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Eisen

Eisen ist lebenswichtig und hat die Industrialisierung ermöglicht. Erfahre mehr über seine Eigenschaften, die Gewinnung aus Eisenerz und die Bedeutung von Eisen für den menschlichen Körper. Neugierig geworden? Alles dazu und mehr im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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André Otto
Eisen
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse

Eisen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eisen kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die einzelnen Stufen der Stahlherstellung.

    Tipps

    Was geschieht, wenn ein brennbarer Stoff stark erhitzt wird und Sauerstoff anwesend ist?

    Nur eines der beiden Oxide des Kohlenstoffs ist ein Reduktionsmittel.

    Bei der Eisenherstellung findet in den einzelnen Reaktionsstufen kein vollständiger Umsatz statt. Folglich sind noch Teile des ursprünglichen Edukts im Produkt enthalten.

    Lösung

    1. Die Oxidation
    Bei der Oxidation wird Kohle (genauer Koks) verbrannt. Für die Reaktion lässt sich die folgende Formelgleichung formulieren:

    $C$$\;+\;$$O_2$$\;\longrightarrow\;$$CO_2$

    Das einzige Produkt ist Kohlenstoffdioxid.

    2. Die Reduktion
    Kohlenstoffdioxid ist für die Reduktion des Eisenerzes ungeeignet. Es wird daher mit Kohlenstoff (Koks) reduziert. Die entsprechende Reaktionsgleichung lautet:

    $CO_2$$\;+\;$$C$$\;\rightleftharpoons\;$$2\:CO$

    Als einziges Produkt entsteht Kohlenstoffmonoxid.

    Bemerkenswert an dieser Reaktion ist die Tatsache, dass im Gegensatz zur ersten Reaktionsstufe hier eine Gleichgewichtsreaktion vorliegt.

    3. Reduktion des oxidischen Erzes
    Kohlenstoffmonoxid reduziert das oxidische Eisenerz. Die entsprechende Reaktionsgleichung ist:

    $3\:CO$$\;+\;$$Fe_2O_3$$\;\longrightarrow\;$$2\:Fe$$\;+\;$$3\:CO_2$

    4. Stahlherstellung
    Das Roheisen wird in diesem Schritt zunächst eingeschmolzen. In das flüssige Roheisen wird reiner Sauerstoff eingeblasen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Frischen.

    Ziel des Frischens ist es, den relativ hohen Kohlenstoffanteil im Roheisen zu vermindern. Der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid, das bei den hohen Temperaturen des Prozesses vollständig entweicht.

  • Erkenne wichtige Reaktionen des Eisens.

    Tipps

    Eisen ist ein typisch unedles Metall.

    Lösung

    Eisen reagiert:

    • Kohlenstoff: Es entsteht das Carbid.
    • Schwefel: Es entsteht das Sulfid.
    • Silizium: Das Reaktionsprodukt heißt Silicid.
    • Brom: Es entsteht Eisenbromid. In dieser Eigenschaft unterscheidet sich Eisen nicht von anderen unedlen Metallen.
    • $H^\oplus$: Eisen ist ein unedles Metall und reagiert daher mit unverdünnten Säuren.
    • Phosphor: Es entsteht das Phosphid.
    • $\:O_2$, T>>0 °C: Bei hohen Temperaturen und in Anwesenheit von Sauerstoff brennt Eisen.
    Eisen reagiert nicht:
    • $\:O_2,$, trocken,25 °C: Hier kann man erkennen, wie wichtig das Wasser beim Rosten des Eisens ist. Die schier unverwüstliche Eisensäule in Indien ist dafür beredter Beweis.
    • Stickstoff: Eisen bildet kein Nitrid im Gegensatz zu anderen Metallen wie beispielsweise Lithium oder Titan.
    • $\:NaOH$: Mit Basen wie Natronlauge reagieren Halogene und Säuren. Die Reaktion findet nur mit bestimmten (amphoteren) Metallen wie Aluminium statt. Eisen gehört nicht dazu.
    Die Metalloberfläche wird passiviert.
    Salpetersäure ist ein starkes Oxidationsmittel. Es setzt atomaren Sauerstoff frei. Die Sauerstoffatome reagieren mit der Oberfläche von Eisen und schaffen eine gleichmäßige, schützende Oberfläche. Das Eisen kann nicht mehr reagieren. Daher spricht man von Passivierung.

  • Erläutere die Möglichkeit des Transports von Schwefelsäure in Eisencontainern.

    Tipps

    Bei sehr starken Konzentrationen nimmt die Dissoziation von Säure-Teilchen rapide ab.

    In Redoxreaktionen zeigen Schwefelsäure und Salpetersäure ähnliche Verhalten.

    Lösung

    Natürlich kommen nicht alle Metalle für Transportgefäße in Frage. Bei Berührung von Alkalimetallen mit Schwefelsäure fliegt einem das Reaktionsgemisch um die Ohren. Es ist von grundsätzlicher Bedeutung, ob konzentrierte oder verdünnte Schwefelsäure vorliegt. Denn in beiden Fällen liegen verschiedene Eigenschaften vor.

    So komisch es klingt: Konzentrierte Schwefelsäure frisst keine Löcher in Gefäße aus Eisen. Reine Schwefelsäure ist schwach sauer. Man benötigt für die Dissoziation und Bildung von Protonen Wasser. Fehlt dieses, sind die sauren Eigenschaften weniger ausgeprägt.

    Konzentrierte Schwefelsäure ist in der Tat ein starkes Oxidationsmittel. Hier gibt es eine deutliche Ähnlichkeit mit Salpetersäure. Konzentrierte Schwefelsäure führt als Oxidationsmittel auf einer Eisenoberfläche zur Passivierung.

    Schlussfolgerungen:

    • Konzentrierte Schwefelsäure ist kaum sauer und kann daher Eisen nicht angreifen.
    • Konzentrierte Schwefelsäure ist ein Oxidationsmittel. Genau wie Salpetersäure passiviert* sie die Eisenoberfläche durch Bildung einer Oxid-Schutzschicht.
    • Konzentrierte Schwefelsäure kann in Gefäßen aus Eisen oder aus Spezialstählen transportiert werden. Für verdünnte Schwefelsäure benötigt man unbedingt Spezialstähle als Konstruktionsmaterial für Transportbehälter.

  • Bestimme den Eisengehalt von folgenden Eisenerzen.

    Tipps

    Stöchiometrische Rechnungen helfen.

    Du verwendest die atomaren/molekularen Massen in a. u. (atomare Einheiten).

    Du kannst den Eisenanteil als Bruch bestimmen oder einfache Prozentrechnung verwenden.

    Lösung

    Der Rechenweg soll am Beispiel des Goethits erläutert werden. Die Formel lautet: $FeO(OH)$:

    Für die atomaren/molekularen Massen (in a. u.) verwenden wir auf ganze Zahlen gerundete Werte:

    • $Fe$: 56
    • $O$: 16
    • $H$: 1
    Eisenanteil:

    $m_{Fe}\:=\:1\:\cdot\:56\:=\:56$

    Goethit - Anteil:

    $m_{FeO(OH)}\:=\:1\:\cdot\:56\:+\:16\:+\:16\:+\:1\:=\:89$

    Eisengehalt

    $56/89\:\approx\:0,63\:=63\,\%$

    Man erhält auf ganze Zahlen gerundet folgende Werte für den Eisengehalt:

    72 % > 70 % > 64 % > 63 % > 48 % > 47 %

    Daraus ergibt sich die Reihenfolge der Eisenerze:

    Magnetit > Hämatit > Pyrrothin > Goethit > Siderit > Pyrit

  • Nenne die Eigenschaften von metallischem Eisen.

    Tipps

    Denkt man an das Äußere, und an die Härte und Dichte von Eisen, hat man schon mehr als die Hälfte der Aufgabe gelöst.

    Bei gewöhnlichen Bränden erweicht Eisen, es schmilzt aber nicht.

    Lösung

    Die Eigenschaften, die nicht dem Eisen entsprechen, sind Eigenschaften des Aluminiums.

    • Eisen ist nicht silbrig glänzend wie Aluminium, es ist ein grau glänzendes Metall.
    • Der Wert für die Dichte, der als Unterscheidungskriterium zwischen Schwermetallen und Leichtmetallen dient, beträgt $5\,g/cm^{3}$. Die Dichte von Eisen beträgt $7,87\,g/cm^{3}$, die von Aluminium nur $2,70\,g/cm^{3}$. Daher ist Eisen ein Schwermetall, Aluminium hingegen ein Leichtmetall.
    • Die Mohshärte umfasst eine Skala von 1 (Talk) bis 10 (Diamant). Die Skala ist nicht linear. Für das härteste Metall Chrom findet man in der Literatur Werte von 8,5 oder 9. Eisen zeigt eine Mohshärte von 4, Aluminium von nur 2,75.
    • In der Reihe der Schmelztemperaturen weist Eisen einen mittleren Wert auf. Das Metall wird bei 1538 °C flüssig. Obwohl Aluminium um mehrere Hundert °C deutlich höher als Blei oder Zinn schmilzt, ist es mit einer Schmelztemperatur von 660 °C relativ niedrig schmelzend.
    • Diamagnetisch bedeutet, dass ein Stoff nicht von einem Magneten angezogen wird. Das trifft zum Beispiel auf Aluminium zu. Eisen hingegen ist ferromagnetisch. Das Metall wird von einem Magneten angezogen.

  • Beschreibe die Herstellung von Schwefelsäure aus Pyrit.

    Tipps

    Man hat zunächst ein Schwefeloxid zu gewinnen und anschließend die direkte Vorstufe für die Schwefelsäure-Herstellung.

    Man stellt zunächst eine andere Säure des Schwefels her. Diese wird dann zersetzt.

    Lösung

    Abrösten

    • Pyrit wird in Anwesenheit von Sauerstoff stark erhitzt:
    • $4\:FeS_2$$\:+\:$$11\:O_2$$\;\longrightarrow\;$$2\:Fe_2O_3$$\:+\:$$8\:SO_2$
    • Es entstehen Eisen(III)-oxid und Schwefeldioxid.
    Synthese des Anhydrids
    • Schwefelsäureanhydrid wird durch Oxidation von Schwefeldioxid gewonnen:
    • $2\:SO_2$$\:+\:$$O_2$$\;\longrightarrow\;$$2\:SO_3$
    • Die Reaktion wird durch Vanadium(V)-oxid $V_2O_5$ katalysiert.
    • Es entsteht Schwefeltrioxid.
    Synthese von Schwefelsäure
    • Formal gestaltet sich die Reaktion sehr einfach:
    • $SO_3$$\:+\:$$H_2O$$\;\longrightarrow\;$$H_2SO_4$
    • Diese Reaktion ist sehr langsam. Daher lässt man zunächst Schwefeltrioxid mit Schwefelsäure reagieren:
    • $SO_3$$\:+\:$$H_2SO_4$$\;\longrightarrow\;$$H_2S_2O_7$
    • Das Produkt nennt man Dischwefelsäure. Mit Wasser wird sie zersetzt:
    • $H_2S_2O_7$$\:+\:$$H_2O$$\;\longrightarrow\;$$2\:H_2SO_4$