-58 (0,33 Prozent).

Eisenverbindungen lassen sich untersuchen, indem man sich ein Phänomen zunutze macht, das als Mössbauer-Effekt bekannt ist (das Phänomen, dass ein Gammastrahl von einem Kern ohne Rückstoß absorbiert und wieder abgestrahlt wird). Obwohl der Mössbauer-Effekt bei etwa einem Drittel der Elemente beobachtet wurde, ist er vor allem bei Eisen (und in geringerem Maße bei Zinn) ein wichtiges Forschungsinstrument für die Chemiker gewesen. Im Falle von Eisen beruht der Effekt auf der Tatsache, dass der Kern von Eisen-57 durch die Absorption von Gammastrahlung mit sehr scharf definierter Frequenz in einen hochenergetischen Zustand angeregt werden kann, der durch den Oxidationszustand, die Elektronenkonfiguration und die chemische Umgebung des Eisenatoms beeinflusst wird und somit als Sonde für sein chemisches Verhalten verwendet werden kann. Der ausgeprägte Mössbauer-Effekt von Eisen-57 wurde zur Untersuchung des Magnetismus und der Hämoglobinderivate sowie zur Herstellung einer sehr präzisen Atomuhr genutzt.