Eisen: Elementeigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten

Was ist Eisen?

--Eisen das Element

Eisen (Fe) ist das häufigste und allgegenwärtigste Element auf der Erde und die Grundlage des menschlichen technischen Fortschritts. Eisen ist ein Übergangselement, das vorwiegend in Form von Mineralien wie Hämatit (Fe₂O₃) und Magnetit (Fe₃O₄) in der Erdkruste vorkommt. Abgesehen von der industriellen Nutzung ist Eisen für lebende Organismen unentbehrlich, da es eine grundlegende Rolle bei biologischen Prozessen spielt. Beim Menschen zum Beispiel ist es ein wichtiger Bestandteil des Hämoglobins, des Proteins der roten Blutkörperchen, das für den Sauerstofftransport benötigt wird. Die doppelte Bedeutung des Eisens - biologisch und technisch - ist ein Grund dafür, dass es zu den wertvollsten Elementen gehört, mit denen der Mensch vertraut ist.

-Eisenmetalle und -legierungen

Eisenlegierungen und -metalle sind die Grundlage der modernen Industrie- und Ingenieurskunst. Reines Eisen ist sehr dehnbar und weich, aber wenn es mit anderen Elementen gemischt wird, wird es stärker, haltbarer, verschleiß- und korrosionsbeständiger. Zwei Hauptklassen sind Stahl und Gusseisen, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen haben.

Geschichte des Eisens

Eisen ist seit jeher ein lebenswichtiges Element für die Menschheit. Die Eisenzeit, die etwa 1200 v. Chr. begann, war eine Zeit der Revolution, als die Menschen von Bronze zu Werkzeugen und Waffen aus Eisen übergingen, was Landwirtschaft, Krieg und Bauwesen veränderte. Im Laufe der Jahrhunderte ermöglichten Veredelungsprozesse wie das Schmelzen und Legieren den Menschen eine bessere Kontrolle über das Eisen, so dass heute eine breite Palette von Metallen und Legierungen auf Eisenbasis verwendet wird.

Eigenschaften von Eisenlegierungen und Metallen

-chemische Eigenschaften Beschreibung

Chemisch gesehen ist Eisen sehr reaktionsfreudig, insbesondere in Verbindung mit Sauerstoff, was zur Bildung von Eisenoxiden führt, die gemeinhin als Rost bekannt sind. Rostbildung ist vielleicht eines der größten Probleme bei der Verwendung und Lagerung von Produkten auf Eisenbasis. Eisen enthält in der Regel zwei stabile Oxidationszahlen: +2 (eisenhaltig) und +3 (eisenhaltig). Diese Oxidationszahlen sind für die meisten chemischen Reaktionen entscheidend, z. B. wenn es mit Säuren reagiert.

Wenn Eisen beispielsweise mit Salzsäure behandelt wird, reagiert es unter Bildung von Eisenchlorid und Wasserstoffgas. Bei hohen Temperaturen reagiert Eisen mit Kohlenstoff zu Stahl, der Grundlage des modernen Bauwesens und der Fertigung. Reines Eisen ist weniger reaktionsfreudig als seine Legierungen, aber atmosphärische Bedingungen und das Einbringen von Verunreinigungen können sein chemisches Verhalten erheblich beeinflussen.

--Tabelle der physikalischen Eigenschaften

Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Stahlerzeugung und andere allgemeine Verwendungen von Eisen

Die wichtigste industrielle Anwendung von Eisen ist die Herstellung von Stahl, dem am weitesten verbreiteten Metall, das im Bauwesen, im Verkehr und im Maschinenbau eingesetzt wird. Stahl verbindet die Härte und Festigkeit des Eisens mit Duktilität und kann für Konstruktionsteile wie Träger, Stangen und Platten verwendet werden. Gusseisen ist ebenfalls ein wichtiges Produkt, das wegen seiner Wärmeleitfähigkeit und Druckfestigkeit geschätzt wird. Gusseisen findet Anwendung in Motorblöcken, Rohren, Kochgeschirr und schweren Maschinen.

Eisen ist auch in biologischer Hinsicht von entscheidender Bedeutung. Es ist ein wesentlicher Bestandteil von Hämoglobin und Myoglobin, Blut- und Muskelproteinen, die für die Sauerstoffversorgung verantwortlich sind. Ohne Eisen sind Menschen und andere Organismen anfällig für Krankheiten wie Anämie, die die Sauerstoffversorgung und die Energieproduktion beeinträchtigen.

Aufbereitungsmethoden

Die industrielle Produktion von Eisen beginnt in der Regel mit Eisenerz, das durch Schmelzen gewonnen und gereinigt wird. Es wird mit Koks (Kohlenstoff) und Kalkstein in einem Hochofen verhüttet. Durch die große Hitze wird das Eisenerz von Verunreinigungen getrennt, und es entsteht geschmolzenes Eisen. Es kann gereinigt oder zu Stahl oder anderen Eisenverbindungen verarbeitet werden.

Direktreduktionsverfahren sind in den letzten Jahren als umweltfreundlichere Alternativen immer beliebter geworden. Bei Direktreduktionsverfahren wird das Erz mit Wasserstoff oder anderen Reduktionsmitteln reduziert, um das Eisen zu gewinnen, wobei weniger Kohlenstoffemissionen entstehen als bei der Verhüttung.

Häufig gestellte Fragen

Wofür wird Eisen in der Industrie hauptsächlich verwendet?

Der größte Teil des Eisens wird für die Stahlproduktion verwendet, die wegen ihrer Festigkeit, Flexibilität und Zuverlässigkeit im Bauwesen, im Transportwesen und in der Fertigung geschätzt wird.

Wie unterscheidet sich Gusseisen von Stahl?

Gusseisen enthält mehr Kohlenstoff, was es spröde macht, aber ideal für die Verwendung unter Druck und die Speicherung von Wärme ist. Stahl ist fester und haltbarer und kann für mehr Anwendungen im Bauwesen und in der Mechanik eingesetzt werden.

Welche Umweltprobleme gibt es bei der Herstellung von Eisen?

Die veraltete Verhüttung verursacht CO₂-Emissionen und Abfallentsorgung. Neue Methoden, wie die Direktreduktion mit Wasserstoff, minimieren die Umweltauswirkungen.

Wie funktioniert Eisen im menschlichen Körper?

Eisen ist notwendig für die Bildung von Hämoglobin, das den Sauerstoff in den roten Blutkörperchen transportiert. Eine gesunde Eisenzufuhr ist notwendig, um gesundes Blut zu erhalten und Anämie zu verhindern.