Eisen

• Symbol: Fe
• Ordungszahl: 26

8. Nebengruppe (Eisengruppe)

Namensbedeutung

Das Elementsymbol Fe leitet sich von der lateinischen Bezeichnung (ferrum) für das Metall ab. Der sprachliche Ursprung der deutschen Bezeichnung ist umstritten. Einige Autoren sagen ‚Eisen‘ leitet sich vom keltischen ‚isarnon‘ ab. (engl.: iron)

Entdeckung

Die Fähigkeit, Metalle zu verarbeiten oder Legierungen mit besseren Werkstoffeigenschaften zu bilden, kann für die zivilisatorische Entwicklung des Menschen als so wichtig erachtet werden, daß ganze Epochen danach benannt wurden. Bekanntermaßen folgte nach dieser Einteilung auf die Bronzezeit eine Zeitspanne, in der man auch die Verhüttung von Eisenerz nach und nach beherrschte. Zwar kannten unsere Vorfahren Eisen aus vereinzelten Zufallsfunden schon, als sie die Verarbeitung von Kupfer zu ihrer ersten großen Blüte gebracht hatten. Die ersten Funde gediegenen Eisens stammen vermutlich aus Meteoriten. Doch die Verarbeitung von Eisen war wesentlich schwerer als die der weicheren Metalle Kupfer, Silber und Gold sowie Blei und Zinn. Erste Hinweise für die Verwendung von Eisen geben ägyptische Grabbeigaben aus dem Jahre 3200 v. Chr. Seit ca. 2000 vor Christus wendeten sich die Menschen verstärkt dem Eisen zu. In noch einfachen, recht primitiven Öfen, die mit reichlich Holzkohle befeuert wurden, gelang die Gewinnung von Eisen aus Erzen. Mit diesem Metall konnte man nun wesentlich härtere Waffen herstellen, als man es mit Bronze konnte. Aber Waffen aus Eisen sollten noch Jahrhunderte eher die Ausnahme bilden. Sie waren einfach zu teuer, um ganze Armeen damit auszurüsten.

Erst die Römer setzten massiv auf Eisenwaffen und ein Großteil der römischen Militärmacht gründete sich auf ihre überlegene Waffentechnik. Seit dem frühen Mittelalter konnte man Schachtöfen bauen, in denen man deutlich höhere Temperaturen erzeugen konnte und die gewissermaßen als Vorläufer der Hochöfen betrachtet werden können. Mitte des 14. Jahrhundert beschreibt Agricola bereits ausführlich unterschiedliche Methoden zur Eisenverhüttung.

Die Ersetzung der Holzkohle durch Steinkohle und Koks sowie die schrittweise Verbesserung der Schmelzöfen im späten 18. Jahrhundert erhöhte auch die wirtschaftliche Bedeutung des Metalls. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden dann alle wichtigen Verfahren zur Stahlerzeugung entwickelt: 1855 das Bessemer-Verfahren, 1864 das Siemens-Martin-Verfahren, 1877 das Thomas-Verfahren und 1880 das Elektroverfahren nach Siemens. In unserem Jahrhundert kam das Sauerstoff-Aufblas-Verfahren von Durrer und Hellbrügge (1948) hinzu. Zwar sind Eisen und Stahl auch heute nicht aus der modernen Industriegesellschaft wegzudenken. Aber immer mehr traditionellen Einsatzbereiche werden von leichteren Metallegierungen oder von Kunststoffen ersetzt. Die Zeit, in der die Schwerindustrie das Rückgrad der Wirtschaft war, ist ohnehin längst zu Ende.

Vorkommen

Das Universum besteht zu 0,0014 Atomprozent aus Eisen. Mit dieser Häufigkeit steht es an 9. Stelle. Viele Meteore bestehen aus massivem Eisen. Sein Anteil an der Bildung der Erdkruste wird mit allgemein mit 4,7 Gewichtsprozent angegeben. Es ist nach Sauerstoff, Silicium und Aluminium das vierthäufigste Element und das wichtigste Schwermetall überhaupt. Mit einiger Sicherheit kann man sagen, daß der innere und äußere Erdkern (Radius zusammen knapp 3500 km) im wesentlichen aus Eisen besteht. Abgesehen von gediegenen Eisenvorkommen aus Meteoriten und vereinzelten Einsprengseln des reinen Metalls in Basaltgestein kommt Eisen in der Natur stets gebunden vor. Dabei überwiegen die oxidischen Formen des Eisens. Über 400 Eisen-Mineralien sind bekannt, von denen hier nur die bekanntesten genannt werden sollen: Roteisenstein (Hämatit), Magneteisenstein (Magnetit) und Brauneisenstein (Limonit) sind Eisenoxide; Spateisen (Siderit) ist ein Carbonat; Eisenkies (Pyrit bzw. Markasit) und Magnetkies (Magnetopyrit) sind sulfidische Formen; Olivin ist ein Silicat. Die größten Förderländer von Eisenerz waren 1992 China, die GUS und Brasilien. Dann folgten Australien, Indien, die Vereinigten Staaten und Kanada. Große Eisen-Vorkommen in Europa findet man in Schweden (Platz 9) und Frankreich (Platz 15).

Eigenschaften

Von den Verbindungen des Eisens seien hier nur die folgenden genannt: Eisen(II)-oxid, Eisen(III)-oxid, Eisen(II,III)-oxid, Eisen(II)-carbonat, Eisen(II)-sulfat, Eisen(II)-sulfid, Eisen(II)-hydroxid, Eisen(III)-hydroxid und Eisen(III)-chlorid. Eisen hat eine ausgeprägte Fähigkeit zur Komplexbildung. So ist es das Zentralatom im roten Blutfarbstoff Hämoglobin.

Biologische Bedeutung

Eisen ist für alle biologischen Organismen ein lebensnotwendiges Element. Pflanzen können bei Eisenmangel kein Chorophyll bilden. Pflanzentoxische Eisenkonzentrationen im Boden gibt es sehr selten. Mikroorganismen reagieren im Versuch auf ein Überangebot mit Wachstumsstörungen. Auch für den Menschen ist Eisen von zentraler Bedeutung. Im Körper eines Erwachsenen mit einem durchschnittlichen Gewicht von 70 kg findet man zwischen 4 und 5 Gramm. 70% des körpereigenen Eisens ist in Hämoglobin gebunden, 25% in eisenhaltigen Proteinen, 3,5% im Myoglobin. Das körpereigene Eisendepot kann durch Verletzungen oder Menstruation belastet werden, so daß die aufzunehmende Menge stark variieren kann. Der typische Tagesbedarf schwankt zwischen 5 und 40 mg. Eisen selbst ist nicht giftig, erst Dosen von 50 g sind tödlich. Dagegen sind einige Eisenchelate recht gefährlich. Auch die organische Eisenverbindung Eisenpentacarbonyl, das in der chemischen und pharmazeutischen Industrie (10.000 t/a) eingesetzt wird, ist ein starkes Nervengift. Bergleute und Arbeiter in der Eisen- und Stahlerzeugung können eine Eisenstaublunge bekommen. Daher wurde für den Arbeitsschutz ein Grenzwert festgelegt: Der MAK-Wert in Deutschland für Eisenstaub liegt bei 6 mg/m3.

Isotope

Eisen hat vier stabile Isotope, von denen Fe-56 mit 91,7% den größten Anteil hat. Danach folgen Fe-54 (5,8%), Fe-57 (2,2%) und Fe-58 (0,3%). Von den neun Radionukliden haben Fe-60 mit 300.000 Jahren und Fe-59 mit 2,7 Jahren die längsten Halbwertszeiten. Fe-49 zerfällt dagegen mit einer Halbwertszeit von nur 75 Millisekunden. Das radioaktive Isotop Eisen-59 wird in der Medizin für diagnostische Zwecke eingesetzt.

Verwendung

Eisen ist bis heute das wichtigste Gebrauchsmetall; es ist billig und läßt sich gut verarbeiten. Nach UNO-Angaben wurden 1992 weltweit rund 920 Millionen Tonnen Eisenerz gefördert und 460.000 Millionen Tonnen Roheisen produziert. Der Abwärtstrend hat sich dabei weiter fortgesetzt. Noch 1985 lag die produzierte Roheisenmenge über einer halben Milliarde Tonnen. Die größten Roheisenerzeuger sind China (73,4 Mio t), Japan (73,1 Mio t), USA (47,4 Mio) und GUS (45,8 Mio). Deutschland steht mit 28,5 Mio t an fünfter Stelle und ist mit 18,5 Mio t weltweit der größte Stahlexporteur. Bedeutende Stahlexporteure sind Japan (18,3 Mio t), Belgien (13,1 Mio t) und Frankreich (11,8 Mio t). Neben der überragenden Bedeutung des Eisens für die Stahlherstellung werden Eisen und seine Verbindungen auch in anderen Bereichen eingesetzt. Reines Eisen dient zur Herstellung von Magneten; schwere Eisenkerne werden in Transformatoren eingebaut. Eisen(II)-sulfid färbt Emaille schwarz. Die verschiedenen Eisenoxide dienen als Poliermittel, werden Anstrichfarben beigemischt und färben Gläser. Eisen(II)-sulfat dient zur Herstellung Berliner Blau und Tinte. Und Eisenvitriol-Präparate werden zur Holzimprägnierung, in der Fotografie und der Medizin verwendet, um nur einige Beispiele zu nennen.

Elementdaten

 

• Eisen (OZ: 26)
• 8. Nebengruppe
• Eisengruppe

Normalzustand

• Feststoff – Metall, relativ hart, dehnbar, silberfarben

• CAS-Nummer: 7439-89-6
• Kernladungszahl: 26
• rel. Atommasse: 55,847
• Kernladung: 3,75

Radien

• Atomradius: 124,1 pm
• Ionenradius: 67 (+3) pm
• Kovalenzradius: 116,5 pm

• Konfiguration: [Ar] 3d6 4s²
• Oxidationszahlen: 6, 3, 2, 0, -2
• Ionisierungseng.: 7,870
• Dichte: 7,87 g/cm³

Elektronegativität

• Pauling: 1,83
• Allred & Rochow: 1,6
• Pearson: 4,06 eV

Temperatur

• Schmelzpunkt: 1808.0 K (1535 °C)
• Siedepunkt: 3023.0 K (2750 °C)

Natürliche Isotope

• Fe-54: 5,8% Fe-56: 91,7% Fe-57: 2,2% Fe-58: 0,3%

Entdeckung

• 2000 v.Chr., unbekannt