Eisen

  • Symbol: Fe
  • Ordungszahl: 26

8. Nebengruppe (Eisengruppe)

Namensbedeutung

Das Elementsymbol Fe leitet sich von der lateinischen Bezeichnung (ferrum) fĂŒr 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 FĂ€higkeit, Metalle zu verarbeiten oder Legierungen mit besseren Werkstoffeigenschaften zu bilden, kann fĂŒr 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 VerhĂŒttung 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 BlĂŒte 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 fĂŒr die Verwendung von Eisen geben Ă€gyptische Grabbeigaben aus dem Jahre 3200 v. Chr. Seit ca. 2000 vor Christus wendeten sich die Menschen verstĂ€rkt 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 hĂ€rtere 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 auszurĂŒsten.

Erst die Römer setzten massiv auf Eisenwaffen und ein Großteil der römischen MilitĂ€rmacht grĂŒndete sich auf ihre ĂŒberlegene Waffentechnik. Seit dem frĂŒhen Mittelalter konnte man Schachtöfen bauen, in denen man deutlich höhere Temperaturen erzeugen konnte und die gewissermaßen als VorlĂ€ufer der Hochöfen betrachtet werden können. Mitte des 14. Jahrhundert beschreibt Agricola bereits ausfĂŒhrlich unterschiedliche Methoden zur EisenverhĂŒttung.

Die Ersetzung der Holzkohle durch Steinkohle und Koks sowie die schrittweise Verbesserung der Schmelzöfen im spĂ€ten 18. Jahrhundert erhöhte auch die wirtschaftliche Bedeutung des Metalls. In der zweiten HĂ€lfte 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 HellbrĂŒgge (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 RĂŒckgrad der Wirtschaft war, ist ohnehin lĂ€ngst zu Ende.

Vorkommen

HĂ€ufigkeiten in % in ppm
Weltall 0,109 1090
Sonne 0,132 1321
Erdkruste 5,76 58000
Meer 0,0000003 0,003
Mensch 0,0050 50

Das Universum besteht zu 0,0014 Atomprozent aus Eisen. Mit dieser HĂ€ufigkeit 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 vierthĂ€ufigste Element und das wichtigste Schwermetall ĂŒberhaupt. Mit einiger Sicherheit kann man sagen, daß der innere und Ă€ußere 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 ĂŒberwiegen die oxidischen Formen des Eisens. Über 400 Eisen-Mineralien sind bekannt, von denen hier nur die bekanntesten genannt werden sollen: Roteisenstein (HĂ€matit), 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 grĂ¶ĂŸten FörderlĂ€nder 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 ausgeprÀgte FÀhigkeit zur Komplexbildung. So ist es das Zentralatom im roten Blutfarbstoff HÀmoglobin.

Biologische Bedeutung

Eisen ist fĂŒr 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 fĂŒr 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 HĂ€moglobin 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 gefĂ€hrlich. 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 fĂŒr den Arbeitsschutz ein Grenzwert festgelegt: Der MAK-Wert in Deutschland fĂŒr Eisenstaub liegt bei 6 mg/m3.

Isotope

Eisen hat vier stabile Isotope, von denen Fe-56 mit 91,7% den grĂ¶ĂŸten 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 lĂ€ngsten Halbwertszeiten. Fe-49 zerfĂ€llt dagegen mit einer Halbwertszeit von nur 75 Millisekunden. Das radioaktive Isotop Eisen-59 wird in der Medizin fĂŒr diagnostische Zwecke eingesetzt.

Verwendung

Eisen ist bis heute das wichtigste Gebrauchsmetall; es ist billig und lĂ€ĂŸt sich gut verarbeiten. Nach UNO-Angaben wurden 1992 weltweit rund 920 Millionen Tonnen Eisenerz gefördert und 460.000 Millionen Tonnen Roheisen produziert. Der AbwĂ€rtstrend hat sich dabei weiter fortgesetzt. Noch 1985 lag die produzierte Roheisenmenge ĂŒber einer halben Milliarde Tonnen. Die grĂ¶ĂŸten 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 fĂŒnfter Stelle und ist mit 18,5 Mio t weltweit der grĂ¶ĂŸte Stahlexporteur. Bedeutende Stahlexporteure sind Japan (18,3 Mio t), Belgien (13,1 Mio t) und Frankreich (11,8 Mio t). Neben der ĂŒberragenden Bedeutung des Eisens fĂŒr 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 fĂ€rbt Emaille schwarz. Die verschiedenen Eisenoxide dienen als Poliermittel, werden Anstrichfarben beigemischt und fĂ€rben GlĂ€ser. Eisen(II)-sulfat dient zur Herstellung Berliner Blau und Tinte. Und Eisenvitriol-PrĂ€parate werden zur HolzimprĂ€gnierung, 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 4sÂČ
  • Oxidationszahlen: 6, 3, 2, 0, -2
  • Ionisierungseng.: 7,870
  • Dichte: 7,87 g/cmÂł

ElektronegativitÀt

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

Temperatur

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

NatĂŒrliche Isotope

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

Entdeckung

  • 2000 v.Chr., unbekannt