Eisen

Eisen - chemisches Symbol Fe (lateinisch: Ferrum), Ordnungszahl 26 - ist in reinem Zustand ein relativ weiches, magnetisches, reaktionsfreudiges, in mehreren allotropen Formen auftretendes chemisches Element aus der Gruppe der Übergangselemente (Gruppe 8).

Frische Eisenoberflächen erscheinen glänzend silbergrau, oxidieren aber an der Luft unter Bildung hydratisierter Eisenoxide, die im allgemeinen als Rost bezeichnet werden. Im Gegensatz zu anderen Metallen, die passivie Oxidschichten an der Metalloberfläche ausbilden und daher vor der Einwirkung der Luft geschützt sind, beanspruchen die gebildeten Eisenoxide mehr Volumen als das Metall und lösen sich dadurch ab, wodurch die freigelegte Oberfläche wiederum der Korrosion ausgesetzt ist usw.

Eisen hat auch in lebende Systeme Fuß gefasst und spielt in der eine wichtige Rolle zum Beispiel bei der Atmung; es bildet Komplexe mit molekularem Sauerstoff in Molekülen wie Hämoglobin und Myoglobin. Bei diesen beiden Biomolekülen handelt es sich um Proteine zur Sauerstoffübertragung (Hämoglobin) und Sauerstoffspeicherung (Myoglobin) bei Wirbeltieren. Eisen ist auch das Metall an der aktiven Stelle vieler wichtiger enzymatischer Redox-Systeme im Zusammenhang mit der Zellatmung, der DNA-Synthese, des Zellwachstum sowie anderen Oxidations- und Reduktions-Mechanismen in Pflanzen und Tieren. Das Metall ist im gesamten menschlichen Körper verteilt; der gesamte Eisengehalt des erwachsenen menschlichen Körpers beträgt etwa 3,8 Gramm bei Männern und 2,3 Gramm bei Frauen.

Übersicht: Allgemeine Daten zum Eisen

Bezeichnung:Eisen Andere Namen:Ferrum. Symbol:Fe Ordnungszahl:26 Atommasse:55,845(2) u Periodensystem-Stellung:4. Periode, 8. Gruppe, d-Block. Gruppen-Zugehörigkeit:Metalle, Übergangselemente, Eisengruppe (Gruppe 8), Eisen-Platin-Gruppe (8. Nebengruppe). Entdeckung:Seit prähistorischen Zeiten bekannt: Eisenzeit. Bedeutung des Namens:Symbol Fe von Ferrum. Eisen entstammt vermutlich der urgermanischen Sprache (Isarnan, Isarnon = mächtig, heilig, stark). Englischer Name:Iron CAS-Nummer:7439-89-6 InChI-Key:XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N

Das Eisen-Atom

Identifikations-Merkmal für das Fe-Atom - und somit für das Element Eisen - ist die Anzahl der Protonen im Atomkern (Kernladungszahl oder Protonenzahl) und - im ungeladenen Zustand - die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle; diese beträgt jeweils 26 und bestimmt die Atomzahl, Atomnummer bzw. die Ordnungszahl des Eisens.

Für Unterschiede bei den Eisen-Atomkernen bei gleichbleibender Kernladungszahl sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Eisen-Isotope bzw. Eisen-Nuklide zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Eisen-Vorkommen bestehen aus einem Isotopengemisch; die relative Atommasse wird daher mit 55,45 u angegeben.

Elektronenkonfiguration

Symbol

Kurzform

[Ar] 3d⁶ 4s²

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE des Eisens auf, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Fe-Atom zu trennen.

1. IE:	7,9024 eV	2. IE:	16,1877 eV	3. IE:	30,652 eV	4. IE:	54,8 eV	5. IE:	75,0 eV	6. IE:	99,1 eV
7. IE:	124,98 eV	8. IE:	151,06 eV	9. IE:	233,6 eV	10. IE:	262,1 eV	11. IE:	290,2 eV	12. IE:	330,8 eV
13. IE:	361,0 eV	14. IE:	392,2 eV	15. IE:	457 eV	16. IE:	489,260 eV	17. IE:	1266 eV	18. IE:	1358 eV
19. IE:	1456 eV	20. IE:	1582 eV	21. IE:	1689 eV	22. IE:	1799 eV	23. IE:	1950 eV	24. IE:	2023 eV
25. IE:	8828 eV	26. IE:	9277,76 eV	27. IE:	eV	28. IE:	eV	29. IE:	eV	30. IE:	eV

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Eisen-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

K	LI	LII	LIII
1s	2s	2p_1/2	2p_3/2
7112	844,6	719,9	706,8

MI	MII	MIII	MIV	MV
3s	3p_1/2	3p_3/2	3d_3/2	3d_5/2
91,3	52,7	52,7

Weitere Daten

Atomradius:156 pm (berechnet)
140 pm (empirisch, nach Slater) Kovalente Radien:116 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
109 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
102 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.) Van-der-Waals-Radius:200 pm Molvolumen:7,09 cm³ mol^-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ω_K: 0,355; ω_L1: 0,0010; ω_L2: 0,0063; ω_L3: 0,0063 Coster-Kronig-Übergänge:F₁₂: 0,30; F₁₃: 0,57; F₂₃: Austrittsarbeit:4,5 eV

Spektrallinien des Eisens

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Eisens mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

Chemische Daten

Elektronegativität:1,83 nach Pauling
1,80 nach Allen
3,5836 eV nach Gosh-Gupta
4,06 eV nach PearsonElektronaffinität:0,153 236(34) eV bzw. 14,785(4) kJ mol^-1Oxidationsstufen:+2, +3, +6 (-4, -2, -1, +1. +4, +5, +7)

Standardpotentiale

Normalpotential des Eisens:

E⁰ (V)	N_ox	Name Ox.	Ox.	e^-	⇔	Red.	Name Red.	N_ox
-1,16	+ II	Hexacyanoferrat(II)-Anion	[Fe(CN)₆]^4- + 6 H⁺	+ 2 e^-	⇔	Fe (s) + 4 HCN (g)	Eisen	0
-0,89	+ II	Eisen(II)-hydroxid	Fe(OH)₂ (s)	+ 2 e^-	⇔	Fe (s) + 2 OH^-	Eisen	0
-0,86	+ III	Eisen(III)-oxid	Fe₂O₃ (s) + 3 H₂O	+ 2 e^-	⇔	2 Fe(OH)₂ (s) + 2 OH^-	Eisen(II)-hydroxid	+ II
-0,44	+ II	Eisen(II)-Kation	Fe²⁺	+ 2 e^-	⇔	Fe (s)	Eisen	0
-0,04	+ III	Eisen(III)-Kation	Fe³⁺	+ 3 e^-	⇔	Fe (s)	Eisen	0
0,085	+II/+III	Eisen(II,III)-oxid	Fe^II(Fe^III)₂O₄ + 8 H⁺	+ 8 e^-	⇔	3 Fe (s) + 4 H₂O	Eisen	0
0,36	+ III	Hexacyanoferrat(III)-Anion	[Fe(CN)₆]^3-	+ e^-	⇔	[Fe(CN)₆]^4- \| Hexacyanoferrat(II)-Anion	Hexacyanoferrat(II)-Anion	+ II
0,77	+ III	Eisen(III)-Kation	Fe³⁺	+ e^-	⇔	Fe²⁺	Eisen(II)-Kation	+ II
0,81	+ VI	Ferrat-Anion	2 FeO₄^2- + 5 H₂O	+ 6 e^-	⇔	Fe₂O₃ (s) + 10 OH^- (aq)	Eisen(III)-oxid	+ III
2,2	+ VI	Ferrat(VI)-Anion	FeO₄^2- + 8 H⁺	+ 3 e^-	⇔	Fe³⁺ + 4 H₂O	Eisen(III)-Kation	+ III

Material- und physikalische Eigenschaften des Eisens

Die nachfolgende Übersicht führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Eisen-Metalls auf.

Schmelzpunkt:1538 °C Schmelzenthalpie (molar):13,81 kJ mol^-1 Schmelzenthalpie (spezifisch):268 kJ kg^-1 Siedepunkt:2861 °C Verdampfungsenthalpie:351 kJ mol^-1 Wärmekapazität:25,10 J mol^-1 K^-1 (molar)
0,449 J g^-1 K^-1 (spezifisch) (α-Fe) Debye-Temperatur:477 K Thermische Leitfähigkeit:80,4 W m^-1 K^-1 Temperaturleitzahl:22,8 mm² s^-1 bei 20°C (Temperaturleitfähigkeit) Wärmeausdehnung:11,8 μm m^-1 K^-1 bei 25 °C Elektrische Leitfähigkeit:1 × 10⁷ A V^-1 m^-1 Elektrischer Widerstand:96,1 nΩ × m bei 20 °C Dichte:7,874 g cm^-3
6,98 g cm^-3 (flüssig, am Schmelzpunkt) Elastizitätsmodul:208,2 GPa (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):168,3 GPa 300 K Kompressibilität (isotherm):0,00594 GPa^-1 300 K Poisson-Zahl:0,29 (Querdehnzahl, dimensionslos) Härte:nach Mohs: 4,0
nach Vickers: 0,608 GPa
nach Brinell: 0,49 GPa Magnetismus:ferromagnetisch Curie-Temperatur:1043 °C Schallgeschwindigkeit:5120 m s^-1 bei 20 °C Standard-Bildungsenthalpie:0,0 kJ mol^-1 (Feststoff, Kristall)
416,3 kJ mol^-1 (gasförmig) Gibbs Freie Enthalpie:370,7 kJ mol^-1 (gasförmig) Molare Standard-Entropie:27,3 J mol^-1 K^-1 (Feststoff, Kristall)
180,5 J mol^-1 K^-1 (gasförmig)

Geochemie, Vorkommen, Verteilung

Eisen ist das am weitesten verbreitete Element der Erde und bildet einen großen Teil des äußeren und inneren Kerns unseres Planeten. In der Erdkruste steht das Element an vierter Stelle und ist - nach Aluminium - hier das zweithäufigste Metall. Elementares Eisen kommt in Meteoriden und anderen sauerstoffarmen Umgebungen vor, es reagiert jedoch schnell mit Sauerstoff und Wasser unter Bildung der entsprechenden Eisensalze und findet sich daher in der Erdkruste und an der Erdoberfläche nur in gebundener Form.

Erdkruste:56000 mg kg^-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Erdmantel:6,30 % Meerwasser:0,002 mg L^-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Sonnensystem:0,90 (bezogen auf Silicium, Si=1)

Externe Informationsangebote

Physikalische Infos und Daten

Ferromagnetismus
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Spezielle Teilinformationen

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Gruppenelemente - Informationen

Nebengruppenelemente
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... in der Hydroxid-Gruppe. Universität Wien - Format: PDF

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Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 02.02.2020.

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