Eisen (chemisches Element): Eigenschaften, chemische Struktur, Verwendungen

Eisen ist ein Übergangsmetall der Gruppe VIIIB oder 8 des Periodensystems. Es ist eines der Metalle, die seit jeher bekannt sind. Die Chinesen, Ägypter und Römer arbeiteten mit diesem Metall. Die einfache Gewinnung markierte eine Phase der Geschichte, die als Eisenzeit bekannt war.

Sein Name leitet sich vom lateinischen Wort "Ferrum" ab und daher auch vom chemischen Symbol "Glaube". Es ist ein sehr reaktives Element, so dass sein silberner Glanz normalerweise nicht in der Natur zu finden ist. Tatsächlich wurde dieses Metall in der Antike wegen seiner angeblichen Knappheit mit einem höheren Wert als Gold katalogisiert.

Seine reine Form wurde in Regionen Grönlands und in magmatischen Gesteinen von Böden Russlands gefunden. Es wird angenommen, dass es sich im siderischen Raum um einen häufigen Bestandteil von Meteoriten handelt, die nach dem Aufprall auf die Erde zum Teil kristallisiertes Eisen in ihren felsigen Brüsten erhalten haben.

Aber wichtiger als reines Eisen sind seine Verbindungen; insbesondere seine Oxide. Diese Oxide bedecken die Erdoberfläche mit einer großen Familie von Mineralien wie Magnetit, Pyrit, Hämatit, Goethit und vielen anderen. Tatsächlich sind die in den Marsbergen und Wüsten beobachteten Färbungen zum großen Teil auf den Hämatit zurückzuführen.

Eisenobjekte können in Städten oder auf Feldern gefunden werden. Diejenigen, die keinen Schutzfilm haben, werden rötlich, weil sie durch Feuchtigkeit und Sauerstoff korrodieren. Andere, wie die Laterne des Hauptbildes, bleiben grau oder schwarz.

Es wird geschätzt, dass sich eine massive Konzentration dieses Metalls im Erdkern befindet. So sehr, dass es im flüssigen Zustand, Produkt hoher Temperaturen, für das Magnetfeld der Erde verantwortlich sein kann.

Andererseits ergänzt Eisen nicht nur die Hülle unseres Planeten, sondern ist auch Teil der Nährstoffe, die von Lebewesen benötigt werden. Zum Beispiel ist es notwendig, Sauerstoff zu Geweben zu transportieren.

Eigenschaften von Eisen

Reines Eisen hat seine eigenen Eigenschaften, die es von seinen Mineralien unterscheiden. Es ist ein glänzendes, graues Metall, das mit Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Luft reagiert und sich in das entsprechende Oxid umwandelt. Ohne Sauerstoff in der Atmosphäre blieben alle Ornamente und Eisenstrukturen intakt und frei von rotem Rost.

Es hat eine hohe mechanische Festigkeit und Härte, ist aber gleichzeitig formbar und duktil. Auf diese Weise können Schmiede Teile mit zahlreichen Formen und Designs schmieden, bei denen die Eisenmassen hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Es ist auch ein guter Leiter für Wärme und Strom.

Darüber hinaus ist eines der wertvollsten Merkmale die Wechselwirkung mit Magneten und die Magnetisierbarkeit. Der allgemeinen Öffentlichkeit wurden zahlreiche Demonstrationen der Wirkung von Magneten auf die Bewegung von Eisenspänen sowie die Demonstration des Magnetfelds und der Pole eines Magneten vorgelegt.

Schmelz- und Siedepunkte

Das Eisen schmilzt bei einer Temperatur von 1535 ° C und kocht bei 2750 ° C. In seiner flüssigen und weißglühenden Form wird dieses Metall erhalten. Zusätzlich betragen seine Schmelz- und Verdampfungswärmen 13, 8 und 349, 6 kJ / mol.

Dichte

Seine Dichte beträgt 7, 86 g / cm³. Das heißt, dass 1 ml dieses Metalls 7, 86 Gramm wiegt.

Isotope

Im Periodensystem, speziell in Gruppe 8 von Periode 4, ist Eisen mit einer Atommasse von ungefähr 56u (26 Protonen, 26 Elektronen und 30 Neutronen) zu finden. In der Natur gibt es jedoch drei andere stabile Isotope des Eisens, das heißt, sie haben die gleiche Anzahl von Protonen, aber unterschiedliche Atommassen.

56Fe ist am häufigsten (91, 6%), gefolgt von 54Fe (5, 9%), 57Fe (2, 2%) und schließlich 58Fe (0, 33%). Es sind diese vier Isotope, die das gesamte Eisen des Planeten Erde ausmachen. Unter anderen Bedingungen (außerirdisch) können diese Prozentsätze variieren, 56Fe sind jedoch möglicherweise weiterhin am häufigsten anzutreffen.

Andere Isotope mit Atommassen zwischen 46 und 69u sind sehr instabil und haben eine kürzere Halbwertszeit als die vier genannten.

Toxizität

Vor allem ist es ein ungiftiges Metall. Andernfalls wären spezielle Behandlungen (chemisch und physikalisch) erforderlich, und unermessliche Gegenstände und Gebäude würden ein latentes Risiko für die Umwelt und das Leben darstellen.

Chemische Eigenschaften

Die elektronische Konfiguration von Eisen ist [Ar] 3d64s2, was bedeutet, dass es zwei Elektronen aus seinem 4s-Orbital und sechs Elektronen aus den 3d-Orbitalen zur Bildung seiner Metallbindungen im Kristall beiträgt. Es ist diese kristalline Struktur, die einige Eigenschaften wie den Ferromagnetismus erklärt.

Auch die elektronische Konfiguration sagt die Stabilität seiner Kationen oberflächlich voraus. Wenn das Eisen zwei seiner Elektronen, Fe2 +, verliert, verbleibt es in der Konfiguration [Ar] 3d6 (vorausgesetzt, das 4s-Orbital ist der Ursprung dieser Elektronen). Wenn es drei Elektronen, Fe3 +, verliert, ist seine Konfiguration [Ar] 3d5.

Experimentell wurde gezeigt, dass viele Ionen mit der Valenzkonfiguration nd5 von großer Stabilität sind. Daher neigt Eisen dazu, gegen elektronenaufnehmende Spezies zu oxidieren, um das Fe3 + -Eisenkation zu werden. und in einer weniger oxidativen Umgebung im Fe2 + -Eisenkation.

Dann wird erwartet, dass in einem Medium mit geringer Sauerstoffpräsenz Eisenverbindungen überwiegen. Der pH-Wert beeinflusst auch die Oxidationsstufe von Eisen, da in stark sauren Medien die Umwandlung in Fe3 + begünstigt wird.

Farben seiner Verbindungen

Die Fe2 + in Lösung ist grünlich und Fe3 + in einem weichen Violett. Ebenso können Eisenverbindungen grün oder rot gefärbt sein, je nachdem, welches Kation vorliegt und welche Ionen oder Moleküle sie umgeben.

Die Grüntöne ändern sich entsprechend der elektronischen Umgebung von Fe2 +. Somit ist FeO, Eisenoxid, ein sehr dunkelgrüner Feststoff; während FeSO 4, Eisensulfat, hellgrüne Kristalle aufweist. Andere Fe2 + -Verbindungen können sogar bläuliche Töne aufweisen, wie im Fall von Preußischblau.

Es kommt auch in den violetten Schattierungen von Fe3 + in seinen Verbindungen vor, die rötlich werden können. Beispielsweise ist Hämatit, Fe 2 O 3, das Oxid, das für viele rötlich aussehende Eisenstücke verantwortlich ist.

Eine beträchtliche Anzahl von Eisenverbindungen ist jedoch farblos. Eisen (III) -chlorid, FeCl 3, ist farblos, da Fe3 + nicht wirklich in ionischer Form vorliegt, sondern kovalente Bindungen (Fe-Cl) eingeht.

Andere Verbindungen sind in der Tat komplexe Gemische von Fe² & spplus; - und Fe³ & spplus; -Kationen. Ihre Farben werden immer davon abhängen, welche Ionen oder Moleküle mit Eisen interagieren, obwohl, wie erwähnt, eine große Mehrheit dazu neigt, bläulich, violett, rötlich (sogar gelb) oder dunkelgrün zu sein.

Oxidationszustände

Wie bereits erläutert, kann Eisen eine Oxidationsstufe oder -valenz von +2 oder +3 haben. Es ist jedoch auch möglich, dass es an einigen Verbindungen mit einer Wertigkeit von 0 teilnimmt; das heißt, es gehen keine Elektronen verloren.

Bei dieser Art von Verbindungen ist Eisen in seiner rohen Form beteiligt. Beispielsweise besteht Fe (CO) 5, Eisenpentacarbonyl, aus einem Öl, das durch Erhitzen von porösem Eisen mit Kohlenmonoxid erhalten wird. Die CO-Moleküle befinden sich in den Hohlräumen der Flüssigkeit, wobei das Fe mit fünf davon koordiniert ist (Fe-C = O).

Oxidations- und Reduktionsmittel

Welches der Kationen Fe2 + oder Fe3 + verhält sich als Oxidations- oder Reduktionsmittel? Fe2 + in saurem Medium oder in Gegenwart von Sauerstoff verliert ein Elektron, um Fe3 + zu werden; Daher ist es ein Reduktionsmittel:

Fe2 + => Fe3 + + e-

Und Fe3 + verhält sich als Oxidationsmittel in einem basischen Medium:

Fe3 + + e- => Fe2 +

Oder sogar:

Fe3 + + 3e- => Glaube

Chemische Struktur

Eisen bildet polymorphe Feststoffe, dh seine Metallatome können unterschiedliche Kristallstrukturen annehmen. Bei Raumtemperatur kristallisieren seine Atome in der Einheit bcc: kubisch im Körper zentriert ( Body Centered Cubic ). Diese feste Phase ist als Ferrit Feα bekannt.

Diese bcc-Struktur kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass Eisen ein Metall der Konfiguration d6 mit einer elektronischen Lücke von vier Elektronen ist.

Wenn die Temperatur steigt, vibrieren die Fe-Atome aufgrund des thermischen Effekts und nehmen nach 906 ° C eine kompakte kubische ccp: Cubic Closest Packed-Struktur an . Es ist das Fe & ggr ;, das bei einer Temperatur von 1401 ° C in die Fe & agr; -Phase zurückkehrt. Nach dieser Temperatur schmilzt das Eisen bei 1535ºC.

Und was ist mit dem Druckanstieg? Wenn dies zunimmt, zwingt es die Kristallatome, sich in eine dichtere Struktur zu "quetschen": Feβ. Dieses Polymorph hat eine hcp: hexagonale Kompaktstruktur ( Hexagonal Closed Pack ).

Verwendet / Anwendungen

Strukturelle

Eisen allein hat nur wenige Anwendungen. Wenn es jedoch mit einem anderen Metall (oder einer anderen Legierung wie Zinn) beschichtet wird, ist es vor Korrosion geschützt. Eisen ist somit ein Baumaterial, das in Gebäuden, Brücken, Toren, Statuen, Automobilen, Maschinen, Transformatoren usw. vorhanden ist.

Bei Zusatz geringer Mengen Kohlenstoff und anderer Metalle werden deren mechanische Eigenschaften verstärkt. Diese Arten von Legierungen sind als Stähle bekannt. Stähle bauen fast alle Industrien und ihre Werkstoffe.

Andererseits wurde Eisen, gemischt mit anderen Metallen (einige der seltenen Erden), zur Herstellung von Magneten verwendet, die in elektronischen Geräten verwendet werden.

Biologisch

Eisen spielt eine wesentliche Rolle im Leben. In unserem Körper ist es Teil einiger Proteine, einschließlich des Enzyms Hämoglobin.

Ohne das Hämoglobin, das dank seines metallischen Zentrums aus Fe3 + Sauerstoffträger ist, könnte Sauerstoff nicht in verschiedene Körperregionen transportiert werden, da er im Wasser sehr unlöslich ist.

Hämoglobin wandert durch das Blut zu den Muskelzellen, wo der pH-Wert sauer ist und höhere CO 2 -Konzentrationen im Überfluss vorhanden sind. Hier läuft der umgekehrte Prozess ab, dh Sauerstoff wird aufgrund der Bedingungen und seiner geringen Konzentration in diesen Zellen freigesetzt. Dieses Enzym kann insgesamt vier O 2 -Moleküle transportieren.

Wie kriegst du das hin?

Aufgrund seiner Reaktivität kommt es in der Erdkruste vor und bildet Oxide, Sulfide oder andere Mineralien. Daher können einige von ihnen als Rohmaterial verwendet werden; Alles wird von den Kosten und den Schwierigkeiten abhängen, Eisen in seiner chemischen Umgebung zu reduzieren.

Industriell ist die Reduktion von Eisenoxiden praktikabler als von deren Sulfiden. Hämatit und Magnetit, Fe 3 O 4, sind die Hauptquellen dieses Metalls, die mit Kohlenstoff (in Form von Koks) umgesetzt werden.

Das durch dieses Verfahren erhaltene Eisen ist flüssig und glühend und wird in Barren von Barren (wie eine Lavakaskade) entleert. Auch können große Mengen an Gasen entstehen, die die Umwelt schädigen können. Bei der Gewinnung von Eisen sind daher viele Faktoren zu berücksichtigen.

Reaktionen in den Öfen

Ohne Nennung der Details ihrer Gewinnung und ihres Transports werden diese Oxide zusammen mit Koks und Kalkstein (CaCO 3 ) in Hochöfen überführt. Die extrahierten Oxide tragen alle Arten von Verunreinigungen, die mit dem bei der thermischen Zersetzung von CaCO 3 freigesetzten CaO reagieren.

Sobald die Rohstoffcharge in den Ofen gefüllt ist, fließt in ihrem unteren Teil ein Luftstrom mit 2000 ° C, der den Koks zu Kohlenmonoxid verbrennt:

2C (s) + O 2 (g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Dieses CO steigt auf die Oberseite des Ofens, wo es auf den Hämatit trifft und diesen reduziert:

3Fe 2 O 3 (s) + CO (g) => 2Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) (200 ° C)

Im Magnetit befinden sich Fe2 + -Ionen, Produkte der Reduktion von Fe3 + mit CO. Dann wird dieses Produkt mit mehr CO weiter reduziert:

Fe 3 O 4 (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + CO 2 (g) (700 ° C)

Schließlich wird das FeO zu metallischem Eisen reduziert, das aufgrund der hohen Ofentemperaturen schmilzt:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO 2 (g)

Glaube (n) => Glaube (l)

Gleichzeitig reagiert das CaO mit den Silikaten und Verunreinigungen und bildet eine sogenannte flüssige Schlacke. Diese Schlacke ist weniger dicht als flüssiges Eisen, weshalb sie darüber schwimmt und sich beide Phasen trennen können.