⚒ Vom Erz zum Eisen ⚒ EarthCache

Aufgrund seiner tektonischen Randlage am Thüringer Wald, kommen bei Suhl verschiedene Bodenschätze, unter anderem auch Eisenerze, vor. Betrachtet man die Einfärbung des unten zu sehenden Profilschnitts, erkennt man, dass Suhl genau an einer geologisch interessanten Störungszone liegt.

Geologischer Profilschnitt durch Thüringen [1].

Sowohl Toponyme, wie der „Eisenberg“ im Suhler Ortsteil Schmiedefeld (was ja ebenfalls auf Eisen hinweist), als auch der seit dem Mittelalter belegte Eisenerzbergbau in der „Waffenstadt Suhl“ weisen darauf hin, wie wichtig dieser Rohstoff für die Region war. Magnetit, Hämatit und Limonit kommen fast im gesamten Stadtgebiet vor. [2] An den Koordinaten dieses EarthCaches befindest du dich vermutlich an einem der ältesten Zeugnisse des Suhler Erzabbaus. In der Kluft rechts neben der Infotafel wurde Eisenerz im Tagebau gewonnen. An den Felswänden haften noch immer Spuren des ausgehauenen Erzes. [3]

Hier wurde im Tagebau Eisenerz abgebaut.

Eisen gehört zu den häufigsten chemischen Elementen der Erdkruste. Während der Erdkern zu einem Großteil aus Eisen und Nickel bestehen soll, kommt Eisen in der Erdkruste nur selten in metallischer Form vor. Zu den Ausnahmen gehören Eisenmeteoriten, die meist mit Nickel legiertes Eisen enthalten. Ansonsten ist Eisen chemisch in zahlreichen Mineralien gebunden. In den Eisenerzen sind sie mit nicht eisenhaltigen Gesteinen, die man als Gangart oder taubes Gestein bezeichnet, durchsetzt. Die wichtigsten Eisenerze sind mit 72 Prozent Eisengehalt der stark magnetische Magnetit, mit bis zu 70 Prozent Eisengehalt der Hämatit, der auch Blutstein und Eisenglanz genannt wird, und mit bis zu 48 Prozent Eisengehalt der Siderit (Eisenkalk). [4] Limonit, der uns im Alltag vor allem als Rost an Eisengegenständen begegnet, wird aufgrund seiner häufigen Vermischung mit anderen Eisenoxiden heute nicht mehr als eigenständiges Mineral angesehen. [5]

Magnetitkristalle (links) [6], Hämatit als Kristall und „nieriges Aggregat“ (Mitte) [7] und Sideritkristalle (rechts) [8].

Eisen ist chemisch oft an Sauerstoff gebunden. Zu diesen Eisenoxiden gehören Hämatit (Fe₂O₃) und Magnetit (Fe₃O₄).

Wie der Name erahnen lässt, ist Magnetit ein stark magnetisches Mineral. Es glänzt fettig-metallisch schwarz und besitzt einen besonders hohen Eisenanteil von bis zu 72 Prozent. Magnetit hat eine Mohshärte von 5½ bis 6½, das heißt, das Gestein ist mit einer Stahlfeile, aber nicht mit einem Taschenmesser ritzbar.

Hämatit ist das verbreitetste Eisenmineral mit einem Eisenanteil von bis zu 70 Prozent und stahlgrauer bis eisenschwarzer oder manchmal auch rotbrauner Farbe. [4] Durch die Verwitterung nimmt Hämatit eine mattrote Farbe an. [7] Die Mohshärte von Hämatit beträgt 5 bis 6, sodass das Gestein mit einem Taschenmesser nur schwer oder gar nicht mehr ritzbar ist.

Ebenfalls recht häufig ist der Siderit (FeCO₃) mit einem Eisengehalt von bis zu 48 Prozent. Dieses Mineral gehört zu den Carbonaten, besitzt eine blassgelbe bis braune Farbe und glänzt häufig perlmuttartig. [4] Durch chemische Verwitterungsprozesse kann auch Siderit rostrot erscheinen. Siderit ist mit einer Mohshärte von 4 bis 4½ jedoch weicher als Hämatit und kann mit einem Taschenmesser leicht geritzt werden.

Es ist zu ergänzen, dass Eisenerzgestein generell meist mit taubem Gestein vermischt ist, sodass Kristalle wie auf den Abbildungen oben nur selten zu beobachten sind.

Aufgrund seiner Härte spielte Eisen bei der Entwicklung der Menschheit eine wichtige Rolle. Die ersten eisernen Gegenstände, die vom Menschen angefertigt wurden, z. B. ein Dolch des ägyptischen Pharaos Tutanchamun und Funde aus Mesopotamien, bestehen aus so genanntem „Meteoriteneisen“, das bereits in reiner oder mit Nickel legierter Form vorliegt. [9]

Obwohl der Dolch aus dem Grab des ägyptischen Pharaos Tutanchamun weit vor der Eisenzeit entstand, besteht er aus Eisen. Die Antwort auf dieses Mysterium: Das Eisen stammt von einem Meteoriten. [10]

Erst in der „Eisenzeit“, die deshalb auch ihren Namen trägt, begann der Mensch, Erz zu verhütten und mit Hilfe chemischer Reaktionen Eisen herzustellen. [9] Diese primitive Verhüttung erfolgte bereits nach den gleichen Grundlagen wie in modernen Hochöfen:

Rekonstruktion eines primitiven Rennofens [11 ] und schematischer Aufbau eines Hochofens [9].

In diesen Schmelzöfen laufen so genannte Redoxreaktionen ab, bei denen aus Eisenerzgestein Roheisen gewonnen wird. In der Temperaturzone zwischen 500 und 900 °C findet die so genannte „indirekte Reduktion“ statt. Über drei Stufen reagieren die verschiedenen Eisenoxide jeweils mit Kohlenstoffmonoxid (CO) bzw. Wasserstoff (H₂), bis schließlich metallisches Eisen vorliegt. [9]

Erste Stufe: Aus Hämatit (Fe₂O₃; 2 Eisenatome) entsteht der stärker eisenhaltige Magnetit (Fe₃O₄; 3 Eisenatome):

3 Fe₂O₃ + CO ⟶ 2 Fe₃O₄ + CO₂ bzw. 3 Fe₂O₃ + H₂ ⟶ 2 Fe₃O₄ + H₂O

Zweite Stufe: Aus Magnetit entsteht Wüstit (FeO):

Fe₃O₄ + CO ⟶ 3 FeO + CO₂ bzw. Fe₃O₄ + H₂ ⟶ 3 FeO + H₂O

Dritte Stufe: Aus Wüstit entsteht metallisches Eisen (Fe), das sich unten im Hochofen ansammelt.

FeO + CO ⟶ Fe + CO₂ bzw. FeO + H₂ ⟶ Fe + H₂O

Aus dem gewonnenen Eisen sowie verschiedenen Eisenlegierungen lassen sich allerlei interessante Dinge anfertigen, nicht nur Waffen und Krafträder wie in Suhl ...

Um diesen EarthCache zu loggen, beschäftige dich mit den folgenden Fragen und sende mir deine Antworten zu.

1. Betrachte die Karte auf der Infotafel zum historischen Bergbau in Suhl. Wie wird die geologische Baueinheit bezeichnet, in der du dich hier am Kirschbaum-Gangzug befindest?
2. Begib dich in die Spalte zwischen den Steinflächen und beschreibe das vor dir liegende Gestein in eigenen Worten: Welche Farbe hat es? Wie fühlt es sich an? Kannst du eine Schichtung der Steine erkennen?
3. Bestimme mit Hilfe der Informationen aus dem Listing und deiner Beobachtungen vor Ort (Farbe, Mohshärte), welches Eisenerz hier abgebaut wurde: Magnetit, Hämatit oder Siderit?
4. Überprüfe vor Ort, ob das Gestein magnetisch bzw. magnetisierbar ist: Wird ein Gegenstand aus Eisen vom Gestein angezogen? Wird ein Magnet vom Gestein angezogen (oder umgekehrt)? Welche Schlüsse ziehst du aus deiner Beobachtung?
5. Begib dich anschließend zum rekonstruierten Mundloch des Sandstollens (Wegpunkt!), nimm dort ein Foto von dir oder einem persönlichen Gegenstand (GPS, Namensschild o. ä.) auf und füge dieses deinem Logeintrag bei. Es wäre toll, wenn auf dem Foto auch etwas „Eisernes“ zu sehen wäre.

Quellen:
[1] Diercke.Westermann.de: "Geologischer Profilschnitt durch Thüringen" (besucht am 27.05.2020)
[2] Wikipedia.de: "Suhl" (besucht am 27.05.2020)
[3] Infotafel: "Kirschbaum-Gangzug" (besucht am 24.05.2020)
[4] Schatzwert.de: "Eisenerze" (besucht am 27.05.2020)
[5] Wikipedia.de: "Limonit" (besucht am 27.05.2020)
[6] Wikipedia.de: "Magnetit" (besucht am 29.05.2020)
[7] Wikipedia.de: "Hämatit" (besucht am 29.05.2020)
[8] Wikipedia.de: "Siderit" (besucht am 29.05.2020)
[9] Wikipedia.de: "Eisen" (besucht am 30.05.2020)
[10] Sueddeutsche.de: "Der kosmische Dolch des Pharao" (besucht am 27.05.2020)