Eisen

Allgemeine Eigenschaften
Name	Eisen, engl. "iron"
Formelzeichen	Fe
Ordnungszahl	26
Isotope (%)	⁵⁴Fe - 5,8 ⁵⁶Fe - 91,72 ⁵⁷Fe - 2,2 ⁵⁸Fe - 0,28
Alle Isotope künstlich	nein
Reines Eisen ist ein silberweiß glänzendes, gut dehnbares, relativ weiches Schwermetall. Eisen wird von trockener Luft und kohlendioxidfreiem Wasser nicht angegriffen, da es eine schützende Oxidschicht ausbildet. Gegenüber feuchter Luft und Wasser das Kohlendioxid und Sauerstoff gelöst enthält, ist es jedoch nicht beständig, es rostet. Eisen ist in nicht oxidierenden Säuren leicht löslich, so z.B. in Salzsäure, wobei FeCl₂ und Wasserstoff entstehen. Oxidierend wirkende Säuren, z.B. konzentrierte Schwefelsäure passivieren das Eisen durch Ausbildung einer beständigen Oxidschicht. Bei Rotglut erweicht Eisen und ist gut verform- sowie schmiedbar. Es existieren mehrere Modifikationen: α-Eisen existiert bis ca. 928 °C ist magnetisierbar (ferromagnetisch) und löst wenig Kohlenstoff β-Eisen existiert in einem Temperaturbereich zwischen 770 °C und 928 °C ist paramagnetisch und tritt im Gemisch mit α-Eisen auf γ-Eisen existiert zwischen 928 °C und 1398 °C. ist nicht magnetisch und vermag viel Kohlenstoff zu lösen δ-Eisen existiert zwischen 1398 °C und dem Schmelzpunkt von Eisen bei 1535 °C Die Modifikationen unterscheiden sich auch im Hinblick auf ihre Kristallstruktur. Die Eigenschaften des Metalls werden durch den Zusatz anderer Metalle oder Nichtmetalle vor allem aber mit Kohlenstoff (in Legierungen) stark beeinflusst. Schmiedbarer Stahl besitzt einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 1,7 %. Roheisen ist aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts (1,7 - 4 %) nicht schmiedbar, sondern kann nur gegossen werden (Gusseisen). Anders als Stahl ist Gusseisen jedoch sehr spröde und bricht, statt sich zu verformen.

Chemische Eigenschaften
Elektronegativität nach Pauling (Oxidationsstufe)	1,83 (II)
Elektronenkonfiguration	1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²
Oxidationszahlen	+6, +5, +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2
bevorzugt	+3, +2

Physikalische Eigenschaften
Mittlere Atommasse (u)	55,845 ± 2
Dichte (g/cm³)	7,874
Schmelztemperatur (°C)	1535
Siedetemperatur (°C)	2750
Härte (Mohs)	4,5
Atomradius (pm)	124
Ionenradius (pm bei Ladung bzw. Oxidationszahl)	64 (3+)
1. Ionisierungsenergie (kj/mol bei 25° C)	766

Radioaktive Eigenschaften
Alle Isotope radioaktiv	nein
Langlebigstes Isotop
Halbwertszeit
Strahlungsart

Geschichtliches
ca. 1400 v. Chr.	Es beginnt die "Eisenzeit": Kennzeichnend ist die Ablösung des bis dahin verwendeten Kupfers, durch das härtere Eisen. Als Erfinder der Eisengewinnung aus Eisenerz gelten die Hethiter, ein Volksstamm im Vorderen Orient
ca. 500 v. Chr.	Die Technologie der Eisenverhüttung und Verarbeitung kommt nach Europa.
Mittelalter	In der Alchemie wird dem Eisen der Planet Mars zugeordnet und verkörpert, im Gegensatz zum Kupfer, das männliche Prinzip. Es erhält daher das Symbol des Planeten Mars.
ab 7. Jahrhundert	In der Steiermark, später in Thüringen und Sachsen entsteht eine "Eisenindustrie". Als Reduktionsmittel wird anfangs Holz verwendet
1735	Erstmalige bekannte Verwendung von Koks und damit der erste Betrieb eines Hochofens durch Abraham Darby in Shropshire, England.
1742	Erstmalige Herstellung von Stahl durch Benjamin Huntsmann. Sein Verfahren wird in der Folgezeit immer wieder verbessert und Anfang des 19. Jahrhunderts durch den Deutschen Friedrich Krupp (1787-1826) industriell genutzt.
1814	Einführung des Symbols "Fe" für ferrum durch J. J. Berzelius.
ab 19. Jahrhundert	Entstehen der Stahlindustrie, z.B. Krupp, Thyssen. Zunehmende Verwendung von Stahl im Bauwesen (Brücken, Türme, Skelettbauweise von Hochhäusern)
Der genaue Ursprung des deutschen Namen Eisen und des englischen iron ist unbekannt. Der Wortstamm ist in allen germanischen Sprachen und im Keltischen zu finden. Einige Forscher sehen den Ursprung im keltischen Ausdruck Isara ("stark, fest"), was auf die neuen Eigenschaften des Eisens im Vergleich zum schon bekannten weicheren Kupfer verweist. Der lateinische Name ferrum ist vom lateinischen Wort ferreus ("kräftig, hart, schwer") abgeleitet.

Vorkommen

Eisen ist nach Sauerstoff, Silizium und Aluminium mit 4,7 % das vierthäufigste Element der Erdkruste.
In der Natur kommt es (außer in Meteoriten) nie elementar vor. Dagegen existieren zahlreiche Eisenverbindungen, von denen einige als Erze große Bedeutung haben, z.B. Magneteisenstein (Magnetit Fe₃O₄), Roteisenstein (Hämatit Fe₂O₃), Brauneisenstein (Fe₂O₃ · n H₂O), Eisenkies (Pyrit FeS₂), Magnetkies (FeS) und Eisenspat (FeCO₃)
Die größten Erzvorkommen liegen in Brasilien, im Ural, in Australien, Kanada, Schweden, China und Frankreich. In Deutschland gibt es Eisenerzvorkommen, z.B. im Lahn-Dill-Gebiet oder bei Salzgitter.
Die Erzreserven werden weltweit auf über 115 Milliarden Tonnen geschätzt.

Verwendung

Eisen ist das wichtigste Gebrauchsmetall, vor allem in Form seiner unterschiedlichen Legierungen (Stahl). Reines Eisen hingegen nur selten eingesetzt (z.B. bei der Herstellung von Magneten).
Eisenverbindungen werden auch als Katalysatoren bei großtechnischen Prozessen eingesetzt.
Eisenoxide finden als Pigmente Verwendung.

Herstellung

Eisen wird durch Reduktion der geschmolzenen Erze, heute fast ausschließlich im Hochofen, gewonnen.

Nachweis

Eisen

Phosphorsalzperle
- Oxidationsflamme:
  - heiß: gelb (schwach)
  - kalt: farblos, gelbrot - rotbraun (bei starker Sättigung)
- Reduktionsflamme:
  - grün (sehr schwach)
- Bemerkungen:
  - kein Hinweis auf Oxidationsstufe

Eisen(II)

Als K₄[Fe(CN)₆]
- Die neutrale Probelösung wird mit KCN-Lösung versetzt. es entsteht zuerst ein brauner Niedershlag aus FeCN2, der sich beim vorsichtigen Erwärmen und der weiteren Zugabe von KCN wieder löst. Der Niederschlag wandelt sich dabei in K₄[Fe(CN)₆] um, das auch als gelbes Blutlaugensalz bezeichnet wird.
Als Turnbulls Blau
- Eine K₃[Fe(CN)₆]-Lösung wird mit der Probe versetzt. Eine entstehende tiefblaue Färbung zeigt die Anwesenheit von Eisen(II) an.
- Eisen(III)-Ionen führen zu einer braunen Färbung.
- Die Reaktion ist äußerst empfindlich.

Eisen(III)

Als Berliner Blau
- Zu einer K₄[Fe(CN)₆]-Lösung gebe man etwas Probe. Entsteht sofort ein tiefblauer Niederschlag, so ist Eisen(III) in der Probe vorhanden.
- Eisen(II)-Ionen ergeben einen weißlichen bis hellblauen Niederschlag aus Fe₂[Fe(CN)₆]₂, der sich an der Luft durch Oxidation jedoch schnell ebenfalls dunkelblau färbt.

Biologische Bedeutung

Mensch
- Essentielles Spurenelement
- Nur Eisen(II) wird im Magen-Darm-Trakt resorbiert.
- Im Organismus findet es sich z.B. im Hämoglobin und Myoglobin, in Enzymen (z.B. Cytochromen, Peroxidasen, Katalase), im Monozyten-Makrophagen-System insbesondere von Leber, Milz und Knochenmark als Ferritin und Hämosiderin.
- Ein durchschnittlicher Erwachsener besitzt ca. 4 - 5 g Eisen, davon ca. 67 % im Hämoglobin und 27 % als Reserveeisen in Eisendepots. Auf das Myoglobin entfallen ca. 3,5 %, auf das Serum 2,2 % und 0,2 % auf eisenhaltige Enzyme.
- Im Serum werden Eisen und seine Verbindungen an Transferrin gebunden transportiert.
- Die biologische Halbwertszeit beträgt in der Lunge ca. 3200 Tage, im Knochengewebe 1680 und im ganzen Organismus durchschnittlich 800 Tage.
Pflanze
- Wird nur in geringen Mengen benötigt, ist jedoch essentiell.
- Bei Eisen-Mangel bilden Pflanzen eine Chlorose aus.
- Eisen ist Bestandteil elektronenübertragender Enzyme der Photosynthese und der Atmungskette.