Eisen & Calcium: Eigenschaften, Reaktionen und Umweltaspekte

Eisen: Eigenschaften und Reaktionen

Physikalische Eigenschaften von reinem Eisen

Reines Eisen ist ein silbrig-weißes, zähes und dehnbares Metall. Kommerzielles Eisen ist selten rein und enthält oft geringe Mengen von Carbiden, Siliciden, Phosphiden und Sulfiden des Eisens sowie etwas Graphit.

Chemische Reaktionen von Eisen

Eisen löst sich in verdünnter Salzsäure und konzentrierter Schwefelsäure unter Wasserstoffentwicklung und Bildung von Eisensalzen. Mit heißer, konzentrierter Schwefelsäure entsteht Schwefeldioxid und Eisensulfat.

Unter experimentellen Bedingungen wird kaltes Eisen durch konzentrierte Salpetersäure passiviert. In diesem Zustand reagiert es nicht mit verdünnter Salpetersäure und verdrängt auch kein Kupfer aus einer Kupfersalzlösung.

Reaktionen von Eisen(II)-Ionen (Fe²⁺)

1. Natronlauge (NaOH): Es bildet sich ein weißer Niederschlag von Eisen(II)-hydroxid, Fe(OH)₂. Dieser ist in überschüssigem Reagenz unlöslich, aber in Säuren löslich. Unter Lufteinwirkung oxidiert Eisen(II)-hydroxid schnell zu Eisen(III)-hydroxid, das schließlich rötlich erscheint. Unter normalen Bedingungen zeigt sich der Niederschlag oft als bräunlich-grüner Niederschlag.
2. Ammoniumhydroxidlösung (NH₄OH): Es entsteht ebenfalls ein Niederschlag von Eisen(II)-hydroxid. In Gegenwart eines Überschusses an Ammoniumchlorid-Lösung (NH₄Cl) wird die Konzentration der Hydroxyl-Ionen (OH⁻) durch den Common-Ion-Effekt so weit reduziert, dass das Löslichkeitsprodukt von Eisen(II)-hydroxid nicht erreicht wird und somit kein Niederschlag entsteht.

Umweltauswirkungen von Eisenverbindungen

Eisen(III)-O-Arsenit, Pentahydrat

Diese Verbindung kann gefährlich für die Umwelt sein. Besonderes Augenmerk sollte auf Pflanzen, Luft und Wasser gelegt werden. Es wird dringend empfohlen, das Produkt nicht in die Umwelt gelangen zu lassen, da es persistent ist.

Eisen(II,III)-oxid (Fe₃O₄) – Magnetit

Diese Oxidform tritt häufig auf, wenn Eisen unter Wasser rostet, und ist daher oft in Tanks oder unterhalb der Wasserlinie zu finden.

Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) – Rost

Dies ist die häufigste Oxidationsform, die bei Eisen- und Stahlkonstruktionen auftritt. Sie greift Strukturen von Brücken bis hin zu Karosserien an und ist sehr destruktiv.

Gesundheitliche Auswirkungen von Eisen

Akute Exposition

Bei Kontakt mit Gewebe und Verbleib darin können Eisenpartikel Konjunktivitis, Chorioretinitis und Retinitis verursachen.

Chronische Inhalation (Siderose)

Die chronische Inhalation übermäßiger Konzentrationen von Dämpfen oder Staub von Eisenoxid kann zur Entwicklung einer gutartigen Pneumokoniose, der sogenannten Siderose, führen. Diese ist als Veränderung im Röntgenbild sichtbar. Es wurden jedoch keine körperlichen Schäden der Lungenfunktion mit der Siderose in Verbindung gebracht.

Das Einatmen zu hoher Konzentrationen von Eisenoxid kann das Risiko für Lungenkrebs bei Arbeitnehmern erhöhen, die gleichzeitig Karzinogenen ausgesetzt sind.

Calcium: Vorkommen, Eigenschaften und Reaktionen

Vorkommen und industrielle Bedeutung

Calcium ist das fünfthäufigste Element in der Erdkruste (3,6 Gew.-%). Es kommt nicht im nativen Zustand vor, sondern bildet Verbindungen von hohem industriellem Interesse, wie:

• Carbonat (Kalkstein, Dolomit)
• Sulfat (Alabaster, Gips)

Aus diesen Verbindungen werden wichtige Baustoffe wie Kalk, Gips und Zement gewonnen.

Besondere Eigenschaften von Calcium

Calcium ist ein weiches, formbares und duktiles Erdalkalimetall. Es verbrennt mit einer roten Flamme unter Bildung von Calciumoxid und Calciumnitrid.

Die Oberflächen sind zunächst silberweiß, werden aber an der Luft schnell hellgelb und schließlich grau oder weiß. Calcium reagiert heftig mit Wasser zu Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) unter Freisetzung von Wasserstoff.

Nachweisreaktionen von Calcium

1. Fällung mit Ammoniumoxalat

Calcium erzeugt einen weißen Niederschlag von Calciumoxalat (CaC₂O₄ · H₂O). Dieser bildet sich in konzentrierten Lösungen schnell und in verdünnten Lösungen langsam.

2. Flammenprobe

Wenn ein Calciummineral in einen Zustand gebracht wird, in dem es durch Hitze verflüchtigt werden kann, erzeugt es eine charakteristische orangefarbene Flamme.

3. Alkalische Reaktion

Da Calcium ein Erdalkalimetall ist, ergibt ein Calciummineral, das mit einer flüchtigen Säure kombiniert ist, nach dem Erhitzen einen alkalischen Rückstand, der feuchtes Kurkumapapier verfärbt.

4. Fällung als Calciumsulfat

Calcium fällt aus einer Salzsäurelösung als Sulfat aus, wenn etwas verdünnte Schwefelsäure hinzugefügt wird. Da der Niederschlag in Wasser löslich ist, bildet er sich nicht in einer stark verdünnten Lösung.

Wichtige Calciumverbindungen

Calciumcarbonat (CaCO₃)

Calciumcarbonat ist auch bekannt als Calcit, Kalkstein, Kreide, Lithografiestein oder Aragonit. Die reine Substanz hat die Formel CaCO₃. Calciumcarbonat wird durch die Kombination von CO₂ und Ca(OH)₂ gewonnen. Bei Zugabe von mehr CO₂ entsteht Bikarbonat.

Calciumoxid (CaO) – Gebrannter Kalk

Calciumoxid wird auch als gebrannter Kalk bezeichnet. Reines Calciumoxid ist rein weiß, während technischer Kalk aufgrund von Verunreinigungen meist grau oder gelblich ist. Calciumoxid wird durch Verbrennung von Calcium in Luft gewonnen, obwohl es im industriellen Maßstab aus Calciumcarbonat hergestellt wird (Kalkbrennen). Die Reaktion ist reversibel. Der Kalkstein wird in speziellen Öfen, sogenannten Kalköfen, gebrannt.

Umweltrelevanz von Calcium

Wasserhärte und Toxizität

Calcium ist zusammen mit Magnesium für die Wasserhärte verantwortlich. Die Gesamthärte wird analytisch als die Summe der Konzentrationen von Calcium und Magnesium (beide als Calciumcarbonat ausgedrückt) bestimmt. Calciumphosphat ist sehr giftig für Wasserorganismen.

CO₂-Abscheidung mittels Calciumoxid

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Technologie mit Calciumoxid das Potenzial hat, CO₂-Emissionen aus Kraftwerken kostengünstiger abzuscheiden.

Bei dieser Methode (Carbonatisierungs-Kalzinierungs-Zyklus) wird CO₂ aus dem Rauchgas durch eine chemische Reaktion mit Calciumoxid (CaO) entfernt. Dabei entsteht Calciumcarbonat (CaCO₃). Dieses wird erhitzt, um die Reaktion umzukehren und reines CO₂ freizusetzen, wobei CaO zurückgewonnen wird. Das freigesetzte CO₂ kann gespeichert werden.

Diese Technik hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie auch Schwefeldioxid (SO₂) abscheidet, einen in Kohle enthaltenen Schadstoff, der für sauren Regen verantwortlich ist.