eisen
Eisen (lat. Ferrum) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Fe und der Protonenzahl 26. Eisen ist ein relativ weiches, silbergraues Metall. Es gehört zu den Übergangselementen. Chemisch ist es relativ reaktiv, es reagiert mit Säuren unter Freisetzung von Wasserstoff. Unter Einwirkung von Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff oxidiert es zu einer Mischung aus hydratisierten Oxiden und Hydroxiden des Eisens, dem sogenannten Rost. Dieser Prozess stellt für die Industrie ein großes Problem dar, da Eisen eines der am häufigsten verwendeten Metalle ist. Als Schutz dienen verschiedene Beschichtungen, Passivierung durch Einwirkung von Phosphorsäure (Bildung einer festen Phosphatschicht), Galvanisierung usw.
Verbindungen
Die häufigste Oxidationsstufe von Eisenverbindungen ist +2 und +3. Bei den Verbindungen handelt es sich vor allem um Eisenoxid (FeO), Eisenoxid (Fe2O3) und Doppeleisen-Eisenoxid (Fe3O4). Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von reinem Eisen verwendet.
Als Übergangselement bildet Eisen eine Reihe von Komplexen, wobei es am häufigsten in den Koordinationszahlen 4 und 6 vorkommt. Eisenkomplexe sind relativ stabil. Zu den bekanntesten zählen Kaliumhexacyanoferrat (gelbes Blutsalz) K4[Fe (CN)6], Kaliumhexacyanoferrat (rotes Blutsalz) K3[Fe (CN)6] – verwendet in der analytischen Chemie, und Eisenpentacarbonyl Fe (CO). )5, wird zur Laborvorbereitung von reinem Eisen verwendet.
Weitere verwendete Verbindungen sind Eisensulfat (FeSO4) und Eisenchlorid (FeCl3).
Auch das Vorkommen der Oxidationsstufen +4, +5, +6 (K2FeO4) ist bekannt. Diese Verbindungen sind sehr starke Oxidationsmittel.
Auftreten
Eisen ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente im Erdkörper (5 Masse-%). Seine Verteilung ist jedoch nicht gleichmäßig, sein Gehalt nimmt von der Oberfläche zum Kern hin zu, der Kern selbst besteht aus einer Legierung aus Nickel und Eisen im Verhältnis ~85 % Fe: ~6 % Ni. In der Natur kommt Eisen in verschiedenen, meist mafischen Gesteinen vor – Basalt und Mineralien – Pyroxene, Amphibole, Olivin. Wichtige Eisenerzmineralien, aus denen Eisen industriell hergestellt wird, sind: Hämatit, Limonit, V-Magnetit, Siderit [1]. Viele andere Mineralien enthalten ebenfalls Eisen, aber seine Gewinnung daraus ist nicht rentabel oder energieintensiv, z.B. Pyrit. Die weltweit bedeutendsten Eisenerzvorkommen sind die sogenannten Bandeisenformationen.
Das Vorkommen von reinem Eisen ist selten (einige Vorkommen in Grönland und Schweden). Es gibt auch das sogenannte Eisenmeteoriten in Form von Legierungen mit Nickel.
Produktion
Weitere Informationen im Hauptartikel: Roheisen
Železo je ľudstvu známe už od staroveku (halštadská a laténska doba), jeho väčšia priemyselná produkcia sa začala až v 18. storočí. Na výrobu sa používajú už vyššie spomenuté rudy (hematit, magnetit, siderit, limonit).
Výroba je založená na redoxných reakciách s oxidom uhoľnatým, resp. uhlíkom v tzv. vysokých peciach. Do vysokej pece sa dávkujú upravené rudy, koks a vápenec, príp. oxid kremičitý. Teplota v peci je okolo 1 800 °C a prebieha tam niekoľko procesov:
- spaľovanie koksu za vzniku oxidu uhličitého, alebo uhoľnatého
- C + O2 → CO2
- 2C + O2 → 2CO
- redukcia železa oxidom uhoľnatým
- 3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2
- prípadne uhlíkom
- 3 C + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO
- vznik trosky (ochrana roztaveného železa pred spätnou oxidáciou)
CaO + SiO2 → CaSiO3
Celý proces prebieha nepretržite, do vrchnej časti sa pridáva ruda, koks, troskotvorné prísady a zo spodnej časti sa v pravidelných intervaloch odpúšťa roztavené železo (odpich železa).
Pyrit sa nepoužíva ako surovina na výrobu železa, nakoľko obsahuje síru, ktorá vytvára nežiaduce sulfidy.
Použitie
Železo je najpoužívanejší kov. Surové železo obsahuje okrem uhlíka aj rôzne prímesi, preto nemá vhodné vlastnosti na priame použitie. Jeho úpravou sa vyrábajú rôzne druhy liatin . Liatina je pomerne tvrdá, ale krehká, s malými možnosťami ďalšieho spracovania. Má však veľmi dobré lejacie vlastnosti. Preto sa používa na výrobky, kde nie je požadovaná veľká presnosť opracovania a ktoré je možné vyrobiť odlievaním (napr. poklopy, radiátory). Existujú však aj typy liatin s upravenými vlastnosťami.
Odstraňovaním uhlíka zo surového železa sa získava oceľ, ktorá je neporovnateľne lepšie spracovateľná, je kujná, ohybná. Prísadami iných kovov (mangán, chróm, vanád, wolfrám, kobalt a i.) sa upravujú rôzne mechanické vlastnosti ocele (pevnosť, tvrdosť, chemická odolnosť a mnoho ďalších). S oceľou sa stretávame v každodennom živote (doprava, priemysel, stroje, stavebníctvo).
Viac informácií o použítí železa nájdete v kategóriách Liatiny a Oceľ
Biologický význam
Železo je dôležitý biogénny prvok. Ako centrálny atóm organokovového komplexu hemu, zabudovaného do bielkoviny hemoglobín hrá dôležitú úlohu v organizme teplokrvných živočíchov pri transporte kyslíka z pľúc do buniek.
Hemoglobín je viazaný v červených krvinkách. Kyslík je na hemoglobín viazaný koordinačnou väzbou. Problém nastáva, ak sa do pľúc dostane ligand s väčšou väzbovou energiou (oxid uhoľnatý), ktorý vytlačí kyslík a dochádza k zablokovaniu jeho prenosu.
Hlavným zdrojom železa v potrave sú vnútornosti (pečeň, srdce) a mäso, ale aj strukoviny a listová zelenina.