Fe

IJzer


IJzer is het op vijf na belangrijkste element in het heelal. Kernfusie in sterren leidt tot steeds zwaardere atomen, maar nooit zwaarder dan ijzer. In de kern van de aarde is zoveel ijzer aanwezig, dat het element alles bij elkaar ongeveer een derde van het planeetgewicht voor zijn rekening neemt. Het aandeel van ijzer in de aardkorst is ongeveer zes procent. In de oudheid, toen men alleen ijzer uit meteorieten benutte, was ijzer acht keer duurder dan goud. IJzer is het enige element waarnaar een geschiedkundig hoofdtijdperk is genoemd. Dankzij de verbetering van het hoogovenproces door de toepassing van cokes werd het mogelijk op grootschalige wijze kwalitatief goed ijzer te bereiden. Dit luidde het begin in van de industriële revolutie. IJzer heeft een aantal belangrijke biologische functies. Het is een belangrijk bestanddeel bij het vastleggen van zonne-energie door groene planten. Het verzorgt de zuurstofbinding in het hemoglobine in rode bloedcellen. IJzer is essentieel voor de ontwikkeling van onze hersenen. Een ijzertekort kan - onder andere - tot gevolg hebben dat kinderen minder goed leren.
Symbool Fe Protonen/elektronen 26
Groep 8 Isotopen 54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe
Periode Elektronenconfiguratie [Ar] 4s2 3d6
Blok d Elektronegativiteit 1,6 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 126 10-12m
Dichtheid 7870 kg m-3 Relatieve atoommassa 55.847
Smeltpunt 1538 oC
(1811 K)
Soortelijke warmte 460 J kg-1K-1
Kookpunt 2861 oC
(3134 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 80.4 W m-1K-1

Bij een element als ijzer geeft zelfs een lange lijst toepassingen nog maar een bescheiden inzicht in het werkelijke gebruik. IJzer wordt het meest toegepast van alle bekende metalen, vooral in de vorm van staal (een legering van ijzer met koolstof).

Fiets

Traditionele fietsen worden gemaakt van constructiestaal. Met sterkere legeringen kunnen dunnere buizen gemaakt worden. Hierdoor worden de fietsen lichter. De gebruikte staalsoort hangt ook af van de produc­tiemethode. Zo vereist inductielassen een ander soort constructie­staal dan 'klassiek' lassen.

 

Auto

De moderne auto kent een beschermende 'kooiconstructie' uit speciale staalsoorten die in staat zijn veel energie op te nemen tijdens een botsing. Ook voor het plaatwerk zijn speciale staalsoorten ontwikkeld, die hoge weerstand bieden tegen de vorming van 'gebruiksdeukjes'. Automobielstaal wordt vrijwel altijd voorzien van een laagje zink om corrosie tegen te gaan. Zwaarbelaste onderdelen zoals de remtrommel en de krukas in de motor worden gemaakt van zoge­noemd nodulair gietijzer. Door de toevoeging van een zeer kleine hoeveelheid magnesium is dat veel minder bros dan het traditionele gietijzer.

Brug

Het ultieme voorbeeld van het gebruik van constructieijzer. De eerste (giet)ijzeren brug ter wereld werd gebouwd in Engeland tussen 1777 en 1779. Ze overspant de rivier de Severn in het dorp Ironbridge (foto) (even ten noordwesten van Birmingham). Voor de bouw van bruggen worden diverse soorten constructiestaal ge­bruikt. Tot de verbeelding sprekende bruggen zijn het Franse Viaduc de Millau ('s werelds hoogste en langste meervoudige hangbrug), de Japanse Akashi-Kaikyo brug (met een overspanning van 1991 meter de grootste brug ter wereld) en natuurlijk de Golden Gate bridge in San Francisco (Verenigde Staten). In Nederland heeft de Van Brienenoordbrug (Rotterdam) de grootste overspanning (305 meter).

 

Boot

Grote transportschepen worden gemaakt van constructiestaal. Soms wordt ook roestvrij staal of aluminium toegepast.

Machine

Gietijzer is een veelgebruikt materiaal voor machineonderdelen zoals lagers, ringen en dergelijke. Afhan­kelijk van de toepas­sing is aan het ijzer koolstof (2-5 %), silicium (0,5 à 4 %), mangaan ( 0,5 - 1 %) of een ander metaal toege­voegd.

Onderdelen voor elektrische machines bevatten ijzer met een beetje silicium. Dit soort ijzer is giet- en smeedbaar en hitte­bestendig. Voor machine-onderde­len die zwaar en stotend belast wor­den, gebruikt men gietstaal dat 0,2 à 0,5 % koolstof bevat.

Een andere veel gebruikte soort is nikkelstaal. Het bevat - afhan­ke­lijk van de toepas­sing - 2 tot 40 % nikkel.

Magneet

Permanente magneten bevatten ijzer in bijzonde­re lege­ringen, bijvoor­beeld met nikkel (tot 28 %), kobalt (tot 20 %), aluminium (tot 12 %), chroom (tot 9 %) of molybdeen (tot 1,5 %). De magnetische werking daarvan is vele malen groter dan die van ijzer. Bekende magnetische legeringen zijn fernico en trico­nal.

 

Conservenblik

Conservenblikken zijn gemaakt van staal be­dekt met een beschermend laagje tin of kunststof (bijvoorbeeld epoxyhars). Dat gaat corrosie tegen en voorkomt ongewenste wisselwerking met de inhoud. Voor dankblikjes maakt men in toenemende mate van aluminiumlegeringen gebruik.

Gereedschap

De fabricage van gereedschappen, meet- en snijapparatuur, precisiemachines en allerlei andere apparaten vereist een zeer harde, corrosie­bestendi­ge en stabiele (temperatuurbe­stendi­ge) staalsoort. Dit is meestal staal, met 0,9 - 1,5 % koolstof en daarnaast legeringselementen als chroom, aluminium of silici­um. Soms wordt ook molybdeen, nikkel, vanadium, kobalt of wol­fraam toegevoegd, afhankelijk van de beoogde toepassing.

Roestvrij stalen (snij)gereedschap is ge­maakt van staal met circa 13 % chroom.

Spijker

De 'spijkers' die doe-het-zelvers en timmerlui gebruiken in houten constructies heten formeel draadnagels. Ze zijn gemaakt van staaldraad, dat volautomatisch op lengte wordt gebracht en vrijwel tegelijkertijd van punt en kop voorzien.

 

Waterzuivering

Verbindingen van ijzer zoals ijzer(III)sulfaat (Fe2(SO4)3) en -chloride (FeCl3) helpen zwembad- en rioolwater te zuiveren vijvers helder te houden. Ze binden fosfaten uit het water, en destabiliseren colloïdaal vuil dat normaliter niet via de filters uit het water is te haloen (denk daarbij aan microscopisch kleine resten van algen, bacteriën en bijvoorbeeld huidschilfers).

Bij het oplossen van de ijzer(III)zouten treden onder andere de volgende reacties met water op:

3 Fe3+ + 2 PO43-  + 6 H2O --> (FeOH)3(PO4)2 + 3 H3O+

en

Fe3+ + 6 H2O --> Fe(OH)3  + 3 H3O+

Fe3+ + 4 H2O --> Fe(OH)2+  + 2 H3O+

2 Fe3+ + 4 H2O --> Fe2(OH)24+  + 2 H3O+

De daarbij gevormde deeltjes destabiliseren de colloïdale oplossing, waardoor er een neerslag ontstaat die is af te filtreren.

In vijvers wordt ook wel een zuiverend effect bereikt door een stuk roestend ijzer op de bodem te leggen.

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • katalysator voor de ammoniakbereiding
  • wapening van beton

In verbindingen

  • beitsmiddel                                                                              FeCl2, FeCl3, Na- of KFe(SO4)2, Fe2(SO4)3
  • desinfectiemiddel                                                                     FeSO4
  • elektrische geleider                                                                  Fe3O4
  • etsen van aluminium                                                                FeSO4
  • geluidsbanden                                                                          ijzeroxiden, vnl. Fe2O3
  • geneesmiddel
    tegen bloedarmoede/ijzertekort                                              FeC4H2O4 en andere ijzerverbindingen
    stoppen van bloedingen; bloedstolling                                    FeCl3
  • houtconservering                                                                       Fe(CH3COO)3, FeSO4
  • inktbereiding                                                                               FeSO4.7H2O
  • katalysator bij de ontzwaveling van gassen                              Fe(OH)3
  • kleurstof in schmink en poeder                                                 Fe2O3
  • kleurstof voor keramiek, email                                                  FeS
  • kleurstoffen
    - Berlijns blauw                                                                          K­FeFe(CN)6
    - geel                                                                                          Fe2(CrO4)3
  • kleurstoffen voor voedingsmiddelen (E172)                             Fe-oxide/hydroxide
  • onkruidbestrijding (o.a. tegen mos in het gazon)                     FeSO4
  • pigmenten
    o.a. voor gummi, linoleum, kunststof, verf en papier             ijzer­oxiden
  • polijstmiddel voor glas en diamant                                           Fe2O3

Naam

De naam ijzer is naar alle waarschijnlijkheid af­kom­stig van het Middelnederlandse woord isen. Dat is op zijn beurt afgeleid van het Gotische woord eisarn of het Oudsaksische isarn, op hun beurt afkomstig van het Oudkeltische isarno.

Er is wellicht enig verband met het Latijnse woord ira, wat toorn bete­kent, vanwege de kracht van het materi­aal. Het latere Latijnse woord is ferrum, waarvan ook het symbool Fe is afgeleid.

Ontdekking

IJzer was reeds in de Oudheid bekend. Het eerst gebruikte ijzer (ca. 4000 v. Chr.) is vermoe­delijk afkom­stig van bepaalde meteorieten (foto) waarin metallisch ijzer voorkomt (mineralogen spreken dan van 'gedegen' ijzer).

 

De hittieten waren waarschijnlijk de eerste mensen die met behulp van houtskool ijzererts in ijzer wisten om te zetten. Pas met de uitvinding van de hoogoven was men in staat staal in grotere hoeveelheden te produceren. Chinezen waren al in de 5e eeuw v.Chr. bekend met het hoogovenproces; in Europa ontdekte men het pas in de 13e eeuw. De volgende belangrijke technologische innovatie was het gebruik van cokes in plaats van houtskool aan het begin van de 18e eeuw. Dit luidde het begin van de industriële revolutie in.

De ijzertijd is het geschiedkundige hoofdtijdperk dat zich kenmerkt door het veelvuldige gebruik van ijzer. In West-Europa begint de ijzertijd omstreeks 800 v.Chr. en eindigt als de Romeinen naar de Lage Landen komen (ongeveer het begin van onze jaartelling). In België en het zuiden van Nederland werden ijzeren voorwerpen gangbaar rond 700 v.Chr., in Noord-Nederland ongeveer een eeuw later.

 

Voorkomen

Het aandeel van ijzer in de aardkorst is 5,63 % (op basis van gewicht). Het is daar het op drie  na meest voorkomende element (na zuurstof, silicium en aluminium).

Vooral in de kern van de aarde is enorm veel ijzer te vinden. Men schat dat ijzer goed is voor ongeveer een derde van de totale massa van de aarde. Uit al dat ijzer zou je wel drie planeten kunnen maken met de omvang van Mars.

IJzer komt voor in het menselijk lichaam. Bloed bevat hemoglobine, een ijzer(II)complex dat voor de zuurstof/koolstofdioxide-uitwisseling zorgt. Het aandeel van ijzer is ongeveer 0,006%, dat is gemiddeld zo'n 3,6 gram per mens.

IJzer is aanwezig in een groot aantal mineralen, verspreid over de gehele wereld. Het komt voor in de vorm van oxiden, sulfiden, carbonaten, nitraten en silica­ten.

 

De belang­rijkste ijzerhoudende mineralen zijn:

  • ilmeniet (foto)                                         FeTiO3
  • hematiet, roodijzer­steen of ijzerglans     Fe2O3
  • lepidokrokiet                                           gamma-Fe+3O(OH)
  • limo­niet of bruinijzersteen                       FeO(OH).nH2O
  • magnetiet of magneetij­zersteen              Fe+2.Fe+32O4
  • pyriet                                                        FeS2
  • sideriet of ijzerspaat                                FeCO3

Metallisch ijzer (in 'gedegen' toe­stand) komt slechts zeer sporadisch voor, onder andere in Groen­land. De Hoba meteoriet in Namibië is 's werelds grootste brok natuurlijk voorkomend ijzer, met een gewicht van meer dan zestig ton. Het is ook meteen de grootste meteoriet die we kennen. De samenstelling is 82 ??? 83% ijzer, 16 ??? 17 % nikkel, ongeveer 1% kobalt, en kleine sporen van diverse andere elementen.

Winning

De belangrijkste wingebieden voor ijzer liggen in China, Brazilië, Rusland, West-Austra­lië, de Verenigde Staten van Amerika, India, Canada, Zuid-Afrika en Zweden. Kleinere wingebieden liggen in Frankrijk, Mexico, het Verenigd Konink­rijk, Duits­land, Span­je, Noorwegen, Finland en Venezuela.

 

Vroeger

De Hittieten, een volk dat zich ongeveer vanaf 2000 v. Chr. ontwikkelde in de regio Asia Minor (Anatolië, het huidigeTurkije) waren waarschijnlijk de eersten die ijzer uit erts wisten te bereiden met behulp van houtskool. Zij hielden dit proces om strate­gi­sche redenen - de productie van zwaarden en schilden - geheim. Na de val van hun rijk (rond 1200 v. Chr.) kwam deze ontdekking beschikbaar voor andere volke­ren, wat leidde tot het ijzertijdperk. Ongeveer 800 v. Chr. begint de winning van erts en bereiding van ijzer in Europa (Balkan en Oosten­rijk).

Het allereerste staal werd bereid door reductie van ijzererts met houtskool in een oven. Het werd daarbij niet vloeibaar. Alleen via langdurig smeden was het mogelijk ingesloten oxides en andere onzuiverheden te verwijderen. Later wist men (onder andere door voorverwarmen van de blaaswind) de procestemperatuur op te voeren zodat het ijzer meer koolstof opnam. Daardoor daalde het smeltpunt, maar het ijzer werd bros en nauwelijks smeed­baar. Het verbranden van het koolstof in het ijzer leidde uiteindelijk tot een staalsoort die wel smeedbaar was, maar nog veel onzuiverhe­den bevatte.

Tegenwoordig

IJzer (staal) wordt bereid via reductie van ijzererts met cokes in een hoog­oven:

2 Fe2O3 + 3 C  -->  4 Fe + 3 CO2

Dit proces verloopt via een aantal tussenstappen, die afhanke­lijk zijn van de tempera­tuur. Van boven (het koudere gedeelte van de hoogoven, tussen 200 en 700 °C) naar beneden (met veel hogere temperatu­ren, tot 1200 °C) vinden verschillende reacties plaats, zoals:

3 Fe2O3 + CO  --> 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO     --> 3 FeO + CO2

FeO + CO         --> Fe + CO2

 

Het gevormde ijzer is vloeibaar. Tevens ontstaat een zoge­noemde slak, waarin een aantal verontreinigingen (zoals SiO2, MnO, P2O5) wordt opgenomen. De slak drijft op het gesmolten ijzer en kan daardoor gemakkelijk worden verwijderd. Deze slak moet vloeibaar blijven. Indien nodig wordt vloeispaat (CaF2) toege­voegd om dit te bevorde­ren. Voor een goede slakvorming wordt calciumcarbonaat toegevoegd, dat ontleedt in calciumoxide en koolstofdioxide. Het koolstofdioxide reageert met cokes tot koolstofmonoxide, dat werkt als reductor. Het calciumoxide reageert met allerlei verontrei­ni­gingen, bijvoorbeeld met siliciumdioxide:

CaO + SiO2 --> CaSiO3

Van de laatste stof wordt hoogovencement gemaakt.

Het product van de hoogoven is ruwijzer. Als dit nog teveel verontreinigingen bevat (bijvoorbeeld teveel fosfor-, silicium-, of zwavelverbindingen of koolstof) kan het verder worden bewerkt. De niet gewenste bestandde­len worden geoxideerd, waarna de oxiden in de slak terechtkomen. Op deze manier wordt staal gemaakt met de gewenste samen­stelling. Dit gebeurt op verschillende manieren, bijvoor­beeld via het oxystaalproces, waarbij men zuivere zuur­stof ge­bruikt om het koolstofgehalte te verlagen. Een andere mogelijkheid is het Bessemer- en het Thomasproces. Hierbij wordt lucht door het ruwijzer geblazen en schroot toegevoegd om de temperatuur te beheersen. Een derde manier is het Siemens-Martinproces. Dit proces vindt plaats in een oven waarvan de temperatuur zeer goed regelbaar is. Daardoor kan meer schroot of vast ruwijzer wor­den verwerkt. Om­dat de samenstel­ling van het staal zeer nauwkeurig is te regelen, wordt deze methode meest­al gebruikt voor de vervaardiging van speciale staal­soorten.

De naam van het product is afhankelijk van het koolstofgehalte. Men spreekt van smeedijzer als het gehalte lager is dan 0,05 %; van zacht, hard en extra hard staal tussen 0,05 % en 2 % en van gietijzer boven de 2 %.

Staal bevat altijd (kleine hoeveelheden van) andere metalen. Zij worden niet aangeduid als de hoeveel­heid beneden een bepaalde waarde blijft (bijv. aluminium< 0,1 %, nikkel, chroom < 0,3 %, mangaan < 1,6 %). Men noemt dat zelfs ongelegeerd staal.

 

Bij het stollen van het ijzer kan de aanwezige koolstof zich met zuurstof verbinden tot koolstofmonooxide. Door het gevormde gas komt het vloeibare ijzer in heftige beweging. Aan de buitenzijde ontstaat dan een laag zuiver staal, terwijl verontreinigingen in het midden van het blok staal terecht­komen. Dit 'onrustige staal' wordt voorna­melijk gebruikt voor het maken van dunne platen (onder andere voor de autoindus­trie). Als de zuurstof gebonden wordt door toevoeging van aluminium en/of silicium, ontstaat halfrustig of rustig staal. Dit wordt gebruikt voor zogenoemd constructiestaal (een staalsoort die zeer geschikt is voor bewerkingen als lassen, branden, enz.), omdat de eigenschap­pen van het materiaal wat gelijkmatiger zijn.

Staalsoorten worden veelal ingedeeld op verwerkingsme­thode of toepassingsgebied, bijvoorbeeld: gietstaal, trans­formator­plaat, verenstaal, klinknagelstaal, sneldraaistaal, rollagerstaal, hittevast staal, niet magnetiseerbaar staal, enz.

Staal oxideert snel. Het wordt hiertegen beschermd door verzinken, aluminiseren of cadmeren. Ook kan men zwak legeren om atmosferi­sche corrosie tegen te gaan. Er wordt dan zogenoemd weervast staal gevormd, dat welis­waar wordt bedekt door een roestlaag (oxidelaag), maar éen die vrijwel ondoordring­baar is en dus bescherming biedt. Door staal te legeren met grotere hoeveelheden chroom en/of nikkel ver­krijgt men roestvrij of roestvast staal. Het meest gebruikte roestvrije staal is RVS 18-8. Dit staal is gelegeerd met 18 % chroom en 8 % nikkel. Het is zelfs roestvast in aanwezigheid van chloride-ionen en wordt daarom veel in zeeatmosfeer toege­past. Om de roestvaste eigenschappen te verhogen wordt zo nodig (tot 2%) molybdeen toegevoegd. In de handel vindt men eveneens voorgelakte staalplaat of staal voorzien van een laagje kunststof of rubber.

 

Legeringen

De technische eigenschappen van ijzer zijn aanzienlijk te verbeteren via legeren - het toevoegen van andere metalen. De reeks van mogelijke legeringselementen is zeer uitgebreid; de belangrijkste zijn aluminium, chroom, mangaan, molyb­deen, nikkel, titaan, vanadium, kobalt, wolfraam, niobium en tantaal. De beoogde toepassing bepaalt aan welke eigen­schap­pen het staal moet voldoen en dus welke legeringselementen in de 'staalreceptuur' worden opgenomen.

Hoewel het toevoegen van een legeringsmetaal altijd van invloed is op meerdere eigenschappen, wordt in onderstaande tabel het belangrijkste effect weergege­ven.

          stof     toegevoegd om:

  • Al         in het staal aanwezige zuurstof te binden
  • B         de treksterkte te verhogen (omdat dit metaal neutronen ab­sor­beert, wordt aan staal voor de bouw van kernre­acto­ren 1 % boor toegevoegd)
  • C         de sterkte en de hardbaarheid te verbeteren
  • Ce       de vuurvastheid en de sterkte bij hogere tem­pera­tuur te bevorderen
  • Co       de sterkte en de snijbaarheid te verhogen en corro­sie tegen te gaan
  • Cr        de slijtvastheid en de snijbaarheid te verbeteren (wanneer 13 % of meer chroom wordt toegevoegd, ont­staat roestvrij staal)
  • Mn       de sterkte en de lasbaarheid te verbeteren
  • Mo       de treksterkte en de lasbaarheid te verhogen en put­cor­rosie bij chroom-nikkel-staal te voorko­men
  • Nb,Ta  de sterkte bij hogere temperatuur te verhogen (wordt toegepast in hittevast staal)
  • Ni        corrosie te voorkomen.
  • Si         de elastische eigenschappen te verbeteren
  • Ti         de sterkte bij hoge temperatuur en de magneti­sche eigenschappen te verhogen
  • V,W     de verspaanbaarheid en de elastische eigenschappen te verho­gen
  • Zr        oxidatie tegen te gaan; het verlengt de levens­duur van bijvoor­beeld verwar­mings­elemen­ten

Zuiver ijzer wordt op verschillende manie­ren verkregen:

  • door reductie van het zuivere oxide of hy­droxide met water­stof
  • door elektrolyse
  • door verhitting van onzuiver ijzer met koolstofmonoxide. Dit resulteert in de vorming van Fe(­CO)5, dat bij ontleden zuiver ijzer ople­vert .

Deel dit op: