Eisen · Web viewChemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei...
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Philipps-Universitaumlt Marburg Fachbereich Chemie
Leitung Prof Dr B Neumuumlller Dr P Reiszlig
Ausarbeitungzur Uumlbung im Experimentalvortrag
uumlber
Eisenvon Siegrid Heinlein
WS 0708
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Inhaltsverzeichnis
Geschichtliches 3
Allgemeines3
Physiologisches 4
Vorkommen 4
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid6
Gewinnung8
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab11
Stahlherstellung 13
Oxidation von Eisen 14
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)15
Korrosion von Eisen17
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen18
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels20
Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen22
Demo 2 Edison-Akku 22
Komplexe mit Eisen25
Versuch 5 Gallustinte25
Schulrelevanz27
Quellennachweis28
2
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Geschichtliches Die Geschichte der Nutzung von Eisen reicht schon viele Jahre zuruumlck Vor ca 6000 Jahren
war Eisen schon als Meteoreisen bekannt Schon seit 3000 v Chr wird wie heute Eisen durch
Erhitzen von Eisenerzen mit Kohle dargestellt Erste Hochoumlfen gab es aber erst im 14
Jahrhundert Die Hethiter in Kleinasien waren schon um 3000 v Chr mit der Kunst des
Eisenschmelzens und der Eisenverarbeitung vertraut und huumlteten dieses Wissen als
Geheimnis Mit dem Zerfall des hethitischen Reiches ab ca 1200 v Chr breitete sich das
Wissen uumlber Eisen aus womit die Eisenzeit begann In Mitteleuropa wurde Eisen erst 800 v
Chr genutzt Die Verwendung von Eisen fuumlhrte zu zahlreichen technischen Verbesserungen
Aber auch die Sozialstruktur wurde dadurch nachhaltig beeinflusst da die bronzezeitlichen
Eliten an Macht verloren Der Begriff Eisen stammt aus dem Gotischen (bdquoisarnldquo) und
bedeutet bdquofestes Metallldquo was im Gegensatz zur weichen Bronze stand Das chemische
Symbol Fe leitet sich von dem lateinischen Wort bdquoferrumldquo ab
Allgemeines Das metallisch silberweiszlige Eisen hat die Ordnungszahl 26 und befindet sich in der 8
Nebengruppe und der 4 Periode des Periodensystems der Elemente Mit den Elementen
Cobalt und Nickel bildet es die sogenannte Eisengruppe Eisen hat ein Atomgewicht von
55847 Das Metall kann die Wertigkeiten 0 +2 +3 seltener auch +4 und +6 annehmen Der
Schmelzpunkt von Eisen liegt bei 1535degC und der Siedepunkt bei ~3000degC Es gibt in der
Natur vier Isotope von Eisen Das haumlufigste Isotop ist 56 welches 9166 des Gesamteisens
ausmacht Daneben existieren die Isotope 54 57 und 58 Es gibt drei enantiotrope
Modifikationen von Eisen α-Eisen (kubisch-raumzentriert ferromagnetisch) γ-Eisen
(kubisch-dichtest paramagnetisch) und δ-Eisen (kubisch-raumzentriert paramagnetisch
Unter 906degC liegt Eisen in der α-Modifikation daruumlber als γ-Eisen und bei einer Temperatur
von uumlber 1401degC bildet sich δ-Eisen welches bei uumlber 1535degC schmilzt
Reines Eisen ist relativ weich dehnbar und reaktionsfreudig Es ist ferromagnetisch und weist
gute Waumlrme- und Stromleitfaumlhigkeit auf Verbindungen mit Eisen(II) sind
Elektronendonatoren und wirken daher reduzierend Eisen(III)-Verbindungen hingegen
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wirken oxidierend Auf diesem Wechsel der Wertigkeiten beruht auch die Rolle von Eisen in
Redoxenzymen verschiedener Organismen wie zB beim Haumlmoglobin
Technisches Eisen ist im Groszligen und Ganzen eine Legierung von Eisen mit Kohlenstoff Es
laumlsst sich zwischen nicht schmiedbarem Roheisen was auf einem recht hohen C-Gehalts
beruht und schmiedbarem Stahl (C-Gehalt bis 21) unterschieden Chemisch reines Eisen
wurde erstmals 1938 im spektralen Reinheitsgrad hergestellt
Neben Kohlenstoff enthalten die im taumlglichen Leben verwendeten Eisen- u Stahlsorten als
weitere Legierungsbestandteile Silicium Mangan Schwefel und Phosphor Bei den
Edelstaumlhlen werden die technischen Eigenschaften des Eisens auszligerdem noch durch Zusaumltze
von Aluminium Chrom Mangan Molybdaumln Nickel Tantal Titan Vanadium Silicium
Cobalt Niob Wolfram usw verbessert Eisen ist das einzige Metall dessen Eigenschaften
durch Legierungsmaszlignahmen Waumlrmebehandlung oder Haumlrtung in solch auszligerordentlichem
Umfang veraumlnderbar sind Die Zahl der Eisen- u Stahlsorten geht in die Tausende
PhysiologischesEisen ist in ionischer Form (Fe2+ Fe3+) fuumlr alle Organismen essentiell Der menschliche Koumlrper
enthaumllt ca 60 mg pro kg Der taumlgliche Bedarf liegt bei Maumlnnern bei 5-9 mg und bei Frauen im
gebaumlrfaumlhigen Alter bei 14-28 mg Das Eisen wird durch die Magensaumlure aus der Nahrung
herausgeloumlst teilweise im Darm resorbiert dann als bdquoPlasmaeisenldquo ins Blut transportiert und
zum Aufbau von Haumlmoglobin (enthaumllt 75 des menschlichen Eisens) Myoglobin Catalase
und anderen Enzymen genutzt die wichtige Funktionen in Atmungs- und anderen
Sauerstofftransportvorgaumlngen ausuumlben In Pflanzen wird durch Eisen-haltige Enzyme die
Photosynthese sowie die Chlorophyllbildung beeinflusst Neben Molybdaumln ist Eisen auch in
der fuumlr die Stickstofffixierung verantwortlichen Nitrogenase wichtig
VorkommenEisen ist wahrscheinlich das haumlufigste Element unseres Erdballs und das Isotop 56 die
verbreiteteste Atomsorte der Erde Waumlhrend die obersten 16 km der festen Erdkruste zu nur
etwa 47 aus Eisen bestehen wird der Eisenanteil des ganzen Erdballs aufgrund des
eisenreichen Erdkerns auf 37 geschaumltzt Dass Eisen auch beim Aufbau der uumlbrigen
Himmelskoumlrper in starkem Maszlige Anteil hat geht aus den Meteoriten hervor von denen
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etwa die Haumllfte vorwiegend aus Eisen (rund 90 Fe) bestehen Mit Hilfe der Spektralanalyse
hat man Eisen-Daumlmpfe auf der Sonne und vielen Fixsternen festgestellt Auch der Mars
besitzt einen Eisenkern der allerdings schon erstarrt ist Auf der Erde enthaumllt das
hauptsaumlchlich aus Granit bestehende Grundgebirge etwa 25 Eisen in Form von
Verbindungen Dieses wandert bei der Verwitterung in die meist aus Kalk Sandstein und Ton
bestehenden Sedimentgesteine Sandsteine sind aufgrund von Eisen-Verbindungen haumlufig
rot (Buntsandstein) Tone Lehme Kalke und Mergel roumltlich braumlunlich blaumlulich od gelblich
gefaumlrbt Da Eisen zu den unedlen Metallen gehoumlrt kommt es in der Natur fast nie gediegen
sondern uumlberwiegend in Verbindungen vor Dabei handelt es sich zumindest in den
zugaumlnglichen Teilen der Erdkruste meist um Oxide seltener um Sulfide Carbonate und
dergleichen Waumlhrend der Erdgeschichte haben sich Eisenverbindungen an einzelnen Stellen
in houmlheren Konzentrationen angereichert Wenn Gesteine etwa 20 und mehr Prozent Eisen
enthalten bezeichnet man sie als Eisenerze Die wichtigsten Bestandteile der verschiedenen
Eisenerze sind die Eisenminerale Magnetit Haumlmatit wasserhaltiger Haumlmatit in Form von
Goethit und Limonit Siderit (Eisenspat) und der sehr verbreitete erst nach Roumlstung
verarbeitbare Pyrit Die Weltreserven wurden 1975 auf 100 Mrd t Erz geschaumltzt jedoch
werden immer wieder neue Lagerstaumltten entdeckt
Es ist als zweithaumlufigstes Metall der Erde Bestandteil vieler Erze
- Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4
- Roteisenstein Fe2O3
- Brauneisenstein Fe2O3 bull x H2O
- Siderit FeCO3
- Pyrit FeS2
- Magnetkies Fe1-xS
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Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
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Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
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Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
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Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
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Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
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Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
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Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
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Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
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Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
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Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
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Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Inhaltsverzeichnis
Geschichtliches 3
Allgemeines3
Physiologisches 4
Vorkommen 4
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid6
Gewinnung8
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab11
Stahlherstellung 13
Oxidation von Eisen 14
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)15
Korrosion von Eisen17
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen18
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels20
Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen22
Demo 2 Edison-Akku 22
Komplexe mit Eisen25
Versuch 5 Gallustinte25
Schulrelevanz27
Quellennachweis28
2
3
Geschichtliches Die Geschichte der Nutzung von Eisen reicht schon viele Jahre zuruumlck Vor ca 6000 Jahren
war Eisen schon als Meteoreisen bekannt Schon seit 3000 v Chr wird wie heute Eisen durch
Erhitzen von Eisenerzen mit Kohle dargestellt Erste Hochoumlfen gab es aber erst im 14
Jahrhundert Die Hethiter in Kleinasien waren schon um 3000 v Chr mit der Kunst des
Eisenschmelzens und der Eisenverarbeitung vertraut und huumlteten dieses Wissen als
Geheimnis Mit dem Zerfall des hethitischen Reiches ab ca 1200 v Chr breitete sich das
Wissen uumlber Eisen aus womit die Eisenzeit begann In Mitteleuropa wurde Eisen erst 800 v
Chr genutzt Die Verwendung von Eisen fuumlhrte zu zahlreichen technischen Verbesserungen
Aber auch die Sozialstruktur wurde dadurch nachhaltig beeinflusst da die bronzezeitlichen
Eliten an Macht verloren Der Begriff Eisen stammt aus dem Gotischen (bdquoisarnldquo) und
bedeutet bdquofestes Metallldquo was im Gegensatz zur weichen Bronze stand Das chemische
Symbol Fe leitet sich von dem lateinischen Wort bdquoferrumldquo ab
Allgemeines Das metallisch silberweiszlige Eisen hat die Ordnungszahl 26 und befindet sich in der 8
Nebengruppe und der 4 Periode des Periodensystems der Elemente Mit den Elementen
Cobalt und Nickel bildet es die sogenannte Eisengruppe Eisen hat ein Atomgewicht von
55847 Das Metall kann die Wertigkeiten 0 +2 +3 seltener auch +4 und +6 annehmen Der
Schmelzpunkt von Eisen liegt bei 1535degC und der Siedepunkt bei ~3000degC Es gibt in der
Natur vier Isotope von Eisen Das haumlufigste Isotop ist 56 welches 9166 des Gesamteisens
ausmacht Daneben existieren die Isotope 54 57 und 58 Es gibt drei enantiotrope
Modifikationen von Eisen α-Eisen (kubisch-raumzentriert ferromagnetisch) γ-Eisen
(kubisch-dichtest paramagnetisch) und δ-Eisen (kubisch-raumzentriert paramagnetisch
Unter 906degC liegt Eisen in der α-Modifikation daruumlber als γ-Eisen und bei einer Temperatur
von uumlber 1401degC bildet sich δ-Eisen welches bei uumlber 1535degC schmilzt
Reines Eisen ist relativ weich dehnbar und reaktionsfreudig Es ist ferromagnetisch und weist
gute Waumlrme- und Stromleitfaumlhigkeit auf Verbindungen mit Eisen(II) sind
Elektronendonatoren und wirken daher reduzierend Eisen(III)-Verbindungen hingegen
4
wirken oxidierend Auf diesem Wechsel der Wertigkeiten beruht auch die Rolle von Eisen in
Redoxenzymen verschiedener Organismen wie zB beim Haumlmoglobin
Technisches Eisen ist im Groszligen und Ganzen eine Legierung von Eisen mit Kohlenstoff Es
laumlsst sich zwischen nicht schmiedbarem Roheisen was auf einem recht hohen C-Gehalts
beruht und schmiedbarem Stahl (C-Gehalt bis 21) unterschieden Chemisch reines Eisen
wurde erstmals 1938 im spektralen Reinheitsgrad hergestellt
Neben Kohlenstoff enthalten die im taumlglichen Leben verwendeten Eisen- u Stahlsorten als
weitere Legierungsbestandteile Silicium Mangan Schwefel und Phosphor Bei den
Edelstaumlhlen werden die technischen Eigenschaften des Eisens auszligerdem noch durch Zusaumltze
von Aluminium Chrom Mangan Molybdaumln Nickel Tantal Titan Vanadium Silicium
Cobalt Niob Wolfram usw verbessert Eisen ist das einzige Metall dessen Eigenschaften
durch Legierungsmaszlignahmen Waumlrmebehandlung oder Haumlrtung in solch auszligerordentlichem
Umfang veraumlnderbar sind Die Zahl der Eisen- u Stahlsorten geht in die Tausende
PhysiologischesEisen ist in ionischer Form (Fe2+ Fe3+) fuumlr alle Organismen essentiell Der menschliche Koumlrper
enthaumllt ca 60 mg pro kg Der taumlgliche Bedarf liegt bei Maumlnnern bei 5-9 mg und bei Frauen im
gebaumlrfaumlhigen Alter bei 14-28 mg Das Eisen wird durch die Magensaumlure aus der Nahrung
herausgeloumlst teilweise im Darm resorbiert dann als bdquoPlasmaeisenldquo ins Blut transportiert und
zum Aufbau von Haumlmoglobin (enthaumllt 75 des menschlichen Eisens) Myoglobin Catalase
und anderen Enzymen genutzt die wichtige Funktionen in Atmungs- und anderen
Sauerstofftransportvorgaumlngen ausuumlben In Pflanzen wird durch Eisen-haltige Enzyme die
Photosynthese sowie die Chlorophyllbildung beeinflusst Neben Molybdaumln ist Eisen auch in
der fuumlr die Stickstofffixierung verantwortlichen Nitrogenase wichtig
VorkommenEisen ist wahrscheinlich das haumlufigste Element unseres Erdballs und das Isotop 56 die
verbreiteteste Atomsorte der Erde Waumlhrend die obersten 16 km der festen Erdkruste zu nur
etwa 47 aus Eisen bestehen wird der Eisenanteil des ganzen Erdballs aufgrund des
eisenreichen Erdkerns auf 37 geschaumltzt Dass Eisen auch beim Aufbau der uumlbrigen
Himmelskoumlrper in starkem Maszlige Anteil hat geht aus den Meteoriten hervor von denen
5
etwa die Haumllfte vorwiegend aus Eisen (rund 90 Fe) bestehen Mit Hilfe der Spektralanalyse
hat man Eisen-Daumlmpfe auf der Sonne und vielen Fixsternen festgestellt Auch der Mars
besitzt einen Eisenkern der allerdings schon erstarrt ist Auf der Erde enthaumllt das
hauptsaumlchlich aus Granit bestehende Grundgebirge etwa 25 Eisen in Form von
Verbindungen Dieses wandert bei der Verwitterung in die meist aus Kalk Sandstein und Ton
bestehenden Sedimentgesteine Sandsteine sind aufgrund von Eisen-Verbindungen haumlufig
rot (Buntsandstein) Tone Lehme Kalke und Mergel roumltlich braumlunlich blaumlulich od gelblich
gefaumlrbt Da Eisen zu den unedlen Metallen gehoumlrt kommt es in der Natur fast nie gediegen
sondern uumlberwiegend in Verbindungen vor Dabei handelt es sich zumindest in den
zugaumlnglichen Teilen der Erdkruste meist um Oxide seltener um Sulfide Carbonate und
dergleichen Waumlhrend der Erdgeschichte haben sich Eisenverbindungen an einzelnen Stellen
in houmlheren Konzentrationen angereichert Wenn Gesteine etwa 20 und mehr Prozent Eisen
enthalten bezeichnet man sie als Eisenerze Die wichtigsten Bestandteile der verschiedenen
Eisenerze sind die Eisenminerale Magnetit Haumlmatit wasserhaltiger Haumlmatit in Form von
Goethit und Limonit Siderit (Eisenspat) und der sehr verbreitete erst nach Roumlstung
verarbeitbare Pyrit Die Weltreserven wurden 1975 auf 100 Mrd t Erz geschaumltzt jedoch
werden immer wieder neue Lagerstaumltten entdeckt
Es ist als zweithaumlufigstes Metall der Erde Bestandteil vieler Erze
- Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4
- Roteisenstein Fe2O3
- Brauneisenstein Fe2O3 bull x H2O
- Siderit FeCO3
- Pyrit FeS2
- Magnetkies Fe1-xS
6
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
7
Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
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(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
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Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
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Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
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Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
3
Geschichtliches Die Geschichte der Nutzung von Eisen reicht schon viele Jahre zuruumlck Vor ca 6000 Jahren
war Eisen schon als Meteoreisen bekannt Schon seit 3000 v Chr wird wie heute Eisen durch
Erhitzen von Eisenerzen mit Kohle dargestellt Erste Hochoumlfen gab es aber erst im 14
Jahrhundert Die Hethiter in Kleinasien waren schon um 3000 v Chr mit der Kunst des
Eisenschmelzens und der Eisenverarbeitung vertraut und huumlteten dieses Wissen als
Geheimnis Mit dem Zerfall des hethitischen Reiches ab ca 1200 v Chr breitete sich das
Wissen uumlber Eisen aus womit die Eisenzeit begann In Mitteleuropa wurde Eisen erst 800 v
Chr genutzt Die Verwendung von Eisen fuumlhrte zu zahlreichen technischen Verbesserungen
Aber auch die Sozialstruktur wurde dadurch nachhaltig beeinflusst da die bronzezeitlichen
Eliten an Macht verloren Der Begriff Eisen stammt aus dem Gotischen (bdquoisarnldquo) und
bedeutet bdquofestes Metallldquo was im Gegensatz zur weichen Bronze stand Das chemische
Symbol Fe leitet sich von dem lateinischen Wort bdquoferrumldquo ab
Allgemeines Das metallisch silberweiszlige Eisen hat die Ordnungszahl 26 und befindet sich in der 8
Nebengruppe und der 4 Periode des Periodensystems der Elemente Mit den Elementen
Cobalt und Nickel bildet es die sogenannte Eisengruppe Eisen hat ein Atomgewicht von
55847 Das Metall kann die Wertigkeiten 0 +2 +3 seltener auch +4 und +6 annehmen Der
Schmelzpunkt von Eisen liegt bei 1535degC und der Siedepunkt bei ~3000degC Es gibt in der
Natur vier Isotope von Eisen Das haumlufigste Isotop ist 56 welches 9166 des Gesamteisens
ausmacht Daneben existieren die Isotope 54 57 und 58 Es gibt drei enantiotrope
Modifikationen von Eisen α-Eisen (kubisch-raumzentriert ferromagnetisch) γ-Eisen
(kubisch-dichtest paramagnetisch) und δ-Eisen (kubisch-raumzentriert paramagnetisch
Unter 906degC liegt Eisen in der α-Modifikation daruumlber als γ-Eisen und bei einer Temperatur
von uumlber 1401degC bildet sich δ-Eisen welches bei uumlber 1535degC schmilzt
Reines Eisen ist relativ weich dehnbar und reaktionsfreudig Es ist ferromagnetisch und weist
gute Waumlrme- und Stromleitfaumlhigkeit auf Verbindungen mit Eisen(II) sind
Elektronendonatoren und wirken daher reduzierend Eisen(III)-Verbindungen hingegen
4
wirken oxidierend Auf diesem Wechsel der Wertigkeiten beruht auch die Rolle von Eisen in
Redoxenzymen verschiedener Organismen wie zB beim Haumlmoglobin
Technisches Eisen ist im Groszligen und Ganzen eine Legierung von Eisen mit Kohlenstoff Es
laumlsst sich zwischen nicht schmiedbarem Roheisen was auf einem recht hohen C-Gehalts
beruht und schmiedbarem Stahl (C-Gehalt bis 21) unterschieden Chemisch reines Eisen
wurde erstmals 1938 im spektralen Reinheitsgrad hergestellt
Neben Kohlenstoff enthalten die im taumlglichen Leben verwendeten Eisen- u Stahlsorten als
weitere Legierungsbestandteile Silicium Mangan Schwefel und Phosphor Bei den
Edelstaumlhlen werden die technischen Eigenschaften des Eisens auszligerdem noch durch Zusaumltze
von Aluminium Chrom Mangan Molybdaumln Nickel Tantal Titan Vanadium Silicium
Cobalt Niob Wolfram usw verbessert Eisen ist das einzige Metall dessen Eigenschaften
durch Legierungsmaszlignahmen Waumlrmebehandlung oder Haumlrtung in solch auszligerordentlichem
Umfang veraumlnderbar sind Die Zahl der Eisen- u Stahlsorten geht in die Tausende
PhysiologischesEisen ist in ionischer Form (Fe2+ Fe3+) fuumlr alle Organismen essentiell Der menschliche Koumlrper
enthaumllt ca 60 mg pro kg Der taumlgliche Bedarf liegt bei Maumlnnern bei 5-9 mg und bei Frauen im
gebaumlrfaumlhigen Alter bei 14-28 mg Das Eisen wird durch die Magensaumlure aus der Nahrung
herausgeloumlst teilweise im Darm resorbiert dann als bdquoPlasmaeisenldquo ins Blut transportiert und
zum Aufbau von Haumlmoglobin (enthaumllt 75 des menschlichen Eisens) Myoglobin Catalase
und anderen Enzymen genutzt die wichtige Funktionen in Atmungs- und anderen
Sauerstofftransportvorgaumlngen ausuumlben In Pflanzen wird durch Eisen-haltige Enzyme die
Photosynthese sowie die Chlorophyllbildung beeinflusst Neben Molybdaumln ist Eisen auch in
der fuumlr die Stickstofffixierung verantwortlichen Nitrogenase wichtig
VorkommenEisen ist wahrscheinlich das haumlufigste Element unseres Erdballs und das Isotop 56 die
verbreiteteste Atomsorte der Erde Waumlhrend die obersten 16 km der festen Erdkruste zu nur
etwa 47 aus Eisen bestehen wird der Eisenanteil des ganzen Erdballs aufgrund des
eisenreichen Erdkerns auf 37 geschaumltzt Dass Eisen auch beim Aufbau der uumlbrigen
Himmelskoumlrper in starkem Maszlige Anteil hat geht aus den Meteoriten hervor von denen
5
etwa die Haumllfte vorwiegend aus Eisen (rund 90 Fe) bestehen Mit Hilfe der Spektralanalyse
hat man Eisen-Daumlmpfe auf der Sonne und vielen Fixsternen festgestellt Auch der Mars
besitzt einen Eisenkern der allerdings schon erstarrt ist Auf der Erde enthaumllt das
hauptsaumlchlich aus Granit bestehende Grundgebirge etwa 25 Eisen in Form von
Verbindungen Dieses wandert bei der Verwitterung in die meist aus Kalk Sandstein und Ton
bestehenden Sedimentgesteine Sandsteine sind aufgrund von Eisen-Verbindungen haumlufig
rot (Buntsandstein) Tone Lehme Kalke und Mergel roumltlich braumlunlich blaumlulich od gelblich
gefaumlrbt Da Eisen zu den unedlen Metallen gehoumlrt kommt es in der Natur fast nie gediegen
sondern uumlberwiegend in Verbindungen vor Dabei handelt es sich zumindest in den
zugaumlnglichen Teilen der Erdkruste meist um Oxide seltener um Sulfide Carbonate und
dergleichen Waumlhrend der Erdgeschichte haben sich Eisenverbindungen an einzelnen Stellen
in houmlheren Konzentrationen angereichert Wenn Gesteine etwa 20 und mehr Prozent Eisen
enthalten bezeichnet man sie als Eisenerze Die wichtigsten Bestandteile der verschiedenen
Eisenerze sind die Eisenminerale Magnetit Haumlmatit wasserhaltiger Haumlmatit in Form von
Goethit und Limonit Siderit (Eisenspat) und der sehr verbreitete erst nach Roumlstung
verarbeitbare Pyrit Die Weltreserven wurden 1975 auf 100 Mrd t Erz geschaumltzt jedoch
werden immer wieder neue Lagerstaumltten entdeckt
Es ist als zweithaumlufigstes Metall der Erde Bestandteil vieler Erze
- Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4
- Roteisenstein Fe2O3
- Brauneisenstein Fe2O3 bull x H2O
- Siderit FeCO3
- Pyrit FeS2
- Magnetkies Fe1-xS
6
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
7
Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Geschichtliches Die Geschichte der Nutzung von Eisen reicht schon viele Jahre zuruumlck Vor ca 6000 Jahren
war Eisen schon als Meteoreisen bekannt Schon seit 3000 v Chr wird wie heute Eisen durch
Erhitzen von Eisenerzen mit Kohle dargestellt Erste Hochoumlfen gab es aber erst im 14
Jahrhundert Die Hethiter in Kleinasien waren schon um 3000 v Chr mit der Kunst des
Eisenschmelzens und der Eisenverarbeitung vertraut und huumlteten dieses Wissen als
Geheimnis Mit dem Zerfall des hethitischen Reiches ab ca 1200 v Chr breitete sich das
Wissen uumlber Eisen aus womit die Eisenzeit begann In Mitteleuropa wurde Eisen erst 800 v
Chr genutzt Die Verwendung von Eisen fuumlhrte zu zahlreichen technischen Verbesserungen
Aber auch die Sozialstruktur wurde dadurch nachhaltig beeinflusst da die bronzezeitlichen
Eliten an Macht verloren Der Begriff Eisen stammt aus dem Gotischen (bdquoisarnldquo) und
bedeutet bdquofestes Metallldquo was im Gegensatz zur weichen Bronze stand Das chemische
Symbol Fe leitet sich von dem lateinischen Wort bdquoferrumldquo ab
Allgemeines Das metallisch silberweiszlige Eisen hat die Ordnungszahl 26 und befindet sich in der 8
Nebengruppe und der 4 Periode des Periodensystems der Elemente Mit den Elementen
Cobalt und Nickel bildet es die sogenannte Eisengruppe Eisen hat ein Atomgewicht von
55847 Das Metall kann die Wertigkeiten 0 +2 +3 seltener auch +4 und +6 annehmen Der
Schmelzpunkt von Eisen liegt bei 1535degC und der Siedepunkt bei ~3000degC Es gibt in der
Natur vier Isotope von Eisen Das haumlufigste Isotop ist 56 welches 9166 des Gesamteisens
ausmacht Daneben existieren die Isotope 54 57 und 58 Es gibt drei enantiotrope
Modifikationen von Eisen α-Eisen (kubisch-raumzentriert ferromagnetisch) γ-Eisen
(kubisch-dichtest paramagnetisch) und δ-Eisen (kubisch-raumzentriert paramagnetisch
Unter 906degC liegt Eisen in der α-Modifikation daruumlber als γ-Eisen und bei einer Temperatur
von uumlber 1401degC bildet sich δ-Eisen welches bei uumlber 1535degC schmilzt
Reines Eisen ist relativ weich dehnbar und reaktionsfreudig Es ist ferromagnetisch und weist
gute Waumlrme- und Stromleitfaumlhigkeit auf Verbindungen mit Eisen(II) sind
Elektronendonatoren und wirken daher reduzierend Eisen(III)-Verbindungen hingegen
4
wirken oxidierend Auf diesem Wechsel der Wertigkeiten beruht auch die Rolle von Eisen in
Redoxenzymen verschiedener Organismen wie zB beim Haumlmoglobin
Technisches Eisen ist im Groszligen und Ganzen eine Legierung von Eisen mit Kohlenstoff Es
laumlsst sich zwischen nicht schmiedbarem Roheisen was auf einem recht hohen C-Gehalts
beruht und schmiedbarem Stahl (C-Gehalt bis 21) unterschieden Chemisch reines Eisen
wurde erstmals 1938 im spektralen Reinheitsgrad hergestellt
Neben Kohlenstoff enthalten die im taumlglichen Leben verwendeten Eisen- u Stahlsorten als
weitere Legierungsbestandteile Silicium Mangan Schwefel und Phosphor Bei den
Edelstaumlhlen werden die technischen Eigenschaften des Eisens auszligerdem noch durch Zusaumltze
von Aluminium Chrom Mangan Molybdaumln Nickel Tantal Titan Vanadium Silicium
Cobalt Niob Wolfram usw verbessert Eisen ist das einzige Metall dessen Eigenschaften
durch Legierungsmaszlignahmen Waumlrmebehandlung oder Haumlrtung in solch auszligerordentlichem
Umfang veraumlnderbar sind Die Zahl der Eisen- u Stahlsorten geht in die Tausende
PhysiologischesEisen ist in ionischer Form (Fe2+ Fe3+) fuumlr alle Organismen essentiell Der menschliche Koumlrper
enthaumllt ca 60 mg pro kg Der taumlgliche Bedarf liegt bei Maumlnnern bei 5-9 mg und bei Frauen im
gebaumlrfaumlhigen Alter bei 14-28 mg Das Eisen wird durch die Magensaumlure aus der Nahrung
herausgeloumlst teilweise im Darm resorbiert dann als bdquoPlasmaeisenldquo ins Blut transportiert und
zum Aufbau von Haumlmoglobin (enthaumllt 75 des menschlichen Eisens) Myoglobin Catalase
und anderen Enzymen genutzt die wichtige Funktionen in Atmungs- und anderen
Sauerstofftransportvorgaumlngen ausuumlben In Pflanzen wird durch Eisen-haltige Enzyme die
Photosynthese sowie die Chlorophyllbildung beeinflusst Neben Molybdaumln ist Eisen auch in
der fuumlr die Stickstofffixierung verantwortlichen Nitrogenase wichtig
VorkommenEisen ist wahrscheinlich das haumlufigste Element unseres Erdballs und das Isotop 56 die
verbreiteteste Atomsorte der Erde Waumlhrend die obersten 16 km der festen Erdkruste zu nur
etwa 47 aus Eisen bestehen wird der Eisenanteil des ganzen Erdballs aufgrund des
eisenreichen Erdkerns auf 37 geschaumltzt Dass Eisen auch beim Aufbau der uumlbrigen
Himmelskoumlrper in starkem Maszlige Anteil hat geht aus den Meteoriten hervor von denen
5
etwa die Haumllfte vorwiegend aus Eisen (rund 90 Fe) bestehen Mit Hilfe der Spektralanalyse
hat man Eisen-Daumlmpfe auf der Sonne und vielen Fixsternen festgestellt Auch der Mars
besitzt einen Eisenkern der allerdings schon erstarrt ist Auf der Erde enthaumllt das
hauptsaumlchlich aus Granit bestehende Grundgebirge etwa 25 Eisen in Form von
Verbindungen Dieses wandert bei der Verwitterung in die meist aus Kalk Sandstein und Ton
bestehenden Sedimentgesteine Sandsteine sind aufgrund von Eisen-Verbindungen haumlufig
rot (Buntsandstein) Tone Lehme Kalke und Mergel roumltlich braumlunlich blaumlulich od gelblich
gefaumlrbt Da Eisen zu den unedlen Metallen gehoumlrt kommt es in der Natur fast nie gediegen
sondern uumlberwiegend in Verbindungen vor Dabei handelt es sich zumindest in den
zugaumlnglichen Teilen der Erdkruste meist um Oxide seltener um Sulfide Carbonate und
dergleichen Waumlhrend der Erdgeschichte haben sich Eisenverbindungen an einzelnen Stellen
in houmlheren Konzentrationen angereichert Wenn Gesteine etwa 20 und mehr Prozent Eisen
enthalten bezeichnet man sie als Eisenerze Die wichtigsten Bestandteile der verschiedenen
Eisenerze sind die Eisenminerale Magnetit Haumlmatit wasserhaltiger Haumlmatit in Form von
Goethit und Limonit Siderit (Eisenspat) und der sehr verbreitete erst nach Roumlstung
verarbeitbare Pyrit Die Weltreserven wurden 1975 auf 100 Mrd t Erz geschaumltzt jedoch
werden immer wieder neue Lagerstaumltten entdeckt
Es ist als zweithaumlufigstes Metall der Erde Bestandteil vieler Erze
- Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4
- Roteisenstein Fe2O3
- Brauneisenstein Fe2O3 bull x H2O
- Siderit FeCO3
- Pyrit FeS2
- Magnetkies Fe1-xS
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Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
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Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
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Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
wirken oxidierend Auf diesem Wechsel der Wertigkeiten beruht auch die Rolle von Eisen in
Redoxenzymen verschiedener Organismen wie zB beim Haumlmoglobin
Technisches Eisen ist im Groszligen und Ganzen eine Legierung von Eisen mit Kohlenstoff Es
laumlsst sich zwischen nicht schmiedbarem Roheisen was auf einem recht hohen C-Gehalts
beruht und schmiedbarem Stahl (C-Gehalt bis 21) unterschieden Chemisch reines Eisen
wurde erstmals 1938 im spektralen Reinheitsgrad hergestellt
Neben Kohlenstoff enthalten die im taumlglichen Leben verwendeten Eisen- u Stahlsorten als
weitere Legierungsbestandteile Silicium Mangan Schwefel und Phosphor Bei den
Edelstaumlhlen werden die technischen Eigenschaften des Eisens auszligerdem noch durch Zusaumltze
von Aluminium Chrom Mangan Molybdaumln Nickel Tantal Titan Vanadium Silicium
Cobalt Niob Wolfram usw verbessert Eisen ist das einzige Metall dessen Eigenschaften
durch Legierungsmaszlignahmen Waumlrmebehandlung oder Haumlrtung in solch auszligerordentlichem
Umfang veraumlnderbar sind Die Zahl der Eisen- u Stahlsorten geht in die Tausende
PhysiologischesEisen ist in ionischer Form (Fe2+ Fe3+) fuumlr alle Organismen essentiell Der menschliche Koumlrper
enthaumllt ca 60 mg pro kg Der taumlgliche Bedarf liegt bei Maumlnnern bei 5-9 mg und bei Frauen im
gebaumlrfaumlhigen Alter bei 14-28 mg Das Eisen wird durch die Magensaumlure aus der Nahrung
herausgeloumlst teilweise im Darm resorbiert dann als bdquoPlasmaeisenldquo ins Blut transportiert und
zum Aufbau von Haumlmoglobin (enthaumllt 75 des menschlichen Eisens) Myoglobin Catalase
und anderen Enzymen genutzt die wichtige Funktionen in Atmungs- und anderen
Sauerstofftransportvorgaumlngen ausuumlben In Pflanzen wird durch Eisen-haltige Enzyme die
Photosynthese sowie die Chlorophyllbildung beeinflusst Neben Molybdaumln ist Eisen auch in
der fuumlr die Stickstofffixierung verantwortlichen Nitrogenase wichtig
VorkommenEisen ist wahrscheinlich das haumlufigste Element unseres Erdballs und das Isotop 56 die
verbreiteteste Atomsorte der Erde Waumlhrend die obersten 16 km der festen Erdkruste zu nur
etwa 47 aus Eisen bestehen wird der Eisenanteil des ganzen Erdballs aufgrund des
eisenreichen Erdkerns auf 37 geschaumltzt Dass Eisen auch beim Aufbau der uumlbrigen
Himmelskoumlrper in starkem Maszlige Anteil hat geht aus den Meteoriten hervor von denen
5
etwa die Haumllfte vorwiegend aus Eisen (rund 90 Fe) bestehen Mit Hilfe der Spektralanalyse
hat man Eisen-Daumlmpfe auf der Sonne und vielen Fixsternen festgestellt Auch der Mars
besitzt einen Eisenkern der allerdings schon erstarrt ist Auf der Erde enthaumllt das
hauptsaumlchlich aus Granit bestehende Grundgebirge etwa 25 Eisen in Form von
Verbindungen Dieses wandert bei der Verwitterung in die meist aus Kalk Sandstein und Ton
bestehenden Sedimentgesteine Sandsteine sind aufgrund von Eisen-Verbindungen haumlufig
rot (Buntsandstein) Tone Lehme Kalke und Mergel roumltlich braumlunlich blaumlulich od gelblich
gefaumlrbt Da Eisen zu den unedlen Metallen gehoumlrt kommt es in der Natur fast nie gediegen
sondern uumlberwiegend in Verbindungen vor Dabei handelt es sich zumindest in den
zugaumlnglichen Teilen der Erdkruste meist um Oxide seltener um Sulfide Carbonate und
dergleichen Waumlhrend der Erdgeschichte haben sich Eisenverbindungen an einzelnen Stellen
in houmlheren Konzentrationen angereichert Wenn Gesteine etwa 20 und mehr Prozent Eisen
enthalten bezeichnet man sie als Eisenerze Die wichtigsten Bestandteile der verschiedenen
Eisenerze sind die Eisenminerale Magnetit Haumlmatit wasserhaltiger Haumlmatit in Form von
Goethit und Limonit Siderit (Eisenspat) und der sehr verbreitete erst nach Roumlstung
verarbeitbare Pyrit Die Weltreserven wurden 1975 auf 100 Mrd t Erz geschaumltzt jedoch
werden immer wieder neue Lagerstaumltten entdeckt
Es ist als zweithaumlufigstes Metall der Erde Bestandteil vieler Erze
- Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4
- Roteisenstein Fe2O3
- Brauneisenstein Fe2O3 bull x H2O
- Siderit FeCO3
- Pyrit FeS2
- Magnetkies Fe1-xS
6
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
7
Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
etwa die Haumllfte vorwiegend aus Eisen (rund 90 Fe) bestehen Mit Hilfe der Spektralanalyse
hat man Eisen-Daumlmpfe auf der Sonne und vielen Fixsternen festgestellt Auch der Mars
besitzt einen Eisenkern der allerdings schon erstarrt ist Auf der Erde enthaumllt das
hauptsaumlchlich aus Granit bestehende Grundgebirge etwa 25 Eisen in Form von
Verbindungen Dieses wandert bei der Verwitterung in die meist aus Kalk Sandstein und Ton
bestehenden Sedimentgesteine Sandsteine sind aufgrund von Eisen-Verbindungen haumlufig
rot (Buntsandstein) Tone Lehme Kalke und Mergel roumltlich braumlunlich blaumlulich od gelblich
gefaumlrbt Da Eisen zu den unedlen Metallen gehoumlrt kommt es in der Natur fast nie gediegen
sondern uumlberwiegend in Verbindungen vor Dabei handelt es sich zumindest in den
zugaumlnglichen Teilen der Erdkruste meist um Oxide seltener um Sulfide Carbonate und
dergleichen Waumlhrend der Erdgeschichte haben sich Eisenverbindungen an einzelnen Stellen
in houmlheren Konzentrationen angereichert Wenn Gesteine etwa 20 und mehr Prozent Eisen
enthalten bezeichnet man sie als Eisenerze Die wichtigsten Bestandteile der verschiedenen
Eisenerze sind die Eisenminerale Magnetit Haumlmatit wasserhaltiger Haumlmatit in Form von
Goethit und Limonit Siderit (Eisenspat) und der sehr verbreitete erst nach Roumlstung
verarbeitbare Pyrit Die Weltreserven wurden 1975 auf 100 Mrd t Erz geschaumltzt jedoch
werden immer wieder neue Lagerstaumltten entdeckt
Es ist als zweithaumlufigstes Metall der Erde Bestandteil vieler Erze
- Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4
- Roteisenstein Fe2O3
- Brauneisenstein Fe2O3 bull x H2O
- Siderit FeCO3
- Pyrit FeS2
- Magnetkies Fe1-xS
6
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
7
Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
Beim Erhitzen von Gemischen aus Fe- u Schwefel-Pulver (74 Gew-Tl) erhaumllt man unreines
Eisensulfid
Chemikalien
Eisenpulver
Schwefel
Geraumlte
Feuerfeste Unterlage
Eisennagel
Bunsenbrenner
Durchfuumlhrung
9 g Eisenpulver und 5 g Schwefelpulver werden gut mit einander vermischt und auf einer
feuerfesten Unterlage (zB Metallplatte) zu einem runden Haufen von ca 1 cm Houmlhe verteilt
Ein Eisendraht wird bis zum Gluumlhen erhitzt und in den Mittelpunkt des Eisen-Schwefel-
Haufens getaucht Der Draht wird dort belassen
7
Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Beobachtung
Die Mischung entzuumlndet sich und eine gluumlhende Zone wandert vom Zuumlndort ausgehend bis
zum Rand
Erlaumluterung
Im Allgemeinen erhaumllt man die Eisenchalkogenide sowohl aus den Elementen als auch durch
Chalkogenierung von Eisenverbindungen
Bei der Reaktion von elementarem Eisen mit Schwefel entsteht Eisenmonosulfid
Ox Fe(s) larrrarr
Fe2+ + 2 e-
Red ⅛ S8 (s) + 2 e- larrrarr
S2-
Gesamtreaktion Fe(s) + ⅛ S8 (s) larrrarr
FeS(s)
Dies ist kommt natuumlrlich in Form von Magnetkiesen vor Bei der technisch Herstellung von
FeS aus Eisenabfaumlllen und Schwefel eine kristalline braunschwarz glaumlnzende Masse die bei
195degC schmilzt
8
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Dies laumlsst sich auch durch Versetzen einer Fe(II)-Salzloumlsung mit (NH4)2S als gruumlnlich-schwarzer
in Saumlure leicht loumlslicher Niederschlag herstellen der im feuchten Zustand an Luft zu Fe(III)-
hydroxid und Schwefel oxidiert Neben FeS gibt es noch weitere Eisensulfide wie
Dieisentrisulfid Fe2S3 Eisendisulfid FeS2 und Trieisentetrasulfid Fe3S4 Man kennt auch Fe3S
GewinnungGroszligtechnisch wird Eisen durch Verhuumlttung von Eisenerzen Eisenschlacken Kiesabbraumlnden
Gichtstaub und durch Umschmelzen von Schrott und Legierungen gewonnen Im
Hochofenprozeszlig erhaumllt man durch Reduktion der Erze mit Koks sogenanntes Roheisen
Moderne Hochoumlfen liefern taumlglich mehr als 10000 t Roheisen Ein kleiner Teil des Roheisens
(enthaumllt noch 2ndash4 C ferner Si P S Mn) wird zu Gusseisen der weitaus groumlszligte Teil (ca
90) jedoch zu Stahl verarbeitet Die Weiterverarbeitung von Roheisen muss nicht am
gleichen Ort wie die Gewinnung stattfinden Mit speziell entwickelten 100ndash200 t fassenden
Eisenbahn-Transportbehaumlltern laumlsst sich 1400degC heiszliges Eisen uumlber laumlngere Strecken
transportieren (zB Bochum ndash Rheinhausen ca 40 km ca 1 Std Fahrzeit Temperaturabfall
ca 5deg) Zunehmende Bedeutung gewinnen die ohne Hochoumlfen arbeitenden Verfahren der
Schmelzreduktion und der Direktreduktion der Eisenerze unterhalb der Schmelztemperatur
der Rohstoffe (900ndash1100deg) bei denen sogenannter Eisen-Schwamm anfaumlllt Bei diesen
Verfahren wird die Reduktion mit Gasen (Erdgas Erdoumllprodukte WasserstoffKohlenoxid)
oder mit minderwertigen Kohlen (auch Braunkohlen) vorgenommen Bei der
Hydrometallurgie werden die Erze unter Bildung von Eisen-Salzen wie zB Eisen(III)-chlorid
ausgelaugt Die Reduktion der Salze erfolgt dann entweder mit Gas oder durch Elektrolyse
Chemisch reines Eisen kann man durch Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff bei
niedrigen Temperaturen erhalten Noch reineres Pulver erhaumllt man durch thermische
Zersetzung von Eisenpentacarbonyl oder durch Elektrolyse von Eisen(II)-chlorid- oder -sulfat-
Loumlsung mit unloumlslicher Graphit- oder loumlslicher Anode aus Eisenblech oder Gusseisen Durch
Abscheidung aus schwefelsaurer FeSO4-Loumlsung an Quecksilber-Kathoden und anschlieszligende
Raffination laumlsst sich 9999 -iges Eisen gewinnen
Hochofenprozess
9
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Die Roheisenerzeugung durch Reduktion oxidischer Erze bzw sulfidischer Erze nach ihrer
Roumlstung mit Luftsauerstoff mit Koks erfolgt fast nur in hohen Geblaumlse-Schachoumlfen
(Hochoumlfen) Nur in Laumlndern mit billigen Wasserkraftwerken und teurer Kohle wird Eisen auch
in elektrischen Oumlfen erzeugt
Ein Hochofen besitzt meist eine ungefaumlhre Houmlhe von 25-30 m bei einem Durchmesser von
rund 10 m und einem Rauminhalt von 500-800 m3 Jaumlhrlich koumlnnen dort etwa 1 Million
Tonnen Eisen aus durchschnittlich 35 Millionen Tonnen festem Rohmaterial erzeugt werden
das heiszligt dass taumlglich uumlber 10 000 t Eisen produziert werden
Fe2O3(s) iquestHochofen C
rarrlarr
Fe (Roheisen)(l) + CO2(g)
Der Hochofen wird beschickt indem von oben durch die Gicht abwechselnd eine Schicht
Koks und eine Schicht Eisenerz mit Zuschlag eingefuumlllt werden Die Eisenreduktion wird in
Gang gesetzt indem die unterste Koksschicht entzuumlndet wird Mit Sauerstoff angereicherte
Verbrennungsluft wird unten innerhalb einer Ebene eingeleitet
Durch die Verbrennung der Kohle steigt die Temperatur im unteren Teil des Hochofens bis auf
1600degC an der Einblasstelle sogar bis auf 2300degC
2 C(s) + O2(g) larrrarr
2 CO(g) + 2212 kJ
Das gebildete heiszlige Kohlenstoffmonoxid steigt nach oben in die darauffolgende
Eisenoxidschicht da der angeblasene Hochofen wie ein Schornstein zieht Das Eisenoxid
besteht an dieser Stelle hauptsaumlchlich aus Wuumlstit (FeO) welches nun zum Metall reduziert
wird woraufhin das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert
3 Fe2O3(s) + CO(g) larrrarr
2 Fe3O4(s) + CO2(g) + 473 kJ
368 kJ + Fe3O4(s) + CO(g) larrrarr
3 FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) larrrarr
Fe(l) + CO2(g) + 172 kJ
Daran schlieszligt sich eine weitere Koksschicht an in der das Kohlenstoffdioxid gemaumlszlig dem
Boudouard-Gleichgewicht wieder in Kohlenstoffmonoxid umgewandelt wird das wieder als
Reduktionsmittel wirkt Dieses wiederholt sich mehrere Male in aumlhnlicher Weise Es erfolgt 10
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
auf diese Weise eine direkte Reduktion der Eisenoxide durch den Kohlenstoff in einer stark
endothermen Reaktion Eisen wird dabei als Endprodukt gebildet
In den weniger heiszligen houmlheren Schichten (500-900degC) der bdquoReduktionszoneldquo stellt sich das
Boudouard-Gleichgewicht wesentlich langsamer ein sodass die Reduktion der Eisenoxide
nur durch das im COCO2-Gasgemisch enthaltene CO erfolgt (schwach exotherm bis
endotherm indirekte Reduktion mit Kohlenstoff) Dabei wird FeO gebildet welches zum
Groszligteil erst in den tieferen und heiszligeren Schichten (gt 900degC) zu Eisen reduziert wird Durch
den im entstehenden Roheisen enthaltenen Kohlenstoff ist der Schmelzpunkt niedriger
(1100-1200degC) als beim reinen Eisen (1535degC) Das Eisen laumluft in der unteren heiszligen
bdquoSchmelzzoneldquo (1300-1600degC) tropfenfoumlrmig durch den gluumlhenden Koks und sammelt sich
unterhalb der spezifisch leichteren Schlacke an Die Schlacke welche aus Gangart und
Zuschlag entsteht schuumltzt das Eisen so gegen die oxidierende Einwirkung der Geblaumlseluft In
den oberen kaumllteren Teilen des Schachts (250-400degC) erfolgt keine Reduktion Hier wird die
frische Beschickung nur durch das als bdquoGichtgasldquo entweichende Kohlenstoffmonoxid--
dioxidgemisch vorgewaumlrmt
Die Erzeugnisse des Hochofenprozesses sind Roheisen Schlacke und Gichtgas Das sich
ansammelnde fluumlssige Roheisen wird von Zeit zu Zeit durch en bdquoStichlochldquo abgestochen und
entweder in fluumlssiger Form dem Stahlwerk zugefuumlhrt oder zu Bloumlcken gegossen
Die Schlacke flieszligt durch eine wassergekuumlhlte Oumlffnung staumlndig ab und entsteht in aumlhnliche
groszliger Menge wie das Roheisen
11
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
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Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
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Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
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Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
Reduktion im Reagenzglas
Chemikalien
Holzkohlenpulver
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Geraumlte
Reagenzglas
Reagenzglashalter
Bunsenbrenner
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Eisenoxid und Holzkohlenpulver werden im Volumenverhaumlltnis 13 in einem Reagenzglas
gemischt Dieses wird bis zum Gluumlhen erhitzt danach laumlsst man es abkuumlhlen Mit einem
Magneten laumlsst sich uumlberpruumlfen ob metallisches Eisen entstanden ist
Beobachtung
Nach dem Abkuumlhlen kann man kleine Stuumlckchen feststellen die weder rotbraunes
Eisen(III)oxid sind noch Kohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen
Teile vom Rest abtrennen Die magnetische Eigenschaft ist ein Zeichen dass entweder
elementares Eisen oder Magnetit entstanden ist
Reduktion in der Mikrowelle
Chemikalien12
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
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Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
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Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
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Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Aktivkohle (gekoumlrnt)
Eisen(III)oxid (Fe2O3)
Graphitspray
Geraumlte
Porzellantiegel
Blumentopf (mit Gips gefuumlllt so dass der Tiegel genau reinpasst)
Mikrowelle
Magnet
Petrischale
Durchfuumlhrung
Der Tiegel wird zuerst mit einer Schicht gekoumlrnter Aktivkohle gefuumlllt (2 g) anschlieszligend
werden 5 g Eisen(III)oxid daruumlber gegeben und zum Schluss wird eine zweite Schicht
gekoumlrnte Aktivkohle (2 g) daruumlber verteilt
Der Blumentopf wird innen mit Graphitspray bespruumlht und der vorbereitete Tiegel
eingesetzt In der Mikrowelle wird das Ganze fuumlr 5 Minuten bei houmlchster Leistung erhitzt
Nach dem Abkuumlhlen wird das Gemisch in eine Petrischale uumlberfuumlhrt und mit einem
Magneten auf untersucht
Beobachtung
Das Reaktionsgemisch faumlngt waumlhrend der Bestrahlung in der Mikrowelle an zu Gluumlhen Nach
dem Abkuumlhlen kann man einige Brocken feststellen die weder rotbraunes Eisen(III)oxid sind
noch Aktivkohle mit Hilfe eines Magneten lassen sich diese grauschwarzen Eisenreguli oder
Magnetitstuumlcke vom Rest abtrennen
Erlaumluterung
13
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Aumlhnlich wie beim Hochofenprozess wird Eisenoxid uumlber die Oxidation von Kohlenstoff
reduziert
Gesamtreaktion 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) ∆rarr 4 Fe(s) + 3 CO2 (g)
Reduktion 4 Fe3+ + 12 e- ∆rarr 4 Fe
Oxidation 3 C + 6 O2- ∆rarr 3 CO2 (g) + 12 e-
StahlherstellungKohlenstoffhaltiges Roheisen (35 - 45 C) schmilzt schlagartig ist hart und sproumlde und
demzufolge nicht bearbeitbar Erst durch Verringerung der Kohlenstoffgehalts kann es
weiterverwertet werden
Die Entkohlung des Roheisens kann entweder erfolgen indem man zuerst vollkommen
entkohlt und dann nachtraumlglich ruumlckkohlt (Windfrischverfahren) oder dass man von
vornherein nur bis zum gewuumlnschten Kohlenstoffgehalt entkohlt (Herdfrischverfahren)
Um es in schmiedbares Eisen (Stahl) zu uumlberfuumlhren muss man es entkohlen bis der
Kohlenstoffgehalt unter 17 liegt Bei einem Kohlenstoffgehalt zwischen 04 und 17 laumlsst
sich das Eisen durch Erhitzen auf etwa 800degC und darauffolgendes rasches Abkuumlhlen haumlrten
Solchen haumlrtbaren Stahl bezeichnet man auch als Werkzeugstahl (Stahl im engeren Sinne)
Der nichthaumlrtbare Stahl (lt 04 C) wird als Baustahl oder Schmiedeeisen davon
unterschieden Die Haumlrtung beruht darauf dass im gewoumlhnlichen Stahl eine feindisperse
Michung von α-Eisen und Cemetit Fe3C durch das Erhitzen in eine feste Loumlsung von
Kohlenstoff in γ-Eisen (Austenit) uumlbergeht die bei sehr schnellem Abkuumlhlen unter
Umwandlung von γ-Eisen in α-Eisen als metastabile Phase groumlszligtenteils erhalten bleibt
(Martensit) Diese Form weist im Vergleich zum Schmiedeeisen eine erhoumlhte Haumlrte und
14
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Elastizitaumlt auf Bei langsamen Abkuumlhlen wuumlrde sich der Stahl wieder entmischen und Cemetit
ausscheiden wodurch die urspruumlngliche Haumlrte und Schmiedbarkeit wiederkehren wuumlrde
Durch Erhitzen des gehaumlrteten Stahls auf verschiedene Temperaturen kann man
Zwischenzustaumlnde zwischen dem stabilen und metastabilen Zustand erreichen wodurch
bestimmte Haumlrte- und Zaumlhigkeitseigenschaften erhalten werden Durch Legierungen mit
kleinen Mengen an Ni Mn Cr Mo oder W kann die kritische Abkuumlhlgeschwindigkeit
herabgesetzt werden
Oxidation von Eisen Eisen bildet die Oxide FeO Fe3O4 (= FeO Fe2O3) und Fe2O3 und die Hydroxide Fe(OH)2
Fe(OH)3 und FeO(OH) Sie wirken basisch und nur bei sehr starken Basen auch sauer was zur
Bildung von Eisensalzen fuumlhrt Schwarzes Eisenmonoxid FeO erhaumllt man durch Reduktion von
Eisen(III)oxid mit trockenem Kohlendioxid bzw Wasserstoff Durch Oxidation von Eisen mit
Sauerstoff unter vermindertem Partialdruck oder mit Wasserdampf oberhalb von 560degC
kann man es auszligerdem erhalten FeO ist nur oberhalb von 560degC stabil Unterhalb dieser
Temperatur neigt es zur Disproportionierung (4 FeOlarrrarr
Fe + Fe3O4) Oxidiert man Eisen
unterhalb dieser Temperatur erhaumllt man statt Eisenmonoxid schwarzes thermostabiles
Trieisentetraoxid Fe3O4 Dieisentrioxid Fe2O3 kommt in der Natur in verschiedenen Formen
vor und existiert in drei Modifikationen (α- β- γ-Fe2O3) Rotbraunes rhomboedrisches
antiferromagnetisches α-Fe2O3 gewinnt man durch Oxidation von Eisen unter Druck durch
Erhitzen von Eisen(III)-Salzen fluumlchtiger Saumluren oder durch Entwaumlssern von Eisen(III)-
hydroxid obehalb von 200degC Paramagnetisches kubisches β-Fe2O3 erhaumllt man durch
Hydrolyse von FeCl3 6 H2O oder bei der chemischen Gasabscheidung von Fe2O3
Ferromagnetisches ebenfalls kubisches schwarzes γ-Fe2O3 gewinnt man bei vorsichtigem
Oxidieren von Fe3O4 mit Sauerstoff Diese metastabile Form laumlsst sich bei 200degC im Vakuum
wieder in Fe3O4 zuruumlckverwandeln Bei Temperaturen uumlber 300degC geht sie unter
Sauerstoffdruck in die stabile α-Form uumlber welche sich beim Erhitzen auf 1000degC im Vakuum
oder auf uumlber 1200degC an Luft unter Sauerstoffabspaltung in Trieisentetraoxid umwandelt
Metastabiles β-Fe2O3 wandelt sich bei 500degC in α-Fe2O3 um
15
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
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Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
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Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
Eisen verbrennt als unedles Metall in fein verteiltem Zustand beim Einblasen in eine
Bunsenbrennerflamme zum Oxid In gittergestoumlrter Form wird es schon bei Raumtemperatur
durch den Luftsauerstoff unter Waumlrmeentwicklung und Verglimmen oxidiert Feinst
verteiltes Fe entzuumlndet sich bei Beruumlhrung mit Luftsauerstoff oft von selbst (pyrophores
Eisen)
Chemikalien
K2[Fe((COO)2)2]
Ba(OH)2
Geraumlte
Reagenzglas
Bunsenbrenner
Becherglas
Stopfen mit Einleitungsrohr
Durchfuumlhrung
2-3 Spatelspitzen Eisenoxalat werden in ein Reagenzglas gegeben welches mit einem
durchbohrten Stopfen durch den ein Glasrohr gefuumlhrt wird verschlossen wird Das
Reagenzglas wird mit dem Bunsenbrenner erhitzt bis der Inhalt schwarz geworden ist Das
entstehende Gas wird dabei in eine Bariumhydroxid-Loumlsung eingeleitet Der Inhalt des
Reagenzglases wird nun auf eine feuerfeste Unterlage geschuumlttet nachdem das Licht
ausgeschaltet wurde
16
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
(Quelle wwwolduni-bayreuthde)
Beobachtung
In der Bariumhydroxid-Loumlsung bildet sich ein weiszliger Niederschlag Das schwarze Pulver
vergluumlht an Luft Auf der Unterlage findet sich rotbrauner Staub
Erlaumluterung
Bei dem Ausgluumlhen uumlber der Bunsenbrennerflamme entweicht Kohlendioxid welches mit
Bariumhydroxid-Loumlsung nachgewiesen werden kann Es entsteht weiszliges Bariumcarbonat
Das bei der Reaktion entstehende fein verteilte Eisen entzuumlndet sich aufgrund der groszligen
Oberflaumlche (spezifische Oberflaumlche uumlber 3 m2g) an der Luft von selbst
1 Herstellen von pyrophorem Eisen
K2[Fe((COO)2)2] larrrarr
Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s)
2 Kohlendioxidnachweis
Ba(OH)2 + CO2 larrrarr
BaCO3 + H2O
3 bdquoVerbrennenldquo des Eisens
4 Fe (s) + 3 O2 (g) larrrarr
2 Fe2O3 (s)
17
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Korrosion von Eisen
Befindet sich kompaktes Eisen an trockener Luft oder in luft- oder kohlendioxidfreiem
Wasser sowie in Laugen veraumlndert es sich nicht Diese Bestaumlndigkeit liegt an einer
zusammenhaumlngenden Oxid-Schutzhaut Die Bildung dieser duumlnnen Deckschicht bedingt auch
die Unangreifbarkeit des Eisens durch konzentrierte Schwefel- oder Salpetersaumlure Aufgrund
dieser Passivitaumlt koumlnnen fuumlr den Transport dieser konzentrierten Saumluren eiserne Gefaumlszlige
verwendet werden Ist die Luft welche das Eisen umgibt feucht und kohlendioxidhaltig oder
befindet es sich in kohlendioxid- und lufthaltigem Wasser wird Eisen zunaumlchst unter Bildung
von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH) angegriffen indem sich zunaumlchst Eisencarbonate bilden
(Fe + 2 H2CO3 larrrarr
Fe2+ + 2 HCO3- + H2) die dann oxidieren (2 Fe2+ + 4 OH- + frac12 O2 larr
rarr 2
FeO(OH) + H2O) Die so gebildete Oxidschicht stellt keine zusammenhaumlngende festhaftende
Haut dar sondern blaumlttert in Schuppen ab wodurch frische Metalloberflaumlche freigelegt wird
Der Rostvorgang schreitet auf diesem Weg weiter in das Innere des Eisens fort
Leitet man heiszligen Wasserdampf (gt 500degC) uumlber gluumlhendes Eisenpulver so wird dieses unter
Bildung von Eisenoxid und Wasserstoff allmaumlhlich zersetzt ( 3 Fe + 4 H2O larrrarr
Fe3O4 + 4 H2) Da
Eisen in der Spannungsreihe vor dem Wasserstoff steht wird es von Saumluren leicht
angegriffen Bei Anwesenheit von Salzsaumlure bildet sich gruumlnliches Eisen(II)-chlorid (Fe + 2 HCl
larrrarr
FeCl2 + H2) welches durch Luftsauerstoff mit der Zeit zu braunem Eisen(III)-chlorid
oxidiert wird Mit verduumlnnter Schwefelsaumlure erhaumllt man gruumlnes Eisen(II)-sulfat und
Wasserstoff Von konzentrierter Schwefelsaumlure wird Eisen nicht angegriffen weshalb man
diese Saumlure in Stahltanks befoumlrdern kann Verduumlnnte Salpetersaumlure loumlst Eisen unter
Entwicklung brauner giftiger Daumlmpfe (Stickstoffdioxid) zu Eisennitrat Beim Eintauchen in
rauchende Salpetersaumlure ist hingegen Passivitaumlt zu beobachten Auch trockenes Chlor greift
Eisen bei normaler Temperatur nicht an Erst bei hohen Temperaturen bildet sich
wasserfreies FeCl3 Heiszlige Laugen zersetzen Eisen in umkehrbarer Reaktion
Fe + 4 OH- + 2 H2O larrrarr
[Fe(OH)6]4- + H2
18
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
Chemikalien
Stahlwolle (mit Aceton entfettet)
NaCl-Lsg
HCl (c = 2 molL)
NaOH (c = 2 molL)
H2SO4(konz)
Geraumlte
Demoreagenzglaumlser
Staumlnder fuumlr Demoreagenglaumlser
Durchfuumlhrung
In fuumlnf Demoreagenzglaumlser wird jeweils eine in etwa gleich groszlige Menge Stahlwolle
gegeben Anschlieszligend werden die beschrifteten Demoreagenzglaumlser in etwa zur Haumllfte mit
der jeweiligen Fluumlssigkeit gefuumlllt Der Versuchsaufbau verbleibt so fuumlr einige Tage
Beobachtung
19
Verduumlnnte Natronlau
geKorrosionsschutz
Verduumlnnte Salzsaumlure
PassivierungKonz
Schwefelsaumlure
Saumlurekorrosion Aufloumlsen des Metalls
Salzwasser
Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Wasser Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
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Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Jaumlhrlich verrosten in Deutschland nach Schaumltzungen 1ndash2 der Gesamteisenmenge Dieser
durch Rosten verursachte Schaden ist ein weltweites Problem wodurch der Rostschutz ein
allgemeines Anliegen wird
Korrosionsfoumlrdernde Einfluumlsse
Sauerstoff in Verbindung mit Feuchtigkeit wirken korrosionsfoumlrdernd Salzloumlsungen
beschleunigen den Elektronentransport und foumlrdern dadurch Korrosion Bei Kontakt mit
edleren Metallen korrodiert das unedlere schneller Sind Metalle mit edlerem Metall
uumlberzogen fuumlhren Beschaumldigungen an der Umhuumlllung zu gesteigerter Korrosion an den
jeweiligen Stellen Saumlure erleichtert die Korrosion auszligerdem
Aktiver Korrosionsschutz (Eingriff in die Korrosion)
Es gibt mehrere Moumlglichkeiten in die Korrosion einzugreifen und diese im Idealfall zu
unterbinden Kathodischer Korrosionsschutz wird durch eine Verbindung mit unedleren
Metallen (Opferanode) oder durch eine Verbindung mit einer anderen metallischen Struktur
erreicht die uumlber Fremdstromversorgung zur Anode wurde Unter anodischem
Korrosionsschutz versteht man einen Metalluumlberzug auf dem sich eine festhaftende
Oxidschicht bildet Auch durch Entfernung bzw Reduzierung der Wirkung der angreifenden
Stoffe kann Korrosion verhindert werden oder duch Zusetzten eines Reduktionsmittels in die
Umgebung
Passiver Korrosionsschutz (Fernhalten angreifender Stoffe)
Anorganische und organische Uumlberzuumlge und Deck- und Sperrschichten sorgen dafuumlr dass
korrosionsfoumlrdernde Stoffe fern gehalten werden Auch Oxide Phosphate Silikate Emaille
Zement Gummi Polyethylen Polypropylen und diverse Lackierungen und Anstriche (Bsp
Kunstharze Mennige Bleichromat) bieten dem Metall Schutz Weiterhin kann das Eisen mit
metallischen Uumlberzuumlgen versehen werden Dies kann ein Uumlberzug mit edlerem oder
unedlerem Metall sein
20
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
Chemikalien und Geraumlte
CuSO4
Eisen-Naumlgel
Becherglas
Durchfuumlhrung
In eine konzentrierte Kupfersulfat-Loumlsung wird ein Eisen-Nagel gestellt
Beobachtung
Nach kurzer Zeit scheidet sich an der Oberflaumlche Kupfer ab
Erlaumluterung
Eisen ist ein unedleres Metall als Kupfer Die geloumlsten Cu2+-Ionen werden daher durch
metallisches Eisen reduziert wobei sich metallisches Kupfer abscheidet und Eisen als Fe2+ in
Loumlsung geht Verbleibt der Nagel laumlngere Zeit in der Loumlsung verfaumlrbt sie sich nach gruumln da
nun die Eisen-Ionen vorherrschen
Oxidation Fe(s) larrrarr
Fe2+(aq) + 2 e-
Reduktion Cu2+(aq) + 2 e- larr
rarr Cu(s)
Gesamtreaktion Fe(s) + Cu2+(aq) larr
rarr Fe2+
(aq) + Cu(s)
21
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Verwendungsmoumlglichkeiten von EisenEisen ist ein wichtiges Gebrauchsmaterial Wichtige kohlenstoffhaltige Eisensorten sind das
Gusseisen Eisenstaumlhle Werkzeugstaumlhle und Baustaumlhle Zudem kommen diverse
Eisenlegierungen zum Einsatz Chemisch reines Eisen besitzt im Gegensatz zum
kohlenstoffhaltigem Eisen nur eine untergeordnete Rolle Es wird zum Beispiel als Material
fuumlr Katalysatoren (Haber-Bosch-Verfahren Fischer-Tropsch-Verfahren) verwendet
Eisenlegierungen sind als Werkstoffmaterial unersetzlich Viele Verbindungen des Eisens
haben etwa als Arzneimittel chemische Reagenzien oder als Pigmente (Eisenoxide)
erhebliche Bedeutung
Zur Speicherung von elektrischer Energie fand Eisen im Edison-Akku (Eisen-Nickel-Akku)
Anwendung Der Eisen-Nickel-Akku wurde fast gleichzeitig von dem amerikanischen Erfinder
Thomas Alva Edison und dem Schweden Waldemar Jungner entwickelt Erste Patente wurden
1901 erteilt serienreif wurde der Bau im Jahr 1908 woraufhin ein jahrelanger Prioritaumltsstreit
erfolgte Der Eisen-Nickel-Akku ist dem Nickel-Cadmium-Akku der heute noch weit
verbreitet ist sowohl technisch als auch chemisch sehr aumlhnlich Auch der Nickel-Cadmium-
Akku wurde fast gleichzeitig von Edison und Jungner um 1909 entwickelt Diesmal war
Jungner allerdings etwas schneller Der Nickel-Eisen-Akku wurde in verschiedenen Autos
eingesetzt Man ruumlstete nach einiger Zeit jedoch auf Bleiakkus um da deren Reichweite uumlber
100 Meilen liegen soll und damit den Eisen-Nickel-Akku uumlbertrumpfte Auch heute kann man
noch Eisen-Nickel-Akkus erwerben Die chinesischen Hersteller geben eine Garantie von 10
Jahren wobei eine Lebensdauer von 20 Jahren durchaus realistisch ist bei guter Pflege aber
durchaus noch houmlher liegen kann Heute sind Eisen-Nickel-Akkus auf Grund ihrer langen
Lebensdauer vor allem fuumlr USV-Systeme interessant Manche verwenden die Akkus auch um
ihre Passivhaumluser absolut unabhaumlngig zu machen
Demo 2 Edison-Akku
Chemikalien
Kaliumhydroxid (c = 1 molL)
22
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
CD Roumlmpp Chemie Lexikon ndash Version 10 StuttgartNew York Georg Thieme Verlag 1995
httpwwwchemieunterrichtdedc2grundschversuchegs-v-011htm
httpwwwcumschmidtdev_eisenbrennthtm
httpwwwnetexperimentedenetexperimenteindexphpc=chemieampsection=065
httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm
httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html
httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente
05_eisen_pyrophorhtm
httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html
httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm
httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg
httpwwwlivefocusdeimedia
883107883_eidoXsh_trVyVOWO4OPtaqq73p2JNK7lbZgnw4gyYyo=jpg
httpwwwtfuni-kieldekap_aillustrrostjpg
httpwwwdillingerdegraphikmainb7-6_1jpg
httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG
httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen
httpwwwmineralienatlasdeVIEWFULLphpparam=1107727235jpg
28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Geraumlte
Becherglas
Kabel
Nickelblech
Eisenblech
Stromquelle
Messgeraumlt
niederohmiger Elektromotor
Durchfuumlhrung
Die Kaliumhydroxidloumlsung wird in das Becherglas gegeben Das Nickelblech wird mit dem
Pluspol das Eisenblech mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden und die beiden Bleche
so in das Becherglas gestellt dass diese sich nicht beruumlhren Nun elektrolysiert man in der
Loumlsung etwa eine Minute lang mit ungefaumlhr 2 Volt
Anschlieszligend kann die Spannung zwischen den Elektroden gemessen und der Elektromotor
dazwischen geschaltet werden
Beobachtung
Die Nickelelektrode uumlberzieht sich beim Laden mit einem schwarzen Oxidbelag der beim
Entladen wieder verschwindet Beim Laden kommt es am Minuspol zur Gasentwicklung
Nach dem Laden ist zwischen den Elektroden eine Spannung von etwa 13 V messbar Der
Motor beginnt zu rotieren
Erlaumluterung
In Akkumulatoren wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und dadurch
gespeichert Anschlieszligend kann die Energie wieder umgewandelt werden und als
Stromquelle dienen Man versteht demnach unter Akkus galvanische Elemente zur
23
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
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05_eisen_pyrophorhtm
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- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Speicherung elektrischer Energie die nach der Entladung durch einen dem Entladungsstrom
entgegengesetzten Strom wieder aufgeladen werden koumlnnen
Der Uumlbergang Ni(OH)2 larrrarr
NiO(OH) + H+ + e- wird zur Stromerzeugung genutzt Der
Akku besteht aus einer Eisen- und einer NiO(OH)-Elektrode in Kalilauge als Elektrolyt
(Quelle wwwchemieuni-regensburgde)
Laden der Zelle
Anode 2 Ni(OH)2 + 2 OHndash larrrarr
2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 endash
Kathode Fe(OH)2 + 2 endash larrrarr
Fe + 2 OHndash
Gesamtreaktion
2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 larrrarr
2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O
24
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
27
Quellennachweis
Holleman und Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage de Gruyter 2007
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28
- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Komplexe mit EisenFe(III) und Fe(II) weisen eine hohe Komplexbildungstendenz auf Demzufolge sind von zwei-
und drei-wertigem Eisen viele klassische Koordinationverbindungen bekannt Auch die
lebende Natur bedient sich haumlufig komplexierter Eisenionen als Wirkstoffzentren Eisen(III)-
Komplexe weisen meist oktaedrische Koordination auf es werden aber auch andere
Koordinationsgeometrien angetroffen Eisen(II)-Komplexe enthalten meist oktaedrisches
seltener tetraedrisches und in Ausnahmefaumlllen quadratisch-planares oder fuumlnfzaumlhliges Eisen
Versuch 5 Gallustinte
Chemikalien und Geraumlte
FeSO4 ndashLoumlsung
Gallussaumlure-Loumlsung
Papier
Reagenzglas
Spruumlhflasche
Durchfuumlhrung
Auf ein Stuumlck Papier wird etwas Gallussaumlure-Loumlsung aufgetragen Anschlieszligend wird das
Papier mit Fe(II)-Sulfat-Loumlsung bespruumlht In ein Reagenzglas werden von beiden genannten
Loumlsungen 2-3 mL Loumlsung gegeben
Beobachtung
Das Papier verfaumlrbt sich an den Stellen schwarz an welchen zuvor Gallussaumlure aufgetragen
wurde Die Fluumlssigkeit im Reagenzglas wird ebenfalls schwarz
25
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
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Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
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- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
-
Erlaumluterung
Das Eisen(II) wird durch Luftsauerstoff zu Eisen(III) oxidiert
2 Fe2+ + frac12 O2(g) + 2 H+ larr
rarr 2 Fe3+ + H2O
Das Eisen(III)-Ion wird das Zentralatom eines oktaedrischen Chelatkomplexes an dem drei
Molekuumlle der Gallussaumlure beteiligt sind
Gallussaumlure (farblos) Gallustinte (schwarz)
Gallustinte wurde schon seit im 3 Jahrhundert v Chr verwendet Durch die hohe Licht- und
Luftbestaumlndigkeit dieses Farbstoffs blieben die Schriften uumlber Jahrhunderte hinweg erhalten
Allerdings werden die Zellulosefasern des Papiers durch entstehende Schwefelsaumlure zerstoumlrt
was als Tintenfraszlig bezeichnet wird
26
Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
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7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
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- Geschichtliches
- Allgemeines
- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
- Verwendungsmoumlglichkeiten von Eisen
-
- Demo 2 Edison-Akku
-
- Komplexe mit Eisen
-
- Versuch 5 Gallustinte
-
- Schulrelevanz
- Quellennachweis
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Schulrelevanz
Nach hessischem Lehrplan G 8
7G12 Fakultative Unterrichtseinheit Veraumlndern von Stoffen beim Erhitzen
7G21 Einfuumlhrung in die chemische Reaktion
Fakultativer Unterrichtsinhalt
Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel
7G23 Umkehrung der Oxidbildung
8G12 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen
10G12 Ausgewaumlhlte Redoxreaktionen
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- Physiologisches
- Vorkommen
-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
-
- Gewinnung
-
- Versuch 2 Eisengewinnung im Labormaszligstab
-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
- Demo 1 Einfluss verschiedener Loumlsungen auf Eisen
- Versuch 4 Verkupfern eines Eisennagels
-
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-
- Versuch 1 Synthese von Eisensulfid
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-
- Stahlherstellung
- Oxidation von Eisen
-
- Versuch 3 Verbrennen von Eisen (Pyrophores Eisen)
- Korrosion von Eisen
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