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Eisen Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein Wintersemester 07/08

Eisen Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein Wintersemester 07/08. Gliederung. Geschichtliches Allgemeines Vorkommen Gewinnung Oxidation von Eisen Verwendungsmöglichkeiten Schulrelevanz. Gliederung. Geschichtliches Allgemeines Vorkommen Gewinnung Oxidation von Eisen

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Eisen Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein Wintersemester 07/08

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Presentation Transcript

  1. Eisen Experimentalvortrag von Siegrid Heinlein Wintersemester 07/08

  2. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  3. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  4. 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.)

  5. Gliederung • Geschichtliches • Eigenschaften • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  6. Allgemeines Stellung im Periodensystem Eigenschaften

  7. Allgemeines Eisengruppe Eigenschaften

  8. Allgemeines Stellung im Periodensystem Eigenschaften 2655,85 Fe Eisen ~3000 1535 Ordnungszahl Atommasse Siedetemperatur Schmelztemperatur

  9. Allgemeines Eigenschaften 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

  10. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  11. Vorkommen Eisenerze Magnetit • Eisengehalt der Erde: 37 % • Erdhülle: 4,7 % • zweithäufigste Metall • Bestandteil vieler Erze • Magneteisenstein (Magnetit) Fe3O4 • Roteisenstein Fe2O3 • Brauneisenstein Fe2O3 • x H2O • Spateisenstein (Siderit) FeCO3 • Pyrit FeS2 • Magnetkies Fe1-xS • auch kosmisch häufig Pyrit Siderit

  12. Vorkommen Versuch 1 Synthese eines Eisenerzes

  13. Vorkommen Versuch 1: Synthese eines Eisenerzes Reaktion mit Schwefel Ox.: Fe(s) Fe2+ + 2 e- Red.: ⅛ S8 (s) + 2 e- S2- Fe(s) + ⅛ S8 (s) FeS(s) 0 0 Eisensulfid

  14. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  15. Gewinnung Hochofenprozess Hochofen, C Fe2O3 Fe (Roheisen) + CO2(g) Roheisen: • kohlenstoffhaltig (3,5 - 4,5 %) • schmilzt schlagartig • hart, spröde • nicht bearbeitbar

  16. Gewinnung Versuch 2 Eisen im Labormaßstab

  17. Gewinnung Versuch 2: Eisen im Labormaßstab • Reduktion mit Kohle • 2 Fe2O3 (s) + 3 C(s) Δ 4 Fe(s) + 3 CO2 (g) • Reduktion • 4 Fe3+ + 12 e- 4 Fe • Oxidation • 3 C + 6 O2- 3 CO2 (g) + 12 e- 0 C Fe2O3 C 0 4+ Beton

  18. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  19. Oxidation von Eisen Versuch 3 Kann Eisen brennen?

  20. Oxidation von Eisen Versuch 3: Kann Eisen brennen? Pyrophores Eisen(spezifische Oberfläche über 3 m2/g) • Herstellen von pyrophorem Eisen K2[Fe((COO)2)2] Fe(s) + 2 CO2 (g) + K2(COO)2 (s) 2. Verbrennen des Eisens 4 Fe (s) + 3 O2 (g) 2 Fe2O3 (s) +2 +3 0 +4 • ∆ 0 0 +3 -2

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

  22. Oxidation von Eisen Die Entstehung von Rost Rost: x FeO • y Fe2O3 • z H2O • Reaktion mit Sauerstoff und Wasser Fe(s) + ½O2 (g) + H2O(l) Fe2+(aq) + 2 OH-(aq) • Ausfallen von Eisen(II)hydroxid Fe2+(aq) + 2 OH-(aq) Fe(OH)2 (s) • Instabil bei Anwesenheit von Sauerstoff 2 Fe(OH)2 (s) + ½ O2 (g)Fe2O3 (s) + H2O (l) +2 +3 0 0 -2 +2 0 +3 -2

  23. Oxidation von Eisen Demo 1 Wann rosten Autos?

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

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

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

  27. Oxidation von Eisen Versuch 4 Korrosionsschutz

  28. Oxidation von Eisen Versuch 4: Korrosionsschutz Verkupfern eines Eisennagels • 0 • Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e- • 0 • Cu2+(aq) + 2 e- Cu(s) • Fe(s) + Cu2+(aq) Fe2+(aq) + Cu(s) Ox.: Red.: Schweißdraht

  29. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

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

  31. Verwendungsmöglichkeiten Demo 2 Edison-Akku

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

  33. Verwendungsmöglichkeiten Demo 2: Edison-Akku 2 Ni(OH)2 + 2 OH– 2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e– Fe(OH)2 + 2 e– Fe + 2 OH– 2 Ni(OH)2 + Fe(OH)2 2 NiO(OH) + Fe + 2 H2O Laden Entladen

  34. Verwendungsmöglichkeiten Versuch 5 Gallustinte

  35. Verwendungsmöglichkeiten Versuch 5: Gallustinte • seit dem 3. Jahrundert v. Chr. verwendet • licht- und luftbeständig • Sichtbarmachung mit K4[Fe(CN)6] – Lösung • Tintenfraß durch entstehende Schwefelsäure • Bestandteile • Eisen(II)-Sulfat • Gallussäure (Gerbsäure) • Zusatz: Gummi arabicum, Tintenblau Tintenfraß Gallen

  36. Verwendungsmöglichkeiten Versuch 5: Gallustinte 1. Oxidation des Eisens 0 -2 2 Fe2+ + ½ O2(g) + 2 H+2Fe3+ + H2O 2. Komplexbildung Gallussäure (farblos) Gallustinte (schwarz) Oktaedrischer Chelatkomplex

  37. Gliederung • Geschichtliches • Allgemeines • Vorkommen • Gewinnung • Oxidation von Eisen • Verwendungsmöglichkeiten • Schulrelevanz

  38. Schulrelevanz Hessischer Lehrplan G8 7G.1.2 Fakultative Unterrichtseinheit: Verändern von Stoffen beim Erhitzen 7G.2.1 Einführung in die chemische Reaktion Fakultativer Unterrichtsinhalt: Chemische Reaktion zwischen Metallen und Schwefel 7G.2.3 Umkehrung der Oxidbildung 8G.1.2 Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen 10G1.2 Ausgewählte Redoxreaktionen

  39. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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