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Eisen 10:38 min

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Transkript Eisen

Guten Tag und herzlich Willkommen! In diesem Video geht es um das Eisen. Der Film gehört zur Reihe "Elemente". An Vorkenntnissen der Chemie solltet ihr euch recht gut mit Basen, Säuren und Salzen auskennen. Ich möchte, dass ihr in dem Film nähere Bekanntschaft mit dem chemischen Element Eisen und seiner Bedeutung schließt.

Das Video besteht aus 10 Abschnitten: 1. Geschichte 2. Stellung im Periodensystem der Elemente 3. Vorkommen 4. Eigenschaften 5. Herstellung 6. Reaktionen 7. Das Metall 8. Biologische Bedeutung 9. Verbindungen und 10. Zusammenfassung

  1. Geschichte: Bereits vor 6000 Jahren wurde durch die Sumerer und die Ägypter das Eisen erstmals genutzt. Als Quelle verwendeten sie Meteorite. Vor etwa 5000 bis 4000 Jahren konnte in Mesopotamien, in Anatolien und in Ägypten verhüttetes Eisen hergestellt werden. Und schließlich vor etwa 3200 Jahren fand der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit statt. Neben Rohstoffmangel für Bronze war wahrscheinlich die höhere Festigkeit des Eisens ausschlaggebend. Vor etwa 2600 Jahren wurde in China der erste Hochofen gebaut. Bis hinein in das Mittelalter wurde Eisen für verschiedene Gebrauchsgegenstände hergestellt. Hauptsächlich natürlich für Kriegsgerät wie Rüstungen. Im 18. Jahrhundert wurde in Europa erstmals Holzkohle für die Eisenherstellung verwendet. Das Hüttenwesen entwickelte sich als ganzer Industriezweig. Mit der Erfindung der Dampfmaschine wurde eine neue Etappe des menschlichen Tuns eingeleitet. Wir bezeichnen sie als "Industrielle Revolution". Eisen hat keinen Entdecker. Eisen ist ein chemisches Element des Altertums.

  2. Stellung im Periodensystem der Elemente: Im Periodensystem der Elemente befindet sich das Eisen an dieser Stelle. Es handelt sich um ein sogenanntes Übergangsmetall. Eisen gehört zu den Elementen der 8. Nebengruppe. Klar, dass es sich um ein Metall handelt. In den Verbindungen trifft man die Oxitationszahlen von +2 bis +6. Aber keine Angst: In der Schule werden wir es nur mit +2 und +3 zu tun haben. Die Römer nannten Eisen "ferrum". So heißt es auch heute noch in Latein. Daher entstand das chemische Symbol "Fe".

  3. Vorkommen: In der Erdhülle hat Eisen unter den Elementen einen Anteil von 4,7 Prozent. Damit nimmt es den 4. Platz ein. Bei den Metallen liegt es nach Aluminium sogar auf Platz 2. Die Gewinnung des Eisens erfogt aus Eisenerz. Das geschieht in solchen großen, offenen Eisenerzgruben. Es gibt verschiedene erzbildende Minerale: Hämatit, Magnetit, Pyrit, Pyrrhotin und Siderit. Hämatit ist Fe2O3. Magnetit ist Fe3O4. Pyrit ist FeS2. Pyrrhotin, Eisen-2-Sulfit,  FeS. Und Siderit, Eisen-2-Carbonat, FeCO3.

  4. Eigenschaften: Eisen ist ein Metall. Es ist glänzend, grau und unedel. Es ist ein Schwermetall, hat eine Dichte von 7,87 Gramm pro Kubikzentimeter. Damit liegt Eisen zwischen Zink und Kupfer. Seine Mohshärte beträgt 4, das Eisencarbitzementit. Eisen ist ferromagnetisch, wird von einem Magneten angezogen. Es schmilzt bei 1538 Grad Celsius. Nickel schmilzt etwas niedriger, Kobalt etwas höher.

  5. Herstellung: Es gibt zur Eisenherstellung ein Video. Daher möchte ich diese nur ganz kurz skizzieren. Im Hochofen wird Kohle verbrannt und es bildet sich Kohlenstoffdioxid. Kohlenstoffdioxid reagiert weiter mit Kohle zu Kohlenstoffmonoxid. Kohlenstoffmonoxid reagiert mit Eisenoxid zu Eisen und Kohlenstoffdioxid. Diesen vereinfachten Verlauf bezeichnet man auch als Hochofenprozess. Im Ergebnis erhält man Roheisen, welches Kohlenstoff enthält. Beim Frischen wird in das Roheisen Sauerstoff hineingeblasen. Der größte Teil des Kohlenstoffs verlässt das Eisen als Kohlenstoffdioxid. Das so erhaltene Eisen nennt man Stahl.

  6. Reaktionen: Eisen geht als unedles Metall verschiedene Reaktionen ein. Mit trockener Luft reagiert es jedoch nicht. Man kann es bei hohen Temperaturen jedoch verbrennen. Es bildet sich Fe2O3. Mit den Halogenen reagiert Eisen. Es bilden sich die entsprechenden Eisenhalogenide. Mit Säuren bilden sich aus Eisen Eisensalze. Mit konzentrierter Salpetersäure findet keine Reaktion statt. Die Eisenoberfläche wird hier durch Oxidation passiviert. Eisen reagiert mit Silizium zum Silizid. Mit Kohlenstoff bildet sich das Carbit. Die Reaktion mit Schwefel liefert das FeS. Mit Phosphor erhält man das Phosphit.

  7. Das Metall: Eisen ist der wichtigste Konstruktionswerkstoff der Menschheit. Das kann man an vielen Beispielen eindrucksvoll belegen. Eisen braucht man für die Herstellung von Baufahrzeugen und Baumaschinen. Die Technik in der Landwirtschaft besteht aus Eisen. Ohne Eisen gäbe es keine Industriemaschinen. Die Schienenfahrzeuge sind aus Eisen gefertigt. Der Schiffbau kann ohne Eisen nicht sein. Riesige Stahlbauten werden aus Eisen errichtet. Transportfahrzeuge bestehen aus Eisen. Und leider werden aus Eisen auch Kriegsgerät und Waffen hergestellt. Der natürliche Feind des Eisens ist der Rost: Sauerstoff und Wasser. Daher ist eine extensive Stahlherstellung immens wichtig. Der Verbrauch wird dadurch noch gesteigert. Und eine extensive Stahlherstellung ist immens wichtig. An Roheisen wurde im Jahre 2000 in Millionen Tonnen hergestellt: China produzierte mehr als 200, Deutschland 30. Und die Weltproduktion betrug 1000; das heißt also 1 Milliarde Tonnen Roheisen in einem Jahr.

  8. Biologische Bedeutung: Natürlich fordert der Organismus nicht reines Eisen, sondern Eisen-2-Ionen. Der Mensch benötigt diese Eisenionen, denn ohne sie kann kein Blut gebildet werden, kein Hämoglobin. Der Kern des Hämoglobins ist das Häm, in dessen Zentrum ein Eisen-2-Ion sitzt. Damit ist Eisen biologisch essenziell.

  9. Verbindungen: Eisen bildet verschiedene Oxide. Neben der Eisenherstellung benutzt man sie zur Herstellung von Farbpigmenten. Auch Eisensalze werden verwendet. FeCl2 mit Kristallwasser: Man benutzt es bei der Biogasentschwefelung. Eisen-2-Sulfat mit Kristallwasser: Es dient der Chromatreduzierung, um Allergien entgegen zu wirken. Eisen-3-Chlorid, reagiert mit Kupfer: Es dient der Ätzung von Kupferleiterplatten. Weitere Verbindungen: Es ist ein Katalysator für die Spaltung von Wasser in die Elemente. Eisenpentacarbonyl: Aus ihm stellt man die meisten metallorganischen Verbindungen her. Und mit einem wichtigen Farbstoff möchte ich den Exkurs abschließen: Berliner Blau.

  10. Zusammenfassung: Das unedle Metall Eisen ist eine unbedingte Grundlage für die Existenz der Industriegesellschaft. Für den Menschen ist es biologisch essenziell. Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Ich wünsche euch viel Erfolg und alles Gute. Tschüss!

1 Kommentar
  1. Vielen Dank für dieses tolle Video! Es hat mir für ein Kurzreferat über Eisen sehr weitergeholfen!!!!!!!!!!!!!!!!

    Von Ransîr, vor mehr als 4 Jahren

Eisen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eisen kannst du es wiederholen und üben.

  • 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 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.

  • 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$

  • 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