Eisen

26 Mangan ← Eisen → Kobalt - ↑ Glaube ↓ Ru Periodensystem - Erweitertes Periodensystem
Allgemein
Name , Symbol, Zahl	Eisen, Fe, 26
Chemische Reihe	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	8, 4, d
Aussehen	glänzend metallisch mit gräulichem Schimmer
Atommasse	55,845 (2) g/mol
Elektronenkonfiguration	[ Mit ]3d 6 4s zwei
Elektronen pro Schale	2, 8, 14, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase	fest
Dichte (nahe RT)	7,86 g·cm −3
Flüssigkeitsdichte bei m.p.	6,98 g·cm −3
Schmelzpunkt	1811 K (1538 °C, 2800 °F)
Siedepunkt	3134 Kelvin (2861 ° C, 5182 ° F)
Schmelzwärme	13,81 kJ·mol −1
Verdampfungswärme	340 kJ·mol −1
Wärmekapazität	(25 °C) 25,10 J·mol −1 ·K −1
P / Brunnen 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei T /K 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Atomare Eigenschaften
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert a = 286,65 Uhr; kubisch flächenzentriert zwischen 1185–1667 K
Oxidationszustände	zwei, 3 , 4, 6 ( amphoteres Oxid)
Elektronegativität	1,83 (Pauling-Skala)
Ionisationsenergien ( mehr)	1.: 762,5 kJ·mol −1
	2.: 1561,9 kJ·mol −1
	3.: 2957 kJ mol −1
Atomradius	140 Uhr
Atomradius (berechnet)	156 Uhr
Kovalenter Radius	125 Uhr
Sonstig
Magnetische Bestellung	ferromagnetisch
Elektrischer widerstand	(20 °C) 96,1 nΩ·m
Wärmeleitfähigkeit	(300 K) 80,4 W·m −1 ·K −1
Wärmeausdehnung	(25°C) 11,8 μm·m −1 ·K −1
Schallgeschwindigkeit (dünner Stab)	(r.n.) (elektrolytisch) 5120  m·s −1
Elastizitätsmodul	211 GPa
Schermodul	82 GPa
Bulk-Modul	170 GPa
QUERKONTRAKTIONSZAHL	0,29
Mohs-Härte	4.0
Vickers-Härte	608 MPa
Brinellhärte	490 MPa
CAS-Registrierungsnummer	7439-89-6
Ausgewählte Isotope
iso DAS Halbwertszeit DM VON DP 54 Glaube 5,8 % >3,1×10 22 Y 2ε Erfassung ? 54 Kr 55 Glaube seine 2,73 und e erfassen 0,231 55 Mn 56 Glaube 91,72 % Fe ist bei 30 stabil Neutronen 57 Glaube 2,2 % Fe ist stabil bei 31 Neutronen 58 Glaube 0,28 % Fe ist bei 32 stabil Neutronen 59 Glaube seine 44.503 d b 1.565 59 Co 60 Glaube seine 1,5 × 10 6 Y b - 3.978 60 Co
Verweise

Eisen (EINSCHLAG: /ˈʌɪə(r)n/ ) ist ein Chemisches Element mit dem Symbol Glaube ( Latein: Eisen ) und Ordnungszahl 26. Eisen ist eine Gruppe 8 und Periode 4 Metall . Eisen u Nickel zeichnen sich dadurch aus, dass sie die letzten Elemente sind, die durch die stellare Nukleosynthese produziert werden, und somit die schwersten Elemente, für deren Bildung keine Supernova oder ein ähnlich katastrophales Ereignis erforderlich ist. Eisen und Nickel sind daher die am häufigsten vorkommenden Metalle in metallischen Meteoriten und in den dichten Metallkernen von Planeten wie der Erde.

Bemerkenswerte Eigenschaften

Es wird angenommen, dass Eisen das zehnthäufigste ist Element in dem Universum . Eisen macht 5% der Erde 's Kruste und ist an zweiter Stelle in Hülle und Fülle Aluminium unter den Metallen und an vierter Stelle unter den Elementen. Eisen ist auch das massereichste Element und macht 35% der Masse der Erde als Ganzes aus. Die Eisenkonzentration in den verschiedenen Schichten der Erde reicht von sehr hoch im inneren Kern bis zu nur wenigen Prozent in der äußeren Kruste.

Eisen ist ein Metall wird aus Eisenerz gewonnen und kommt fast nie im freien elementaren Zustand vor. Um elementares Eisen zu erhalten, müssen die Verunreinigungen durch chemische Reduktion entfernt werden. Eisen wird bei der Herstellung von verwendet Stahl , eine Legierung oder feste Lösung verschiedener Metalle und insbesondere einiger Nichtmetalle Kohlenstoff . Die vielen Eisen-Kohlenstoff-Allotrope, die sehr unterschiedliche Eigenschaften haben, werden im Artikel über diskutiert Stahl .

Eisenkerne haben einige der höchsten Bindungsenergien pro Nukleon, die nur von der übertroffen werden Nickel Isotop ⁶² Ni. Das universell am häufigsten vorkommende der hochstabilen Nuklide ist jedoch ⁵⁶ Fe. Dieser entsteht durch Kernfusion in den Sternen. Obwohl ein weiterer winziger Energiegewinn durch Synthetisieren herausgeholt werden könnte ⁶² Ni, die Bedingungen in Sternen sind nicht geeignet, um diesen Prozess zu begünstigen, und der Eisenreichtum auf der Erde begünstigt Eisen stark gegenüber Nickel, und vermutlich auch bei der Produktion von Supernova-Elementen. Bei einem sehr großen Stern zieht sich am Ende seines Lebens zusammen, der Innendruck und die Temperatur steigen, wodurch der Stern zunehmend schwerere Elemente produzieren kann, obwohl diese weniger stabil sind als die Elemente um die Massenzahl 60, die als 'Eisengruppe' bekannt sind. Dies führt zu einer Supernova. Einige kosmologische Modelle mit einem offenen Universum sagen voraus, dass es eine Phase geben wird, in der durch langsame Fusions- und Spaltungsreaktionen alles zu Eisen wird.

Eisen (als Fe ²⁺ , Eisenion) ist ein notwendiges Spurenelement, das von allen bekannten lebenden Organismen verwendet wird. Eisenhaltige Enzyme, die normalerweise prosthetische Hämgruppen enthalten, sind an der Katalyse von Oxidationsreaktionen in der Biologie und am Transport einer Reihe löslicher Gase beteiligt. Siehe Hämoglobin, Cytochrom und Katalase.

Anwendungen

Eisen ist das am häufigsten verwendete aller Metalle und macht 95 % der gesamten weltweit produzierten Metalltonnage aus. Seine Kombination aus niedrigen Kosten und hoher Festigkeit macht es unverzichtbar, insbesondere in Anwendungen wie z Autos , die Rümpfe von großen Schiffe , und Strukturbauteile für Gebäude. Stahl ist die bekannteste Eisenlegierung, und einige der Formen, die Eisen annehmen kann, umfassen:

• Roheisen hat 4 % – 5 % Kohlenstoff und enthält unterschiedliche Mengen an Verunreinigungen wie z Schwefel , Silizium und Phosphor . Seine einzige Bedeutung ist die eines Zwischenschritts auf dem Weg vom Eisenerz zum Gusseisen und Stahl .
• Gusseisen enthält 2 % – 4,0 % Kohlenstoff , 1 % – 6 % Silizium , und kleine Mengen von Mangan . Im Roheisen vorhandene Verunreinigungen, die die Materialeigenschaften negativ beeinflussen, wie Schwefel und Phosphor, wurden auf ein akzeptables Maß reduziert. Es hat einen Schmelzpunkt im Bereich von 1420–1470 K, der niedriger ist als jeder seiner beiden Hauptbestandteile, und macht es zum ersten Produkt, das geschmolzen wird, wenn Kohlenstoff und Eisen zusammen erhitzt werden. Seine mechanischen Eigenschaften sind je nach Form sehr unterschiedlich Kohlenstoff nimmt die Legierung auf. „Weißes“ Gusseisen enthält seinen Kohlenstoff in Form von Zementit oder Eisencarbid. Diese harte, spröde Verbindung dominiert die mechanischen Eigenschaften des weißen Gusseisens und macht es hart, aber stoßfest. Die gebrochene Oberfläche eines weißen Gusseisens ist voller feiner Facetten des gebrochenen Karbids, ein sehr helles, silbrig glänzendes Material, daher die Bezeichnung. In Grauguss liegt der Kohlenstoff frei als feine Graphitflocken vor und macht das Material aufgrund der spannungserhöhenden Natur der scharfkantigen Graphitflocken spröde. Eine neuere Variante von Grauguss, die als Sphäroguss bezeichnet wird, wird speziell mit Spuren von behandelt Magnesium um die Form von Graphit zu Sheroiden oder Knötchen zu verändern, wodurch die Zähigkeit und Festigkeit des Materials erheblich erhöht wird.
• Kohlenstoffstahl enthält zwischen 0,4 % und 1,5 % Kohlenstoff , mit kleinen Mengen von Mangan , Schwefel , Phosphor , und Silizium .
• Schmiedeeisen enthält weniger als 0,2 % Kohlenstoff. Es ist ein zähes, formbares Produkt, nicht so schmelzbar wie Roheisen. Es hat eine sehr geringe Menge an Kohlenstoff, einige Zehntel Prozent. Wenn es bis zum Rand geschliffen wird, verliert es es schnell. Schmiedeeisen ist, insbesondere bei alten Proben, durch das Vorhandensein feiner „Stringer“ oder Schlackefäden gekennzeichnet, die im Metall eingeschlossen sind. Schmiedeeisen rostet im Außenbereich nicht besonders schnell. Es wurde weitgehend durch Weichstahl für 'schmiedeeiserne' Tore und Schmiedearbeiten ersetzt. Weichstahl hat nicht die gleiche Korrosionsbeständigkeit, ist aber billiger und breiter verfügbar.
• Legierte Stähle enthalten unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff sowie andere Metalle, wie z Chrom , Vanadium , Molybdän , Nickel , Wolfram usw. Sie werden für strukturelle Zwecke verwendet, da ihr Legierungsgehalt ihre Kosten erhöht und eine Rechtfertigung ihrer Verwendung erfordert. Jüngste Entwicklungen in der Eisenmetallurgie haben eine wachsende Auswahl an mikrolegierten Stählen hervorgebracht, die auch als „HSLA“ oder hochfeste, niedriglegierte Stähle bezeichnet werden und winzige Zusätze enthalten, um hohe Festigkeiten und oft spektakuläre Zähigkeit bei minimalen Kosten zu erzielen.
• Eisen(III)-Oxide werden bei der Herstellung von magnetischen Speichermedien in Computern verwendet. Sie werden oft mit anderen Verbindungen gemischt und behalten ihre magnetischen Eigenschaften in Lösung.

Der Hauptnachteil von Eisen und Stahl besteht darin, dass reines Eisen und die meisten seiner Legierungen stark unter Rost leiden, wenn sie nicht in irgendeiner Weise geschützt werden. Lackieren, Galvanisieren, Kunststoffbeschichten und Bläuen sind einige Techniken, die verwendet werden, um Eisen durch Ausschließen vor Rost zu schützen Wasser und Sauerstoff oder durch Opferschutz.

Geschichte

Die ersten Gebrauchsspuren von Eisen stammen aus der Sumerer und die Ägypter , wo um 4000 v. Chr. [Zitieren erforderlich] einige Gegenstände, wie Speerspitzen, Dolche und Ornamente, aus Eisen hergestellt wurden, das aus Meteoriten gewonnen wurde [Zitieren erforderlich]. Weil Meteoriten vom Himmel fallen, haben einige Linguisten vermutet, dass das englische Wort Eisen (BIST DU kurzfristig ), das in vielen nord- und westeuropäischen Sprachen verwandt ist, stammt aus dem Etrusker ist was „die Götter“ bedeutet. Auch wenn dies nicht der Fall ist, handelt es sich bei dem Wort wahrscheinlich um eine Entlehnung aus dem Keltischen oder Kursiven ins Vorgermanische (Krahe IF 46:184f. vergleicht altirische, illyrische, venezianische und messapische Formen). Auf den kometenhaften Ursprung von Eisen bei seiner ersten Verwendung durch Menschen wird auch im Koran angespielt: „Und Wir sandten Eisen herab, in dem unglaubliche Stärke und viele Vorteile für die Menschheit liegen“ (57:25 Seite:541) [linguistische Zitate erforderlich; keine Erwähnung von protoborealen, nostratischen oder afroasiatischen Begriffen].

Die alten Griechen betrachteten die Halybes als „Erfinder des Eisens“ [Zitieren erforderlich; 'die Griechen' sind keine homogene Gruppe von Menschen, die eine Idee veröffentlichen]. Die Menschen der kaukasischen Landenge, Khaldi-Leute (oder Khalib/Halyb und Halisones von Strabo) waren eine der ältesten West- georgisch Stämme (4. bis 2. Jahrtausend v. Chr.). Das Wort 'Halybes' kann sich auf Menschen in Anatolien oder im Kaukasus beziehen, und es ist auch möglich, dass es zu der Zeit, als die Griechen von Eisen wussten, mit Chaldäa in Verbindung gebracht wurde, wo es in großen Mengen produziert wurde (aber nicht dort, wo es war). erfunden).

Von 2500 v. Chr. bis 2000 v. Chr. taucht eine zunehmende Anzahl von geschmolzenen Eisengegenständen auf (unterscheidbar von meteorischem Eisen durch das Fehlen von Nickel im Produkt). Mesopotamien , Anatolien und Ägypten [Zitat erforderlich]. Ihre Verwendung scheint jedoch zeremoniell zu sein, und Eisen war ein teures Metall, teurer als Gold [Zitat erforderlich, insbesondere in Bezug auf die Preisgestaltung von Gold, da das Wort in alten Texten oft mit 'Bronze' verwechselt wird]. In der Ilias bestehen die Waffen hauptsächlich aus Bronze, aber Eisenbarren werden für den Handel verwendet [ein echter Eisenkeulenkopf wurde 1902 in Troja gefunden; Zitat für eine dieser Tatsachen erforderlich]. Einige Ressourcen (siehe die Referenz Was verursachte die Eisenzeit? unten) deuten darauf hin, dass Eisen damals als Nebenprodukt von entstanden ist Kupfer Veredelung, wie Eisenschwamm, und war durch die damalige Metallurgie nicht reduzierbar. Von 1600 v. Chr. bis 1200 v. Chr. Wurde Eisen zunehmend im Nahen Osten verwendet, verdrängte jedoch nicht die vorherrschende Verwendung von Bronze [Zitieren erforderlich; dieselbe Geschichte wird über Nebenprodukte von Gold erzählt, die unbrauchbares Eisen produzieren].

Axt aus Eisen aus dem Schwedischen Eisenzeit , gefunden auf Gotland, Schweden .

In der Zeit vom 12. bis 10. Jahrhundert v. Chr. gab es im Nahen Osten einen schnellen Übergang von bronzenen zu eisernen Werkzeugen und Waffen. Der entscheidende Faktor bei diesem Übergang scheint nicht das plötzliche Einsetzen einer überlegenen Eisenverarbeitungstechnologie zu sein, sondern die Unterbrechung der Versorgung mit Eisen glauben . Diese Übergangszeit, die zu unterschiedlichen Zeiten in verschiedenen Teilen der Welt stattfand, ist der Beginn eines Zeitalters der Zivilisation, das als Eisenzeit . Klassische Autoren schreiben die erste Erfindung der Eisenschmiede Völkern des Kaukasus und Ostanatoliens zu, wie den Khaldi ( Chaldei ) und der Khalib ( Chalybes )[sehr wahrscheinlich dieselben Personen, die oben erwähnt wurden - aber stattdessen irrtümlicherweise in Georgien angesiedelt! die Khaldi sind entweder in Georgien oder Anatolien - aber wenn beides, dann muss hier eine größere Begriffsklärung erfolgen]. Wenn beim Eisen lokale Gepflogenheiten bezüglich des Imports anderer Metallbearbeitungstechniken vorherrschten, dann wäre es für Menschen aus der eisenverarbeitenden Region (in diesem Fall in Anatolien - da es viele Vereinbarungen über diese Quelle gibt) üblich gewesen, dies zu tun selbsternannte ethnische Enklaven oder neue Städte in der Nähe der Orte errichten, an denen sie ihre Waren vermarkten wollten. Die strenge Verteidigung von Geschäftsgeheimnissen hatte dies bereits zum typischen Plan gemacht, sei es bei der Töpferei, der Kupferverarbeitung, der Schmuckherstellung oder der Bronzeherstellung. Die Erfinder rückten näher an die Märkte heran, hielten sich aber eigenständig und hüteten ihre Geheimnisse sorgfältig. Es ist möglich, dass andere Leute in diese neuen metallverarbeitenden Städte kamen, um Geschäftsgeheimnisse zu erfahren, aber wahrscheinlich einen gewissen Preis zahlen mussten (Abram und Lot könnten zwei solche gewesen sein, die an den neuen Ort Ur der Chaldäer kamen, der war eine neue Ur, nicht die alte Ur, die für die Metallproduktion ausgelegt ist).

Das übliche alchemistische Symbol für Eisen, das Metall der Waffen, ist das des Kriegsgottes Mars.

Gleichzeitig mit dem Übergang von Bronze zu Eisen erfolgte die Entdeckung von Aufkohlung , das war der Prozess, den Eisen der damaligen Zeit Kohlenstoff hinzuzufügen. Eisen wurde als Eisenschwamm gewonnen, eine Mischung aus Eisen und Schlacke mit etwas Kohlenstoff und/oder Karbid, das dann wiederholt gehämmert und gefaltet wurde, um die Masse von Schlacke zu befreien und den Kohlenstoffgehalt herauszuoxidieren, wodurch das Produkt Schmiedeeisen entstand. Schmiedeeisen hatte einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt und ließ sich nicht leicht durch Abschrecken härten. Die Menschen im Nahen Osten stellten fest, dass ein viel härteres Produkt durch langfristiges Erhitzen eines schmiedeeisernen Objekts in einem Holzkohlebett hergestellt werden konnte, das dann in Wasser oder Öl abgeschreckt wurde. Das resultierende Produkt, das eine Oberfläche von Stahl , war härter und weniger spröde als die Bronze, die es zu ersetzen begann.

In China waren die ersten Eisen, die verwendet wurden, auch meteorisches Eisen, wobei archäologische Beweise für Gegenstände aus Schmiedeeisen im 8. Jahrhundert v. Chr. Im Nordwesten in der Nähe von Xinjiang auftauchten. Diese Gegenstände wurden aus Schmiedeeisen hergestellt, das nach den gleichen Verfahren hergestellt wurde, die im Nahen Osten und in Europa verwendet wurden, und es wurde angenommen, dass sie von Nicht-Chinesen importiert wurden.

In den späteren Jahren der Zhou-Dynastie (ca. 550 v. Chr.) Begann aufgrund einer hochentwickelten Ofentechnologie eine neue Fähigkeit zur Eisenherstellung. Die Chinesen stellten Hochöfen her, die Temperaturen von über 1300 K erreichen konnten, und entwickelten die Herstellung von Guss- oder Roheisen.

Eisen wurde in Indien bereits 250 v. Chr. verwendet. Die berühmte Eisensäule im Qutb-Komplex in Delhi besteht aus sehr reinem Eisen (98%) und ist bis heute nicht verrostet oder erodiert.

Dieser Hochofen im Osten von Missouri verbrauchte von 1827 bis 1891 jährlich bis zu 11.000 Tonnen Erz und 16.000 Schnüre (58.000 m³) Holz.

Werden Eisenerze mit Kohlenstoff auf 1420–1470 K erhitzt, entsteht eine geschmolzene Flüssigkeit, eine Legierung aus etwa 96,5 % Eisen und 3,5 % Kohlenstoff. Dieses Produkt ist stark, kann in komplizierte Formen gegossen werden, ist aber zu spröde, um bearbeitet zu werden, es sei denn, das Produkt ist es entkohlt den größten Teil des Kohlenstoffs zu entfernen. Die überwiegende Mehrheit der chinesischen Eisenherstellung ab der Zhou-Dynastie bestand aus Gusseisen. Eisen blieb jedoch ein unbedeutendes Produkt, das Hunderte von Jahren von Bauern verwendet wurde und den Adel Chinas bis zur Qin-Dynastie (ca. 221 v. Chr.) nicht wirklich beeinflusste.

Die Gusseisenentwicklung hinkte in Europa hinterher, da die Hütten nur Temperaturen von etwa 1000 °C erreichen konnten; oder vielleicht wollten sie keine heißeren Temperaturen, da sie versuchten, Blüten als Vorläufer von Schmiedeeisen und nicht von Gusseisen herzustellen. Während eines großen Teils des Mittelalters wurde Eisen in Westeuropa also immer noch durch die Verarbeitung von Eisenblöcken zu Schmiedeeisen hergestellt. Einige der frühesten Eisengüsse in Europa fanden in statt Schweden , an zwei Standorten, Lapphyttan und Vinarhyttan, zwischen 1150 und 1350 n. Chr. Gusseisen wurde dann durch das Osmond-Verfahren zu Schmiedeeisen verarbeitet. Einige Gelehrte haben spekuliert, dass die Praxis den Mongolen folgte Russland zu diesen Seiten, aber es gibt keinen eindeutigen Beweis für diese Hypothese. Auf jeden Fall begann sich Ende des 14. Jahrhunderts ein Markt für gusseiserne Waren zu bilden, als sich eine Nachfrage nach gusseisernen Kanonenkugeln entwickelte.

Die frühe Eisenschmelze verwendete Holzkohle sowohl als Wärmequelle als auch als Reduktionsmittel. Im England des 18. Jahrhunderts reichten die Holzvorräte nicht mehr aus, um der Industrie eine Expansion zu ermöglichen, und Koks, ein fossiler Brennstoff, wurde als Alternative eingesetzt. Diese Innovation wird mit Abraham Darby in Coalbrookdale im Jahr 1709 in Verbindung gebracht, aber erst später im Jahrhundert wurden wirtschaftlich tragfähige Mittel zur Umwandlung von Roheisen in Stangeneisen entwickelt. Das erfolgreichste derartige Verfahren war das Puddelverfahren von Henry Cort, das 1784 patentiert wurde Industrielle Revolution für diese Branche.

Auftreten

Das rote Aussehen dieses Wassers ist auf Eisen in den Felsen zurückzuführen.

Eisen ist eines der häufigsten Elemente auf der Erde und macht etwa 5 % der Erdkruste aus. Der größte Teil dieses Eisens findet sich in verschiedenen Eisenoxiden, wie den Mineralien Hämatit, Magnetit und Taconit. Es wird angenommen, dass der Erdkern größtenteils aus einem metallischen Eisen besteht. Nickel Legierung. Etwa 5 % der Meteoriten bestehen ebenfalls aus einer Eisen-Nickel-Legierung. Obwohl selten, sind diese die Hauptform von natürlichem metallischem Eisen auf der Erdoberfläche.

Gewinnung von Eisen aus Eisenerz

Wie im 19. Jahrhundert Eisen gewonnen wurde Dieser Haufen Eisenerzpellets wird verwendet Stahl Produktion.

Industriell wird Eisen ausgehend von Eisenerzen, hauptsächlich Hämatit (nominell Fe _zwei Ö ₃ ) und Magnetit (Fe ₃ Ö ₄ ) durch eine carbothermische Reaktion (Reduktion mit Kohlenstoff ) in einem Hochofen bei Temperaturen um 2000 °C. In einem Hochofen wird Eisenerz, Kohlenstoff in Form von Koks und ein Fluss wie Kalkstein werden in die Oberseite des Ofens zugeführt, während ein Windstoß erhitzt wird Luft wird unten in den Ofen gepresst.

Im Ofen reagiert der Koks mit Sauerstoff im Luftstoß zur Erzeugung von Kohlenmonoxid:

6 C + 3 Ö _zwei → 6 CO

Das Kohlenmonoxid reduziert das Eisenerz (in der chemischen Gleichung unten Hämatit) zu geschmolzenem Eisen und wird Kohlendioxid dabei:

6 CO + 2 Fe _zwei Ö ₃ → 4 Glaube + 6 CO _zwei

Das Flussmittel ist vorhanden, um Verunreinigungen im Erz, hauptsächlich Siliziumdioxid, zu schmelzen Sand und andere Silikate. Übliche Flussmittel umfassen Kalkstein (hauptsächlich Calciumcarbonat) und Dolomit (Magnesiumcarbonat). Abhängig von den Verunreinigungen, die aus dem Erz entfernt werden müssen, können andere Flussmittel verwendet werden. In der Hitze des Ofens zersetzt sich der Kalkstein zu Calciumoxid (Branntkalk):

CaCO ₃ → CaO + CO _zwei

Dann verbindet sich Calciumoxid mit Siliziumdioxid zu a Schlacke .

CaO + SiO _zwei → CaSiO ₃

Die Schlacke schmilzt in der Hitze des Ofens, was Siliziumdioxid nicht hätte. Am Boden des Ofens schwimmt die geschmolzene Schlacke auf dem dichteren geschmolzenen Eisen, und Ausgüsse an der Seite des Ofens können geöffnet werden, um entweder das Eisen oder die Schlacke abzulassen. Das einmal abgekühlte Eisen wird als Roheisen bezeichnet, während die Schlacke als Baustoff im Straßenbau oder zur Verbesserung mineralarmer Böden z. B. verwendet werden kann Landwirtschaft . Roheisen wird später zu reduziert Stahl Konverter verwenden.

Im Jahr 2000 wurden weltweit etwa 1100 Mt (Millionen Tonnen) Eisenerz mit einem Bruttomarktwert von etwa 25 Milliarden US-Dollar gefördert. Während die Erzproduktion in 48 Ländern stattfindet, waren die fünf größten Produzenten China, Brasilien, Australien, Russland und Indien, auf die 70 % der weltweiten Eisenerzproduktion entfallen. Die 1100 Mt Eisenerz wurden verwendet, um etwa 572 Mt Roheisen zu produzieren.

Isotope

Natürlich vorkommendes Eisen besteht aus vier Isotopen: 5,845 % radioaktiv ⁵⁴ Fe (Halbwertszeit: >3,1×10 ²² Jahre), 91,754 % stabil ⁵⁶ Fe, 2,119 % stabil ⁵⁷ Fe und 0,282 % stabil ⁵⁸ Glaube. ⁶⁰ Fe ist ein ausgestorbenes Radionuklid mit langer Halbwertszeit (1,5 Millionen Jahre). Ein Großteil der bisherigen Arbeiten zur Messung der Isotopenzusammensetzung von Fe konzentrierte sich auf die Bestimmung ⁶⁰ Fe-Variationen aufgrund von Prozessen, die die Nukleosynthese (d. h. Meteoritenstudien) und die Erzbildung begleiten.

Das Isotop ⁵⁶ Fe ist von besonderem Interesse für Nuklearwissenschaftler. Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass dieses Isotop den stabilsten möglichen Kern darstellt und dass es daher unmöglich wäre, eine Spaltung oder Fusion durchzuführen ⁵⁶ Fe und setzen trotzdem Energie frei. Dies ist nicht wahr, da beide ⁶² Ni und ⁵⁸ Fe sind stabiler.

In Phasen der Meteoriten Semarkona und Chervony Kut eine Korrelation zwischen der Konzentration von ⁶⁰ Im , das Tochterprodukt von ⁶⁰ Fe, und die Häufigkeit der stabilen Eisenisotope konnte gefunden werden, was ein Beweis für die Existenz von ist ⁶⁰ Fe zur Zeit der Entstehung des Sonnensystems. Möglicherweise die beim Zerfall freigesetzte Energie ⁶⁰ Fe trug zusammen mit der durch den Zerfall des Radionuklids freigesetzten Energie bei ²⁶ Zum , zum Umschmelzen und Differenzieren von Asteroiden nach ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren. Die Fülle von ⁶⁰ Im die in außerirdischem Material vorhanden sind, können auch weitere Einblicke in den Ursprung der liefern Sonnensystem und seine Frühgeschichte. Nur von den stabilen Isotopen ⁵⁷ Fe hat einen Kernspin (−1/2).

Eisen in der Biologie

Struktur von Häm b

Eisen ist allen bekannt essentiell Organismen . Es ist meist stabil in das Innere von Metalloproteinen eingebaut, da es in exponierter oder freier Form die Produktion von freien Radikalen verursacht, die für Zellen im Allgemeinen toxisch sind. Zu sagen, dass Eisen frei ist, bedeutet nicht, dass es frei in den Körperflüssigkeiten schwimmt. Eisen bindet eifrig an praktisch alle Biomoleküle, sodass es unspezifisch an Zellmembranen, Nukleinsäuren, Proteinen usw. anhaftet.

Viele Tiere bauen Eisen in den Hämkomplex ein, einen wesentlichen Bestandteil von Cytochromen, die Proteine ​​sind, die an Redoxreaktionen beteiligt sind (einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Zellatmung), und von sauerstofftragenden Proteinen Hämoglobin und Myoglobin. Anorganisches Eisen, das an Redoxreaktionen beteiligt ist, findet sich auch in den Eisen-Schwefel-Clustern vieler Enzyme, wie Nitrogenase (beteiligt an der Synthese von Ammoniak aus Stickstoff- und Wasserstoff ) und Hydrogenase. Eine Klasse von Nicht-Häm-Eisenproteinen ist für eine Vielzahl von Funktionen in mehreren Lebensformen verantwortlich, wie z. Sauerstoff Transport und Fixierung in wirbellosen Meerestieren) und purpursaure Phosphatase (Hydrolyse von Phosphatestern). Wenn der Körper eine bakterielle Infektion bekämpft, sequestriert der Körper Eisen in den Zellen (meistens gespeichert im Speichermolekül Ferritin), damit es nicht von Bakterien verwendet werden kann.

Die Eisenverteilung ist stark reguliert Säugetiere , sowohl als Abwehr gegen bakterielle Infektionen als auch wegen der potenziellen biologischen Toxizität von Eisen. Das aus dem Zwölffingerdarm aufgenommene Eisen bindet an Transferrin und wird über das Blut zu anderen transportiert Zellen . Dort wird es über einen noch unbekannten Mechanismus in Zielproteine ​​eingebaut. Einen längeren Artikel zum System der menschlichen Eisenregulation finden Sie im Artikel über den menschlichen Eisenstoffwechsel.

Eisen in der organischen Synthese

Die Verwendung von Eisenmetallspänen in der organischen Synthese dient hauptsächlich der Reduktion von Nitroverbindungen. Außerdem wurde Eisen zur Entschwefelung, Reduktion von Aldehyden und zur Desoxygenierung von Aminoxiden verwendet.

Vorsichtsmaßnahmen

Überschüssiges Eisen ist für den Menschen giftig, weil überschüssiges Eisen mit Peroxiden im Körper reagiert und freie Radikale produziert. Eisen wird toxisch, wenn es die Menge an Transferrin übersteigt, die benötigt wird, um freies Eisen zu binden. Im Überschuss werden unkontrollierbare Mengen an freien Radikalen produziert.

Die Eisenaufnahme wird durch den menschlichen Körper streng reguliert, der keine physiologischen Mittel zur Eisenausscheidung hat und Eisen ausschließlich durch Regulierung der Aufnahme reguliert. Zu viel aufgenommenes Eisen kann jedoch die Zellen des Magen-Darm-Trakts direkt schädigen und in den Blutkreislauf gelangen, indem es die Zellen schädigt, die sonst seinen Eintritt regulieren würden. Dort schädigt es Zellen im Herzen, in der Leber und anderswo. Dies kann ernsthafte Probleme verursachen, einschließlich der Möglichkeit des Todes durch Überdosierung und langfristiger Organschäden bei Überlebenden.

Menschen erfahren eine Eisentoxizität von mehr als 20 Milligramm Eisen pro Kilogramm Gewicht, und 60 Milligramm pro Kilogramm sind eine tödliche Dosis. Die häufigste toxikologische Todesursache bei Kindern unter sechs Jahren ist ein übermäßiger Eisenkonsum, der häufig darauf zurückzuführen ist, dass Kinder große Mengen von Eisen(II)-sulfat-Tabletten verzehrt haben, die für den Verzehr durch Erwachsene bestimmt sind. Das DRI listet die tolerierbare obere Aufnahmemenge (UL) für Erwachsene mit 45 mg/Tag auf. Für Kinder unter 14 Jahren beträgt der UL 40 mg/Tag.

Eine übermäßige Eisenaufnahme kann manchmal zu Eisenüberladungsstörungen wie Hämochromatose führen. Eisenüberladungsstörungen erfordern eine genetische Unfähigkeit, die Eisenaufnahme zu regulieren; Viele Menschen haben jedoch eine genetische Anfälligkeit für Eisenüberladung, ohne es zu wissen und ohne eine Familiengeschichte des Problems zu kennen. Aus diesem Grund sollten Menschen keine Eisenpräparate einnehmen, es sei denn, sie leiden an Eisenmangel und haben einen Arzt konsultiert. Blutspender sind einem besonderen Risiko eines niedrigen Eisenspiegels ausgesetzt und es wird oft empfohlen, ihre Eisenzufuhr zu ergänzen.

Die medizinische Behandlung der Eisentoxizität ist komplex. Ein Element des medizinischen Ansatzes ist ein spezifischer Chelatbildner namens Deferoxamin, der im Falle einer Eisentoxizität überschüssiges Eisen bindet und aus dem Körper ausscheidet.