Philipps-Universitaumlt Marburg Fachbereich Chemie

Leitung Prof Dr B Neumuumlller Dr P Reiszlig

Ausarbeitungzur Uumlbung im Experimentalvortrag

uumlber

Eisenvon Siegrid Heinlein

WS 0708

1

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

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

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

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

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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

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 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

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httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen

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28

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

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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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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

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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

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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)

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

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

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

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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)

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

(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

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

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

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

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

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

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httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen

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28

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

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httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen

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28

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

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28

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

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httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm

httpwwwtettidebilder2007rollender-rost-1024-2934jpg

httpwwwlivefocusdeimedia

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httpwwwseilnachtcomLexikoneisenox3JPG

httpwwwmineralienatlasdelexikonindexphpEisen

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28

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

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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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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

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httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html

httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente

05_eisen_pyrophorhtm

httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html

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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

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httpwwwcumschmidtdev_eisennickelakkuhtm

httpwwwchemieuni-ulmdeexperimentedm0298html

httpwwwolduni-bayreuthdedepartmentsdidaktikchemieexperimente

05_eisen_pyrophorhtm

httpwwwmobile-timescoatdatabaseheft199610_46_48html

httpwwwchemieuni-regensburgdeOrganische_ChemieDidaktikKeuschchembox_edisonhtm

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