Eisen

Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung

F
Leichtent-
zündlich
(Pulver)
R- und S-Sätze R: Leichtentzündlich. (Pulver)
S: (Pulver)
  • Exposition vermeiden – vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen. – Nur für den berufsmäßigen Verwender
  • Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, dieses Etikett vorzeigen)
  • Dieses Produkt und sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen
  • Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen/Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen.

Eisen (mhd. isen; vergleichbar mit kelt. isara "kräftig", got. eisarn und aiz, lat.aes "Erz")[1]
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.
Im Kontext der industriellen Fertigung versteht man unter Eisen den Werkstoff Gusseisen, wohingegen der Werkstoff Stahl gewöhnlich nicht als Eisen bezeichnet wird.

Geschichte

Die erste nachweisbare Nutzung von Eisen findet sich etwa um 4000 v. Chr. in Sumer und Ägypten. Es handelte sich um gediegenes Eisen von Meteoriten, das zur Dekoration und zur Anfertigung von Speerspitzen diente.

Aus dem Zeitraum 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 Eisenschwamm als Nebenprodukt der Bronzeherstellung.

Zwischen 1600 und 1200 v. Chr. wurde Eisen verstärkt genutzt; die Hethiter kannten wohl eine Methode zur wirtschaftlichen Herstellung von Eisen. Es löste Bronze allerdings noch nicht ab. In dieser Zeit blieb die Eisenproduktion weitgehend ein Monopol des Hethitischen Reiches (auf dem Gebiet der heutigen Türkei) und war ein Faktor dessen 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.

Beim ersten eisenzeitlichen Verhüttungsschritt entstand Eisenschwamm. Durch den Gebrauch von Holzkohle bei der Weiterverarbeitung wurde dem Eisen Kohlenstoff zugeführt, mit dem Endresultat eines (zumindest oberflächlichen) Stahls. Durch vorsichtiges sorgfältiges und gekonntes 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 waren.

Auch in China wurden die ersten Erfahrungen mit Eisen an Meteoriteneisen gewonnen. Erste archäologische Spuren von Schmiedeeisen finden sich im Nordwesten, nahe Xinjiang, aus dem 8. vorchristlichen Jahrhundert. Man vermutet, dass diese Produkte, die mit den Methoden des Nahen Ostens erstellt wurden, durch Handel nach China gelangt sind.

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

Neben seiner herausragenden Bedeutung als Werkstoff wurde Eisen in derAlchemie verwendet, wo es mit dem Zeichen für Mars/Männlichkeit   assoziiert.

Da europäische Verarbeitungstechniken (Rennofen) 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) als Alternative entwickelt. Diese Umstellung, zusammen mit der Erfindung der Dampfmaschine, gilt als Beginn der ersten industriellen Revolution.

Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Eisen, Fe, 26
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 8, 4, d
Aussehen metallisch glänzend mit
einem gräulichen Farbton
CAS-Nummer 7439-89-6
Massenanteil an der Erdhülle 4,7 %
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Dichte 7,874 g/cm3
Mohshärte 4,0
Magnetismus ferromagnetisch
Schmelzpunkt 1808 K (1535 °C)
Siedepunkt 3023 K (2750 °C)
Chemisch
Oxidationszustände 2, 3, 4, 6
Oxide (Basizität) (amphoter)
Normalpotential -0,44 V (Fe2+ + 2e → Fe)
Elektronegativität 1,83 (Pauling-Skala)

Vorkommen

Eisen ist zusammen mit Nickel wahrscheinlich der Hauptbestandteil des Erdkerns. Vermutlich angetrieben von thermischen Kräften erzeugen Konvektionsströmungen von flüssigem Eisen im äußeren Kern das Erdmagnetfeld. Mit einem Anteil von 4,7 Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste.

Eisen ist das zehnthäufigste Element im Universum. Die Fusion von Elementen in Sternen endet beim Eisen, da bei der Fusion höherer Elemente keine Energie mehr frei wird, sondern aufgewendet werden muss. Schwerere Elemente entstehen endotherm bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen Materie verantwortlich sind. Wobei in der Astrophysik alle Elemente jenseits von Helium als schwere Elemente gelten.

Verwendung

Eisen ist der Hauptbestandteil von Stahl. 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 erreichbaren 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 Grundwerkstoff macht. Es wird bei der Herstellung von Landfahrzeugen, Schiffen und im gesamten Baubereich eingesetzt.

Eisen ist (neben Cobalt und Nickel) eines jener drei ferromagnetischen Metalle, die mit ihrer Eigenschaft den großtechnischen Einsatz des Elektromagnetismus u.a. in Generatoren, Transformatoren, Drosseln, Relais und Elektromotoren ermöglichen. Es wird rein oder u.a. mit Silicium, Aluminium, Kobalt oder Nickel legiert und dient als weichmagnetisches Kernmaterial zur Führung von Magnetfeldern, zur Abschirmung von Magnetfeldern oder zur Erhöhung der Induktivität. Es wird hierzu massiv, in Form von Blechen oder Pulver Pulverkerne) produziert.

Reines Eisenpulver wird auch 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:

Verbindungen

Wertigkeiten und Oxidationsstufen

Oxide

Eisen bildet mit Sauerstoff zweiwertige und dreiwertige Oxide:

Da diese Oxide keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert ein in der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig. Wenn sie vor dem endgültigen Verrosten eingesammelt und dem Recycling zugeführt werden, sind verrostetes Eisen und verrosteter Stahl bei der Stahlproduktion im Elektro-Schmelzofen ein begehrter und wertvoller Sauerstoffträger. Dieser Sauerstoff im Eisenschrott wirkt beim "Stahlkochen" als Oxidationsmittel, um ungewünschte qualitätsmindernde Beimengungen (z.B. Leichtmetalle) zu oxidieren (verbrennen).

Eisenoxide und Eisenhydroxide werden als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet (E 172).
Ein weiteres Eisatzgebiet ist der Zusatz als Glasfarbstoff.

Anmerkung
  1. [1] zurück das Wort scheint Germanen und Kelten gemeinsam gewesen zu sein, die Abstammung von einer gemeinsamen indogermanischen Wurzel ist jedoch nicht sicher geklärt

 
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 12.10. 2017