EISEN (ELEMENT): EIGENSCHAFTEN, CHEMISCHE STRUKTUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Eisen ist ein Übergangsmetall der Gruppe 8 oder VIIIB des Periodensystems und wird durch das chemische Symbol Fe dargestellt. Es ist ein metallgraues, duktiles, formbares und hochfestes Metall, das in zahlreichen für den Menschen nützlichen Anwendungen verwendet wird und Gesellschaft.

Es macht 5% der Erdkruste aus und ist nach Aluminium das zweithäufigste Metall. Auch seine Häufigkeit wird von Sauerstoff und Silizium übertroffen. In Bezug auf den Erdkern bestehen 35% davon aus metallischem und flüssigem Eisen.

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Außerhalb des Erdkerns liegt Eisen nicht in metallischer Form vor, da es an feuchter Luft schnell oxidiert. Es befindet sich in Basaltgesteinen, kohlenstoffhaltigen Sedimenten und Meteoriten; im Allgemeinen mit Nickel legiert, wie im Mineral Kamazit.

Die wichtigsten Eisenmineralien, die für den Abbau verwendet werden, sind die folgenden: Hämatit (Eisenoxid, Fe ₂ O ₃ ), Magnetit (ferrosomeres Oxid, Fe ₃ O ₄ ), Limonit (hydratisiertes Eisenoxidhydroxid) und Siderit (Eisencarbonat, FeCO ₃ ).

Im Durchschnitt hat der Mensch einen Gehalt von 4,5 g Eisen, von denen 65% in Form von Hämoglobin vorliegen. Dieses Protein ist am Transport von Sauerstoff im Blut und an seiner Verteilung auf die verschiedenen Gewebe beteiligt, damit es anschließend von Myoglobin und Neuroglobin aufgenommen wird.

Trotz der vielen Vorteile von Eisen für den Menschen kann überschüssiges Metall sehr schwerwiegende toxische Wirkungen haben, insbesondere auf die Leber, das Herz-Kreislauf-System und die Bauchspeicheldrüse. Dies ist der Fall bei der Erbkrankheit Hämochromatosie.

Eisen ist gleichbedeutend mit Konstruktion, Stärke und Kriegen. Andererseits ist es aufgrund seiner Fülle immer eine Alternative, die bei der Entwicklung neuer Materialien, Katalysatoren, Arzneimittel oder Polymere in Betracht gezogen werden muss. und trotz der roten Farbe seiner Roste ist es ein umweltfreundliches Metall.

Geschichte

Antike

Eisen wird seit Jahrtausenden verarbeitet. Es ist jedoch schwierig, Eisengegenstände aus solchen alten Zeiten zu finden, da sie korrodieren können, was zu ihrer Zerstörung führt. Die ältesten bekannten Eisenobjekte wurden aus Meteoriten hergestellt.

Dies ist der Fall bei einer Art Perlen aus dem Jahr 3500 v. Chr., Die in Gerzah, Ägypten, gefunden wurden, und bei einem Dolch, der im Grab von Tutanchamun gefunden wurde. Eisenmeteoriten zeichnen sich durch einen hohen Nickelgehalt aus, so dass ihre Herkunft in diesen Objekten identifiziert werden konnte.

Von 3000 bis 2700 v. Chr. Wurden auch in Asmar, Mesopotamien und im Tail Chagar Bazaar in Syrien Hinweise auf Gusseisen gefunden. Obwohl der Eisenguss in der Bronzezeit begann, dauerte es Jahrhunderte, bis er Bronze verdrängte.

Darüber hinaus wurden Gusseisenartefakte in Indien von 1800 bis 1200 v. Chr. Und in der Levante um 1500 v. Chr. Gefunden. Es wird angenommen, dass die Eisenzeit im Jahr 1000 v. Chr. Begann, als die Kosten ihrer Herstellung gesenkt wurden.

Es erscheint in China zwischen 700 und 500 v. Chr., Wahrscheinlich durch Zentralasien transportiert. Die ersten Eisengegenstände wurden in Luhe Jiangsu, China, gefunden.

Europa

Schmiedeeisen wurde in Europa unter Verwendung sogenannter Gala-Schmieden hergestellt. Das Verfahren erforderte die Verwendung von Kohle als Brennstoff.

Mittelalterliche Hochöfen waren 3,0 m hoch und bestanden aus feuerfesten Ziegeln. Die Luft wurde durch manuelle Bälge geliefert. Im Jahr 1709 errichtete Abraham Darby einen Koks-Hochofen zur Herstellung von geschmolzenem Eisen, der Holzkohle ersetzte.

Die Verfügbarkeit von billigem Eisen war einer der Faktoren, die zur industriellen Revolution führten. In dieser Zeit begann die Raffination von Roheisen zu Schmiedeeisen, mit dem Brücken, Schiffe, Lagerhäuser usw. gebaut wurden.

Stahl

Stahl verwendet eine höhere Kohlenstoffkonzentration als Schmiedeeisen. Stahl wurde 1000 v. Chr. In Luristan, Persien, hergestellt. In der industriellen Revolution wurden neue Methoden zur Herstellung von Eisenstangen ohne Kohlenstoff entwickelt, die später zur Herstellung von Stahl verwendet wurden.

In den späten 1850er Jahren entwickelte Henry Bessemer das Einblasen von Luft in geschmolzenes Roheisen, um Weichstahl herzustellen, wodurch die Stahlproduktion wirtschaftlicher wurde. Dies führte zu einem Rückgang der Schmiedeeisenproduktion.

Eigenschaften

Aussehen

Metallischer Glanz mit einem gräulichen Schimmer.

Atomares Gewicht

55.845 u.

Ordnungszahl (Z)

26

Schmelzpunkt

1.533 ºC

Siedepunkt

2.862 ºC

Dichte

Umgebungstemperatur: 7,874 g / ml.

Schmelzpunkt (flüssig): 6,980 g / ml.

Schmelzwärme

13,81 kJ / mol

Verdampfungswärme

340 kJ / mol

Molare Kalorienkapazität

25,10 J / (mol K)

Ionisationsenergie

- Erster Ionisationsgrad: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gasförmig)

- Zweiter Ionisationsgrad: 1.561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gasförmig)

- Dritter Ionisationsgrad: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ gasförmig)

Elektronegativität

1,83 auf der Pauling-Skala

Atomradio

Empirisch 126 Uhr

Wärmeleitfähigkeit

80,4 W / (mK)

Elektrischer widerstand

96,1 Ω · m (bei 20 ºC)

Curie-Punkt

Ca. 770 ° C. Bei dieser Temperatur ist Eisen nicht mehr ferromagnetisch.

Isotope

Stabile Isotope: ⁵⁴ Fe mit einer Häufigkeit von 5,85%; ⁵⁶ Fe mit einer Häufigkeit von 91,75%; ⁵⁷ Fe mit einer Häufigkeit von 2,12%; und ⁵⁷ Fe mit einer Häufigkeit von 0,28%. Da ⁵⁶ Fe das stabilste und am häufigsten vorkommende Isotop ist, ist es nicht überraschend, dass das Atomgewicht von Eisen sehr nahe bei 56 u liegt.

Während die radioaktiven Isotope sind: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe und ⁶⁰ Fe.

Struktur und elektronische Konfiguration

-Allropes

Eisen bei Raumtemperatur kristallisiert in der körperzentrierten kubischen Struktur (bcc), die auch als α-Fe oder Ferrit (im metallurgischen Jargon) bekannt ist. Eisen kann ein allotropes Metall sein, da es in Abhängigkeit von Temperatur und Druck unterschiedliche Kristallstrukturen annehmen kann.

Das Allotrop bcc ist gewöhnliches Eisen (ferromagnetisch), das die Menschen so gut kennen und von Magneten angezogen werden. Wenn es über 771 ºC erhitzt wird, wird es paramagnetisch, und obwohl sich sein Kristall nur ausdehnt, wurde diese „neue Phase“ zuvor als β-Fe angesehen. Die anderen Allotrope von Eisen sind ebenfalls paramagnetisch.

Zwischen 910ºC und 1.394ºC wird Eisen als Austenit oder γ-Fe-Allotrop gefunden, dessen Struktur flächenzentriert kubisch ist, fcc. Die Umwandlung zwischen Austenit und Ferrit hat einen großen Einfluss auf die Stahlherstellung. da Kohlenstoffatome in Austenit löslicher sind als in Ferrit.

Und dann kehrt das Eisen oberhalb von 1394 ºC bis zu seinem Schmelzpunkt (1538 ºC) zurück, um die bcc-Struktur δ-Fe anzunehmen; Im Gegensatz zu Ferrit ist dieses Allotrop jedoch paramagnetisch.

Epsilon Eisen

Durch Erhöhen des Drucks auf 10 GPa bei einer Temperatur von einigen hundert Grad Celsius entwickelt sich das α- oder Ferrit-Allotrop zum ε-Allotrop Epsilon, das durch Kristallisation in einer kompakten hexagonalen Struktur gekennzeichnet ist; das heißt, mit den kompaktesten Fe-Atomen. Dies ist die vierte allotrope Form von Eisen.

Einige Studien theoretisieren die mögliche Existenz anderer Allotrope von Eisen unter solchen Drücken, jedoch bei noch höheren Temperaturen.

-Metallverbindung

Unabhängig vom Eisen-Allotrop und der Temperatur, die seine Fe-Atome "schüttelt", oder dem Druck, der sie verdichtet, interagieren sie mit denselben Valenzelektronen miteinander. Dies sind die in ihrer elektronischen Konfiguration gezeigten:

3d ⁶ 4s ²

Daher gibt es acht Elektronen, die an der Metallbindung beteiligt sind, unabhängig davon, ob sie während allotroper Übergänge geschwächt oder verstärkt wird. Ebenso sind es diese acht Elektronen, die die Eigenschaften von Eisen wie seine thermische oder elektrische Leitfähigkeit definieren.

-Oxidationszahlen

Die wichtigsten (und häufigsten) Oxidationszahlen für Eisen sind +2 (Fe ²⁺ ) und +3 (Fe ³⁺ ). Tatsächlich berücksichtigt die herkömmliche Nomenklatur nur diese beiden Zahlen oder Zustände. Es gibt jedoch Verbindungen, bei denen Eisen eine andere Anzahl von Elektronen gewinnen oder verlieren kann; das heißt, die Existenz anderer Kationen wird angenommen.

Beispielsweise kann Eisen auch Oxidationszahlen von +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) und +7 (Fe ^{7) aufweisen +} ). Die anionische Ferratspezies FeO ₄ ^2- hat Eisen mit einer Oxidationszahl von +6, da die vier Sauerstoffatome es in einem solchen Ausmaß oxidiert haben.

Ebenso kann Eisen negative Oxidationszahlen aufweisen; wie: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) und -1 (Fe ^- ). Verbindungen mit Eisenzentren mit diesen Elektronengewinnen sind jedoch sehr selten. Deshalb bildet letzteres, obwohl es Mangan in dieser Hinsicht übertrifft, mit seinem Bereich von Oxidationsstufen viel stabilere Verbindungen.

Aus praktischen Gründen reicht es aus, Fe ²⁺ oder Fe ³⁺ zu berücksichtigen . Die anderen Kationen sind etwas spezifischen Ionen oder Verbindungen vorbehalten.

Wie wird es erhalten?

Stahlschmuck, die wichtigste Eisenlegierung. Quelle: Pxhere.

Sammlung von Rohstoffen

Wir müssen zum Ort der Erze der am besten geeigneten Mineralien für den Eisenabbau gehen. Die Mineralien, die am häufigsten verwendet werden, um es zu erhalten, sind die folgenden: Hämatit (Fe ₂ O ₃ ), Magnetit (Fe ₃ O ₄ ), Limonit (FeO · OH · nH ₂ O) und Siderit (FeCO ₃ ).

Dann besteht der erste Schritt bei der Gewinnung darin, die Gesteine ​​mit den Eisenerzerzen zu sammeln. Diese Steine ​​werden zerkleinert, um sie in kleine Stücke zu zerbrechen. Anschließend erfolgt eine Auswahlphase der Gesteinsfragmente mit Eisenerz.

Bei der Auswahl werden zwei Strategien verfolgt: Verwendung eines Magnetfelds und Sedimentation in Wasser. Die Gesteinsfragmente sind einem Magnetfeld ausgesetzt und die Mineralfragmente sind darin ausgerichtet, so dass sie getrennt werden können.

Bei der zweiten Methode werden die felsigen Fragmente ins Wasser geworfen, und diejenigen, die Eisen enthalten, weil sie schwerer sind, setzen sich am Grund des Wassers ab und lassen die Gangart im oberen Teil des Wassers, weil sie leichter ist.

Hochofen

Hochofen, in dem Stahl hergestellt wird. Quelle: Pixabay.

Die Eisenerze werden zu Hochöfen transportiert, wo sie zusammen mit Kokskohle abgeladen werden, die die Rolle des Brennstoff- und Kohlenstofflieferanten spielt. Zusätzlich wird Kalkstein oder Kalkstein hinzugefügt, der die Funktion des Flussmittels erfüllt.

Dem Hochofen mit der vorherigen Mischung wird heiße Luft mit einer Temperatur von 1.000 ºC injiziert. Eisen wird durch Verbrennung von Kohle geschmolzen, wodurch die Temperatur auf 1.800 ºC steigt. Einmal flüssig, wird es Roheisen genannt, das sich am Boden des Ofens ansammelt.

Roheisen wird aus dem Ofen entfernt und in Behälter gegossen, um zu einer neuen Gießerei transportiert zu werden. während die Schlacke, eine Verunreinigung, die sich auf der Oberfläche des Roheisens befindet, verworfen wird.

Roheisen wird unter Verwendung von Pfannen zusammen mit Kalkstein als Flussmittel in einen Konverterofen gegossen, und Sauerstoff wird bei hohen Temperaturen eingeführt. Dadurch wird der Kohlenstoffgehalt verringert und das Roheisen raffiniert, um es in Stahl umzuwandeln.

Anschließend wird der Stahl zur Herstellung von Spezialstählen durch Elektroöfen geleitet.

Anwendungen

-Metalleisen

Eisenbrücke in England, eine der vielen Konstruktionen aus Eisen oder seinen Legierungen. Quelle: Kein maschinenlesbarer Autor angegeben. Jasonjsmith vermutete (basierend auf Urheberrechtsansprüchen).

Da es sich um ein kostengünstiges, formbares, duktiles Metall handelt, das korrosionsbeständig geworden ist, ist es in seinen verschiedenen Formen zum nützlichsten Metall für den Menschen geworden: geschmiedet, gegossen und Stahl verschiedener Arten.

Eisen wird verwendet für den Bau von:

-Brücken

-Grundlagen für Gebäude

-Türen und Fenster

- Bootsrümpfe

-Verschiedene Werkzeuge

-Piping für Trinkwasser

-Röhren zum Sammeln von Abwasser

-Möbel für die Gärten

-Grille für die Sicherheit zu Hause

Es wird auch zur Herstellung von Haushaltsgegenständen wie Töpfen, Pfannen, Messern und Gabeln verwendet. Darüber hinaus wird es zur Herstellung von Kühlschränken, Öfen, Waschmaschinen, Geschirrspülern, Mixern, Öfen und Toastern verwendet.

Kurz gesagt, Eisen ist in allen Objekten vorhanden, die den Menschen umgeben.

Nanopartikel

Metallisches Eisen wird auch als Nanopartikel hergestellt, die hochreaktiv sind und die magnetischen Eigenschaften des makroskopischen Feststoffs beibehalten.

Diese Fe-Kugeln (und ihre zahlreichen zusätzlichen Morphologien) werden zur Reinigung von Wasser von Organochlorverbindungen und als Wirkstoffträger verwendet, die durch Anlegen eines Magnetfelds an ausgewählte Körperregionen abgegeben werden.

Sie können auch als katalytische Träger bei Reaktionen dienen, bei denen Kohlenstoffbindungen (CC) aufgebrochen werden.

-Ionenverbindungen

Oxide

Eisenoxid, FeO, wird als Pigment für Kristalle verwendet. Eisenoxid, Fe ₂ O ₃ , ist die Basis für eine Reihe von Pigmenten von gelb bis rot, die als venezianisches Rot bekannt sind. Die rote Form, Rouge genannt, wird zum Polieren von Edelmetallen und Diamanten verwendet.

Eisen (III) -oxid, Fe ₃ O ₄ , wird in Ferriten verwendet, Substanzen mit hoher magnetischer Zugänglichkeit und elektrischem Widerstand, die in bestimmten Computerspeichern und bei der Beschichtung von Magnetbändern verwendet werden können. Es wurde auch als Pigment und Poliermittel verwendet.

Sulfate

Eisensulfat-Heptahydrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, ist die häufigste Form von Eisensulfat, bekannt als grünes Vitriol oder Kupfer. Es wird als Reduktionsmittel und bei der Herstellung von Tinten, Düngemitteln und Pestiziden verwendet. Es findet auch Verwendung bei der Galvanisierung von Eisen.

Eisensulfat, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , wird verwendet, um Eisenalaun und andere Eisenverbindungen zu erhalten. Es dient als Gerinnungsmittel bei der Reinigung von Abwasser und als Beizmittel beim Färben von Textilien.

Chloride

Eisenchlorid, FeCl ₂ , wird als Beiz- und Reduktionsmittel verwendet. Inzwischen wird Eisenchlorid, FeCl ₃ , als Chlorierungsmittel für Metalle (Silber und Kupfer) und einige organische Verbindungen verwendet.

Die Behandlung von Fe ³⁺ mit dem Hexocyanoferration ^-4 erzeugt einen blauen Niederschlag, Preußischblau genannt, der in Farben und Lacken verwendet wird.

Eisen Lebensmittel

Muscheln sind eine reichhaltige Eisenquelle. Quelle: Pxhere.

Im Allgemeinen wird eine Eisenaufnahme von 18 mg / Tag empfohlen. Unter den Lebensmitteln, die es in der täglichen Ernährung bereitstellen, sind die folgenden:

Schalentiere liefern Eisen in Hämform, so dass die intestinale Absorption nicht gehemmt wird. Die Muschel liefert bis zu 28 mg Eisen pro 100 g davon; Daher würde diese Menge Muschel ausreichen, um den täglichen Eisenbedarf zu decken.

Spinat enthält 3,6 mg Eisen pro 100 g. Rinderorganfleisch, zum Beispiel Kalbsleber, enthält 6,5 mg Eisen pro 100 g. Der Beitrag von Blutwurst dürfte etwas höher sein. Blutwurst besteht aus Teilen des Dünndarms, gefüllt mit Rinderblut.

Hülsenfrüchte wie Linsen enthalten 6,6 mg Eisen pro 198 g. Rotes Fleisch enthält 2,7 mg Eisen pro 100 g. Kürbiskerne enthalten 4,2 mg pro 28 g. Quinoa enthält 2,8 mg Eisen pro 185 g. Das dunkle Putenfleisch enthält 2,3 mg pro 100 g. Brokkoli enthält 2,3 mg pro 156 mg.

Tofu enthält 3,6 mg pro 126 g. Inzwischen enthält dunkle Schokolade 3,3 mg pro 28 g.

Biologische Rolle

Die Funktionen, die Eisen insbesondere bei Wirbeltieren erfüllt, sind unzählig. Es wird geschätzt, dass mehr als 300 Enzyme Eisen für ihre Funktion benötigen. Unter den Enzymen und Proteinen, die es verwenden, werden die folgenden genannt:

-Proteine, die die Hämgruppe haben und keine enzymatische Aktivität haben: Hämoglobin, Myoglobin und Neuroglobin.

-Enzyme mit der am Elektronentransport beteiligten Hämgruppe: Cytochrome a, b und f sowie Cytochromoxidasen und / oder Oxidaseaktivität; Sulfitoxidase, Cytochrom P450-Oxidase, Myeloperoxidase, Peroxidase, Katalase usw.

-Proteine, die Eisen-Schwefel enthalten und mit Oxyreduktase-Aktivitäten zusammenhängen und an der Energieerzeugung beteiligt sind: Succinat-Dehydrogenase, Isocitrat-Dehydrogenase und Aconitase oder Enzyme, die an der DNA-Replikation und -Reparatur beteiligt sind: DNA-Polymerase und DNA-Heliklasen.

-Nicht-Häm-Enzyme, die Eisen als Cofaktor für ihre katalytische Aktivität verwenden: Phenylalaninhydrolase, Tyrosinhydrolase, Tryptophanhydrolase und Lysinhydrolase.

-Nicht-Häm-Proteine, die für den Transport und die Lagerung von Eisen verantwortlich sind: Ferritin, Transferrin, Haptoglobin usw.

Risiken

Toxizität

Risiken durch Eisenexposition können akut oder chronisch sein. Eine Ursache für eine akute Eisenvergiftung kann die übermäßige Aufnahme von Eisentabletten in Form von Gluconat, Fumarat usw. sein.

Eisen kann eine Reizung der Darmschleimhaut verursachen, deren Beschwerden sich unmittelbar nach der Einnahme manifestieren und nach 6 bis 12 Stunden verschwinden. Das absorbierte Eisen wird in verschiedenen Organen abgelagert. Diese Anhäufung kann Stoffwechselstörungen verursachen.

Wenn die aufgenommene Eisenmenge toxisch ist, kann dies zu einer Darmperforation mit Peritonitis führen.

Im Herz-Kreislauf-System kommt es zu einer Hypovolämie, die durch gastrointestinale Blutungen und die Freisetzung von vasoaktiven Substanzen wie Serotonin und Histamin durch Eisen verursacht werden kann. Letztendlich kann es zu einer massiven Nekrose der Leber und zu Leberversagen kommen.

Hämochromatosie

Hämochromatosie ist eine Erbkrankheit, die eine Veränderung des Eisenregulationsmechanismus des Körpers darstellt, die sich in einer Erhöhung der Blutkonzentration von Eisen und seiner Akkumulation in verschiedenen Organen äußert. einschließlich Leber, Herz und Bauchspeicheldrüse.

Die ersten Symptome der Krankheit sind folgende: Gelenkschmerzen, Bauchschmerzen, Müdigkeit und Schwäche. Mit folgenden Symptomen und nachfolgenden Anzeichen der Krankheit: Diabetes, Verlust des sexuellen Verlangens, Impotenz, Herzinsuffizienz und Leberversagen.

Hämosiderose

Die Hämosiderose ist, wie der Name schon sagt, durch die Anreicherung von Hämosiderin im Gewebe gekennzeichnet. Dies verursacht keine Gewebeschäden, kann sich jedoch zu Schäden entwickeln, die denen bei Hämochromatosie ähneln.

Hämosiderose kann durch folgende Ursachen verursacht werden: erhöhte Aufnahme von Eisen aus der Nahrung, hämolytische Anämie, die Eisen aus roten Blutkörperchen freisetzt, und übermäßige Bluttransfusionen.

Hämosiderose und Hämochromatosie könnten auf eine unzureichende Funktion des Hormons Hepcidin zurückzuführen sein, eines Hormons, das von der Leber ausgeschüttet wird und an der Regulation des Körpereisens beteiligt ist.

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