Das Metall Eisen ist geruch- und geschmacklos. Der typische metallische Eisen-Geschmack beim Lecken am Metall und auch der Geruch bei Berührung mit der Haut kommen durch eine Reaktion des Metalls mit dem Hautschweiß oder dem Speichel zustande. Dabei entstehen lösliche Eisensalze, die Eisen-Ionen enthalten. Diese sind für das Phänomen verantwortlich. Der Blutfarbstoff Hämoglobin ist für den Sauerstofftransport zuständig. Er ist aus einem Komplex aufgebaut, in dem Eisen(II)-Ionen chemisch gebunden sind. Deshalb schmeckt auch Blut „nach Eisen“.

Eisen ist ein eher unedles Metall, es ist gut oxidierbar. An trockener Luft ist das kompakte Metall beständig, da sich eine Oxidschicht bildet, die das darunter liegende Eisen schützt. Ganz feines und sehr reines Eisenpulver ist sogar pyrophor, es kann sich an der Luft von selbst entzünden. Streut man Eisenpulver in eine Brennerflamme, dann verglüht es mit Leuchterscheinungen. 

An feuchter Luft und vor allem in Sauerstoff- und CO₂-haltigem Wasser oxidiert auch kompaktes Eisen leicht unter Bildung von Rost. Das Reaktionsschema gibt den komplizierten Rostvorgang stark vereinfacht wieder:  

In Salzsäure oder in verdünnter Schwefelsäure löst sich Eisen unter Bildung von Wasserstoff und der entsprechenden Salze:   

Bei konzentrierter Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure ist das Eisen infolge Passivierung beständig, so dass man diese in eisernen Gefäßen und Rohren aufbewahren oder transportieren kann. Dieses Phänomen kann dadurch erklärt werden, dass sich mit den oxidierend wirkenden Säuren eine sehr regelmäßige, aber dünne Oxidschicht bildet, die das Eisen vor Zersetzung schützt. Eisen bildet zahlreiche Verbindungen, mit heißem Chlor entsteht Eisen(III)-chlorid FeCl₃, mit Schwefel Eisen(II)-sulfid FeS und mit Sauerstoff Eisen(II,III)-oxid Fe₃O₄:  

 
Film

Eisen-Ionen treten am häufigsten in den Oxidationsstufen +2 und +3 auf. Es existieren Ionen in Verbindungen mit den Oxidationsstufen von −2 bis +6, viele dieser Eisenverbindungen sind aber nicht besonders stabil. Zu den Eisen(II)-verbindungen mit Eisen(II)-Ionen zählen zum Beispiel Eisen(II)-chlorid, Eisen(II)-sulfat oder Eisen(II)-sulfid, während Eisen(III)-chlorid oder Eisen(III)-oxid häufig benutzte Eisen(III)-verbindungen sind. Eisendihydroxid Fe(OH)₂ kann man durch Ausfällen einer Eisen(II)-salz-Lösung mit Natronlauge unter Luftabschluss in sauerstofffreiem Wasser herstellen. Das weiße Eisendihydroxid oxidiert sehr leicht mit Sauerstoff über mehrere Zwischenverbindungen zu rotbraunem Eisentrihydroxid Fe(OH)₃.

Gelöste Eisen(II)-Ionen kann man mit rotem Blutlaugensalz nachweisen. Beim Stoffmengenverhältnis eins zu eins entsteht kolloidal gelöstes Berlinerblau:

a) Fe²⁺  +  K₃[Fe^III(CN)₆]    2 K⁺  +  K[Fe^IIIFe^II(CN)₆]

Mit Eisen(III)-Ionen bildet dagegen das gelbe Blutlaugensalz Berlinerblau:

b) Fe³⁺  +  K₄[Fe^II(CN)₆]    3 K⁺  +  K[Fe^IIIFe^II(CN)₆]

Unlösliches Berlinerblau Fe₄^III[Fe^II(CN)₆]₃ fällt in der Reaktion b) aus, wenn Fe³⁺-Ionen im Überschuss eingesetzt werden. Unlösliches Turnbulls Blau [Fe^II(CN)₆]⁴⁻ + Fe₄^III[Fe^II(CN)₆]₃ entsteht nach der Reaktion a) bei Überschuss der Fe²⁺-Ionen. [Lit 121] Die beiden unlöslichen Komplexe werden als blaue Pigmente benutzt.

Eisen(III)-Ionen können auch mit Kaliumthiocyanat nachgewiesen werden. In einer sehr empfindlichen Reaktion entsteht rotes Eisenthiocyanat:

Fe³⁺  +  3 SCN⁻    Fe(SCN)₃

Eisen(II)-Ionen und Eisen(III)-Ionen nachweisen

Bei Zugabe von gelöstem, rotem Blutaugensalz zu einer Lösung mit Eisen(II)-Ionen entsteht Berlinerblau (links); bei Zugabe einer Kaliumthiocyanat-Lösung zu einer Lösung mit Eisen(III)-Ionen entsteht Eisenthiocyanat (rechts).

Im menschlichen Körper finden sich die Eisenverbindungen vor allem im Blut bei den Erythrozyten, den roten Blutkörperchen. Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin ist aus einem Eisen-Protein aufgebaut. An das im Chelat-Komplex gebundene Fe²⁺-Ion im Hämoglobin-Molekül kann sich Sauerstoff binden. Dadurch sind der Sauerstofftransport und die -speicherung im Blut gewährleistet. Darüber hinaus gibt es einige Enzymgruppen im Energiestoffwechsel, bei denen Eisen-Atome eingebunden sind.  

Häufigkeit   sehr häufig

Eisen steht mit 4,7% an vierter Stelle der Elementhäufigkeit in der Erdhülle. In der Natur kommt es in gediegener Form sehr selten vor. In Meteoriten ist es häufig enthalten. Zu den bedeutenden Eisenerzen zählen der Hämatit, der Magnetit, der Siderit oder das Gestein Limonit, das hauptsächlich aus den Mineralien Goethit und Lepidokrokit aufgebaut ist. Die bedeutendsten Erzvorkommen liegen in China, Australien, Brasilien, Indien, Russland oder in der Ukraine. In Deutschland kommen Eisenerze im Lahn-Dill-Gebiet in Hessen oder bei Salzgitter vor. Die Erzreserven werden weltweit auf über 115 Milliarden Tonnen geschätzt.   

   
Das Bild unten zeigt einen Eisen-Meteoriten, der in Gibeon, in Namibia gefunden wurde und vor ungefähr 30000 Jahren auf der Erde einschlug. Sein Alter wird auf 4,5 Milliarden Jahre geschätzt. Er enthält neben Eisen einen Nickel-Anteil von 6,8 Prozent, einen Cobalt-Anteil von 0,4 Prozent und einen winzigen Iridium-Anteil. Nach dem Schleifen wird der metallische Charakter des Meteoriten sichtbar. Nach dem Ätzen mit 5%iger alkoholischer Salpetersäure treten die für einen Meteoriten typischen „Widmannstättenschen Gefüge“ sichtbar. Es handelt sich dabei um eine Mischung mehrerer Eisen-Modifikationen. Die beim nickelarmen α-Eisen ausgebildeten Balken werden seitlich von nickelreichem γ-Eisen („Bandeisen“) begrenzt. Sind die beiden Eisen-Modifikationen nach dem Oktaeder verwachsen, erhält man nach dem Ätzen die beschriebenen Figuren:  

Die Eisenerzlagerstätten sind sedimentär in der Frühgeschichte der Erde entstanden, als die eisenhaltigen Meteoriten in den Urmeeren am Meeresboden durch Bakterien und biologische Abbauprozesse in Eisensalze umgewandelt wurden. Der Name Eisen und das englische iron könnten ihren Ursprung in keltischen Flussnamen, wie Isarno, Isarkos, Eisack oder Eisen haben. Andere Quellen sehen den Ursprung im keltischen Isara („stark, fest“). Der lateinische Name ferrum stammt von dem lateinischen Wort ferreus („kräftig, hart, schwer“) ab. Das Symbol Fe führte J.J. Berzelius im Jahre 1814 ein. In der Alchemie war das Eisen dem Planeten Mars zugeordnet und verkörperte im Gegensatz zum Kupfer das männliche Prinzip. Es erhielt daher das Marszeichen (erstes Symbol von links):

Eisen als Metall war bereits in der Antike bekannt. Die Eisenzeit begann nach der Bronzezeit etwa um 1400 vor Christus. Als Erfinder der Eisengewinnung aus Eisenerz gelten die Chalyber, die Untertanen der Hethiterkönige waren. Sie lebten an der Südküste des Schwarzen Meeres und verhütteten Eisenerz mit Hilfe der Holzkohle aus dem Holz der Gebirgswälder des nordostanatolischen Gebirges. Die Chalyber erfanden auch ein Verfahren zum Härten des Eisens auf der Oberfläche. Das gehärtete Eisen erwies sich härter als Bronze, so dass die Bronze zunehmend an Bedeutung für Werkzeuggeräte und Waffen verlor. Das Eisen war auch leichter herzustellen als Bronze und die benötigten Rohstoffe waren in großen Mengen verfügbar. [Lit. 135]

Die Technologie kam um 500 vor Christus nach Europa. Eine Eisenindustrie entstand erst im 7. Jahrhundert nach Christus in der Steiermark, später in Thüringen und Sachsen. Die Verkohlung des Buchenholzes zu Holzkohle erfolgte im Mittelalter in aufgeschichteten Kohlenmeilern: Das aufgehäufte Holz wurde luftdicht abgedeckt und entzündet. Die Luftzufuhr wurde durch den Köhler so reguliert, dass das Holz nicht vollständig verbrannte, sondern nur verkohlte und die leicht flüchtigen Bestandteile des Holzes verdampften. Ein weißer, dichter Rauch zeigte an, dass der Verkohlungsprozess noch im Gang war. Wurde er hell und bläulich, war der Prozess abgeschlossen. Schon im Mittelalter holzte man zur Eisenverhüttung ganze Wälder ab.

Mittelalterlicher Rennofen

Der an einem Berghang stehende Rennofen war mit Steinen aufgemauert und mit Lehm ausgekleidet.

Bis zum späten Mittelalter wurde das Eisenerz wie bei den Römern in Rennöfen oder in niedrigen Schachtöfen verhüttet. Der trichterförmige Rennofen war mit Steinen und mit Lehm ausgemauert und an einem Berghang angelegt. Der Hangwind erzeugte einen Luftdurchzug, der die Hitze des Rennfeuers erhöhte. Die Luftzufuhr erfolgte später auch mit Blasebälgen. Das Eisen entstand als teigige Masse, dem Eisenschwamm, der auch „Lupe“ oder „Wolf“ genannt wurde. Die flüssige Schlacke erhielt man durch die Zugabe von Kalk, sie „rannte“ aus dem Ofen. Der Eisenschwamm war schmiedbar. [Lit. 148, 149]

Der Stückofen war ein viereckig gemauerter, bis zu vier Meter hoher Schachtofen, der oben offen war. Das gebildete Eisen konnte man in Stücken aus dem Ofen herausholen. Die Öfen wurden im Lauf der Zeit immer mehr optimiert. Das Zerkleinern des Eisenerzes übernahmen Pochwerke, die durch Wasserkraft angetrieben wurden. Das Herausschlagen der Schlacke erfolgte durch Hammerwerke, die ebenfalls mit Wasserkraft betrieben wurden. Im 14. Jahrhundert baute man höhere Schachtöfen mit optimierter Luftzufuhr. Wasserkraftgetriebene Blasebälge ermöglichten höhere Temperaturen, so dass sich das Eisen verflüssigte. Diese, bis zu 10 Meter hohen Schachtöfen gelten als Vorläufer des modernen Hochofens.

Der Betrieb eines funktionierenden, mit Koks gefeuerten Hochofens ist seit 1735 durch den englischen Eisenfabrikant Abraham Darby II (1711−1763) in Shropshire bekannt. Zuvor hatte sein Vater Abraham Darby I (1676–1717) jahrelang an der Austüftelung des Verfahrens gearbeitet. Während das Holz in England zu jener Zeit dringend für den Schiffsbau benötigt wurde, stand die Steinkohle in großer Menge zur Verfügung. Die Steinkohle wurde in Kokereien unter Sauerstoffabschluss zu Koks verkohlt. Dabei werden die flüchtigen Bestandteile der Steinkohle abgetrennt. Koks hat eine höhere Energiedichte, und er erzeugt beim Verbrennen weniger Rauch. Die von James Watt im Jahr 1769 patentierte Dampfmaschine verbesserte das Gebläse und erhöhte die Leistungsfähigkeit eines Hochofens nochmals erheblich. Erst 1796 gelang es dem Preußischen Hüttenwerk Gleiwitz, den ersten mit Koks betriebenen Hochofen auf dem europäischen Festland in Betrieb zu nehmen.

Der englische Erfinder und Metallgießer Benjamin Huntsmann (1704–1776) stellte 1740 erstmals Gussstahl mit Hilfe eines Flussmittels in Tiegeln her. So konnte der Stahl vergossen und die Tiegel wiederverwendet werden. Henry Cort (1740–1800) erfand 1784 das Puddelverfahren: Dabei wurden die im geschmolzenen Roheisen enthaltenen Bestandteile wie Kohlenstoff oder Mangan durch erhitzte Luft verbrannt. Ein Arbeiter – der Puddler – rührte dazu die Schmelze mit langen Stangen ständig um, damit die Luft an die Schmelze kam.

Durch die Kontinentalsperre – der Wirtschaftsblockade des Vereinigten Königreichs durch Napoleon Bonaparte – gab es auf dem europäischen Festland von 1806 bis 1813 keinen Gussstahl mehr aus England. Dies regte den deutschen Unternehmer Friedrich Krupp (1787–1826) an, Gussstahl in seinem Betrieb herzustellen, was ihm ab 1816 gelang. Sein Sohn Alfred Krupp (1812–1887) baute ab 1849 die ersten Gussstahlgeschütze. Dadurch verbesserte sich die Feuerkraft der Geschütze erheblich.

Bessemerbirne zur Stahlerzeugung

Die Bessemerbirne war innen mit Ziegeln ausgekleidet, und man konnte sie kippen.

Sir Henry Bessemer (1813–1898) gilt als Erfinder der Bessemerbirne, die ab 1856 zum Einsatz kam: Bei dem heute nicht mehr angewendeten Verfahren wurde in einem Gebläseofen Luft in das geschmolzene Roheisen geblasen. Der Vorgang erfolgte in einem birnenartigen Gefäß, das mit feuerfesten Ziegeln ausgekleidet war und das man kippen konnte. Die Erfindung des gezogenen, innen schraubenartig gedrehten Laufs bei Gewehren und Geschützen ermöglichte eine wesentlich höhere Treffsicherheit. Diese Konstruktion konnte erst durch den gießbaren Stahl aus der Bessemerbirne verwirklicht werden.

Sidney Thomas (1850–1885) verbesserte zusammen mit seinem Vetter, dem Chemiker Percy Carlyle Gilchrist (1851-1935) das Blasverfahren ab 1876. Beim Windfrischen wird Luft von unten durch Bodendüsen in die Thomas-Birne geblasen. Es werden dabei so hohe Temperaturen erreicht, dass auch phosphorhaltiges Roheisen zu Stahl verarbeitet werden kann. Der so hergestellte Thomas-Stahl eignete sich für Eisenbahnschienen oder zum Brückenbau. Der Nachteil des Verfahrens bestand darin, dass der Luftstickstoff mit dem Eisen Nitride bildet, die die Zähigkeit des Stahls herabsetzen. Die Verfahren zur Stahlherstellung verbesserten sich kontinuierlich, 1904 wurde der erste Elektroofen zur Stahlerzeugung in Betrieb genommen. Eine befriedigende Stahlqualität brachte erst das Sauerstoffblasverfahren, das auf die Vorarbeiten des Schweizer Metallurgen Robert Durrer (1890–1978) aus dem Jahr 1928 zurückgeht.

Da Eisen in der Natur nur in Meteoriten elementar vorkommt, muss es durch eine Reduktion aus Eisenerzen gewonnen werden. Das bedeutendste Verfahren ist heute der Hochofenprozess.   

Im Labor kann man Eisenerz mit Hilfe von Aluminium reduzieren. Dazu gibt man ein Gemisch aus rotem gemahlenem Eisenoxid und Aluminiumgrieß in einen Tontopf und zündet dieses Thermit-Gemisch mit Hilfe einer starken Wunderkerze. Der Versuch verläuft stark exotherm:  

Die Eisenlegierungen werden je nach Zusammensetzung und Einsatzbereich unterteilt. Als Gusseisen bezeichnet man eine Eisenlegierung, die mindestens 2 % Massenanteil an Kohlenstoff enthält. Üblich sind 2,6 bis 3,6 % Massenanteil. Beim Gusseisen mit Lamellengraphit ist der Graphit in mikroskopisch kleinen, lamellenartigen Blättchen eingelagert. Der enthaltene Graphit ist weich, er lässt die Bruchfläche grau erscheinen. Der enthaltene Kohlenstoffgehalt setzt den Schmelzpunkt herab und verursacht eine dünnflüssige Schmelze, die beim Grauguss gut vergossen werden kann. Dadurch können große und aufwändige Werkstücke wie Getriebegehäuse gegossen werden. Das Gusseisen ist hart und spröde, die Zugfestigkeit ist gering, es lässt sich nicht schmieden. Es hat aber gute Gleiteigenschaften, besitzt Formsteifigkeit und kann Schwingungen dämpfen. Beim Gusseisen mit Kugelgraphit liegt der Graphit in Kugelform vor. Diese Gusseisenform besitzt eine höhere Zugfestigkeit, es ist zäher und bricht nicht so schnell. Eingesetzt wird es für große Zahnräder, Kurbelwellen oder Turbinengehäuse. Der Temperguss kommt bereits den Eigenschaften des Stahls schon sehr nahe. Nach dem Gießen werden die Teile einer längeren Wärmebehandlung durch Glühen durch Zugabe von Luftsauerstoff unterzogen. Dies setzt den Kohlenstoffanteil herab, es entsteht ein „weißer Temperguss“, die Bruchfläche glänzt metallisch hell. Solche Metallstücke sind schweißbar. Beim „schwarzen Temperguss“ erfolgt das Glühen unter Ausschluss von Sauerstoff, die Bruchfläche erscheint schwarz. Temperguss wird im Fahrzeug- und Maschinenbau verwendet.

Als Stahl wird eine Eisenlegierung mit weniger als 2 % Massenanteil Kohlenstoff bezeichnet. Die Zahl ist nicht willkürlich gewählt: Eisen liegt bis zu einem Prozentgehalt von 2,06 % in der Schmelze in der kubisch-flächenzentrierten Form vor, die als Austenit bezeichnet wird. Diese Modifikation ist gut verformbar. Man kann Stahl nach dem Anteil der Legierungsmengen unterteilen. Unlegierter Stahl enthält relativ geringe Anteile der Legierungselemente wie Aluminium, Chrom, Nickel oder Wolfram. Von den genannten Elementen dürfen zum Beispiel nur maximal 0,3 % enthalten sein. Niedrig legierter Stahl enthält neben dem Eisen bis zu 5 % Anteil an Fremd-Metallen. Chrom, Nickel, Mangan oder Molybdän erhöhen die Zugfestigkeit erheblich. Ist der Stahl aggressiven Chemikalien ausgesetzt – zum Beispiel in einem chlorhaltigen Reaktionsbehälter der chemischen Industrie –  dann wird hochlegierter Stahl benötigt. V4A-Stahl enthält neben dem Eisen 18 % Chrom, 10 % Nickel, 2 % Molybdän und wenig Titan. Moderne Schwimmbecken sind aus diesem Stahl aufgebaut.

Kirchenfeldbrücke in Bern

Diese Stahlbogenbrücke wurde 1881 bis 1883 gebaut. Sie ist 229 Meter lang und 37 Meter hoch. Sie besitzt zwei Bögen mit einer Stützweite von 78 Meter. Verbaut wurden 1300 Tonnen Stahl.

Baustahl wird für den Stahl- und Maschinenbau eingesetzt. Betonstahl wird als Armierung in der Schalung im Beton vergossen. Es werden oft niedrig legierte Stahlsorten eingesetzt, da diese billig herstellbar sind und trotzdem relativ gute Eigenschaften aufweisen. Die häufigste Methode um Stahl vor der Korrosion zu schützen ist die Feuerverzinkung. Alternativ kann der Stahl auch mit einem Lack versehen oder mit einem Polymer wie Epoxid beschichtet werden. Wetterfester Baustahl enthält geringe Legierungsanteile von Elementen wie Chrom, Kupfer oder Nickel, die eine Patina bilden; dadurch wird Witterungsbeständigkeit erreicht. Dieser Stahl wurde früher häufig für Brücken verwendet. Heute wird austenitischer Edelstahl eingesetzt, der mindestens 8 % Nickel enthält. Er vereint Korrosionsbeständigkeit und die gewünschten mechanischen Eigenschaften optimal. Der Begriff Edelstahl ist mehrdeutig. Im ursprünglichen Sinn ist damit ein Stahl mit besonders hoher Reinheit gemeint. Häufig wird der Begriff aber für nichtrostenden Stahl („Edelstahl rostfrei“) eingesetzt.