Eisen Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein Wintersemester 0708 Gliederung

Eisen Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein Wintersemester 07/08

Gliederung 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Geschichtliches Allgemeines Vorkommen Gewinnung Oxidation von Eisen Verwendungsmöglichkeiten Schulrelevanz

Gliederung 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Geschichtliches Allgemeines Vorkommen Gewinnung Oxidation von Eisen Verwendungsmöglichkeiten Schulrelevanz

Geschichtliches Wann begann die Eisenzeit? • gotisch: isarn = festes Metall (im Gegensatz zur weichen Bronze) • Hethiter in Kleinasien verhütteten Eisen schon im 17 Jhd. v. Chr. • Verbreitung nach dem 12. Jahrhundert v. Chr. – Beginn der Eisenzeit – In Mitteleuropa erst 800 v. Chr. • technische Verbesserungen • beeinflusst Sozialstruktur nachhaltig (bronzezeitliche Eliten verlieren Macht) Bewaffnung der frühen Eisenzeit (6. - 5. Jh. v. Chr. )

Gliederung 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Geschichtliches Eigenschaften Vorkommen Gewinnung Oxidation von Eisen Verwendungsmöglichkeiten Schulrelevanz

Allgemeines Stellung im Periodensystem Eigenschaften

Allgemeines Eisengruppe Eigenschaften

Allgemeines Stellung im Periodensystem Eigenschaften 26 55, 85 Fe ~3000 1535 Eisen Ordnungszahl Atommasse Siedetemperatur Schmelztemperatur

Allgemeines Eigenschaften • reines Eisen ist silberweiß, relativ weich, dehnbar und reaktionsfreudig • Kristallstruktur kubisch raumzentriert • ferromagnetisch • gute Wärme- und Stromleitfähigkeit • Wertigkeit 0, +2, +3, seltener +4 und +6

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Vorkommen Eisenerze Magnetit • • Eisengehalt der Erde: 37 % Erdhülle: 4, 7 % zweithäufigste Metall Bestandteil vieler Erze - Magneteisenstein (Magnetit) Fe 3 O 4 - Roteisenstein Fe 2 O 3 - Brauneisenstein Fe 2 O 3 • x H 2 O - Spateisenstein (Siderit) Fe. CO 3 - Pyrit Fe. S 2 Siderit - Magnetkies Fe 1 -x. S • auch kosmisch häufig Pyrit

Vorkommen Versuch 1 Synthese eines Eisenerzes

Vorkommen Versuch 1: Synthese eines Eisenerzes Reaktion mit Schwefel Ox. : 0 Fe(s) Fe 2+ + 2 e 0 Red. : ⅛ S 8 (s) + 2 e- S 2 - Fe(s) + ⅛ S 8 (s) Fe. S(s) Eisensulfid

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Gewinnung Hochofenprozess Hochofen, C Fe 2 O 3 Fe (Roheisen) + CO 2(g) Roheisen: • kohlenstoffhaltig (3, 5 - 4, 5 %) • schmilzt schlagartig • hart, spröde • nicht bearbeitbar

Gewinnung Versuch 2 Eisen im Labormaßstab

Gewinnung Versuch 2: Eisen im Labormaßstab Reduktion mit Kohle 2 Fe 2 O 3 (s) + 3 C(s) Δ 4 Fe(s) + 3 CO 2 (g) Reduktion 0 3+ 4 Fe + 12 e 4 Fe C Fe 2 O 3 Oxidation 0 4+ 23 C + 6 O 3 CO 2 (g) + 12 e- C Beton

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Oxidation von Eisen Versuch 3 Kann Eisen brennen?

Oxidation von Eisen Versuch 3: Kann Eisen brennen? Pyrophores Eisen (spezifische Oberfläche über 3 m 2/g) 1. Herstellen von pyrophorem Eisen +2 +3 0 +4 ∆ K 2[Fe((COO)2)2] Fe(s) + 2 CO 2 (g) + K 2(COO)2 (s) 2. Verbrennen des Eisens 0 +3 -2 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s)

Oxidation von Eisen Korrosion von Eisen Jährlich verrosten in Deutschland nach Schätzungen 1– 2% der Gesamteisenmenge

Oxidation von Eisen Die Entstehung von Rost +2 +3 Rost: x Fe. O • y Fe 2 O 3 • z H 2 O 1. Reaktion mit Sauerstoff und Wasser 0 -2 Fe(s) + ½ O 2 (g) + H 2 O(l) Fe 2+(aq) + 2 OH-(aq) 2. Ausfallen von Eisen(II)hydroxid Fe 2+(aq) + 2 OH-(aq) Fe(OH)2 (s) 3. Instabil bei Anwesenheit von Sauerstoff +2 0 +3 -2 2 Fe(OH)2 (s) + ½ O 2 (g) Fe 2 O 3 (s) + H 2 O (l)

Oxidation von Eisen Demo 1 Wann rosten Autos?

Oxidation von Eisen Demo 1: Wann rosten Autos? Wasser • Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases Salzwasser • Rostbildung im oberen Teil des Reagenzglases Verdünnte Salzsäure • Säurekorrosion: Auflösen des Metalls Konz. Schwefelsäure Verdünnte Natronlauge • Passivierung • Korrosionsschutz

Oxidation von Eisen Korrosionsfördernd • Sauerstoff und Feuchtigkeit • Salzlösung • Kontakt mit edleren Metallen • Säure

Oxidation von Eisen Korrosionsschutz • Legierungen (bilden schützende Oxidfilme) • Kontakt mit unedleren Metallen (Opferanode) • Schutzüberzüge – Lack – Schmierfett – alkalische Stoffe (z. B. Beton) – edlere Metalle

Oxidation von Eisen Versuch 4 Korrosionsschutz

Oxidation von Eisen Versuch 4: Korrosionsschutz Verkupfern eines Eisennagels 0 Fe(s) Ox. : Fe 2+(aq) + 2 e- 0 Red. : Cu 2+(aq) + 2 e- Cu(s) Fe(s) + Cu 2+(aq) Fe 2+(aq) + Cu(s) Schweißdraht

Gliederung 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Geschichtliches Allgemeines Vorkommen Gewinnung Oxidation von Eisen Verwendungsmöglichkeiten Schulrelevanz

Verwendungsmöglichkeiten Wichtiges Gebrauchsmetall • reines Eisen (z. B. Magneten) • Eisenlegierungen als Werkstoffmaterial • Eisenverbindungen als Katalysatoren • Eisenoxide als Pigmente • Eisensalze als Nahrungsergänzung

Verwendungsmöglichkeiten Demo 2 Edison-Akku

Verwendungsmöglichkeiten Demo 2: Edison-Akku Laden des Akkus Thomas Alva Edison (1847– 1931)

Verwendungsmöglichkeiten Demo 2: Edison-Akku 2 Ni. O(OH) + 2 H 2 O + 2 e– 2 Ni(OH)2 + 2 OH– Fe(OH)2 + 2 e– Fe + 2 OH – Laden 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 2 Ni. O(OH) + Fe + 2 H 2 O Entladen

Verwendungsmöglichkeiten Versuch 5 Gallustinte

Verwendungsmöglichkeiten Versuch 5: Gallustinte • • • seit dem 3. Jahrundert v. Chr. verwendet licht- und luftbeständig Sichtbarmachung mit K 4[Fe(CN)6] – Lösung Tintenfraß durch entstehende Schwefelsäure Bestandteile – Eisen(II)-Sulfat – Gallussäure (Gerbsäure) – Zusatz: Gummi arabicum, Tintenblau Tintenfraß Gallen

Verwendungsmöglichkeiten Versuch 5: Gallustinte 1. Oxidation des Eisens 0 -2 2 Fe 2+ + ½ O + 3+ 2(g) + 2 H 2 Fe + H 2 O 2. Komplexbildung Gallussäure (farblos) Gallustinte (schwarz) Oktaedrischer Chelatkomplex

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Schulrelevanz Hessischer Lehrplan G 8 7 G. 1. 2 Fakultative Unterrichtseinheit: Verändern von Stoffen beim Erhitzen 7 G. 2. 1 Einführung in die chemische Reaktion Fakultativer Unterrichtsinhalt: Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel 7 G. 2. 3 Umkehrung der Oxidbildung 8 G. 1. 2 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen 10 G 1. 2 Ausgewählte Redoxreaktionen

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!