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Übergangsmetalle: Eisen

Symbol: Fe
Kategorie: Übergangsmetalle
Ordnungszahl: 26
Relative Atommasse: 55,847
Schmelzpunkt: 1808 K
Siedepunkt: 3023 K
Dichte: 7,87 g cm-3
Elektronegativität: 1,6
Ionisierungsenergie: 7,870 eV
Konfiguration: [Ar] 3d6 4s²
Oxidationszahlen: 6, 4, 5, 3, 2, 1, 0, -1, -2
Atomradius: 124,1 pm (a) pm
Ionenradius: 67 pm (+3); 82 pm (+2)

Elementares Eisen ist ein relativ weiches, silbergraues Metall, das durch Sauerstoff langsam zu einem flockigen, rötlichen Überzug aus Oxiden und Hydroxiden reagiert. Nach Masse gerechnet ist es das häufigste Element unseres Planeten und das vierthäufigste in der Erdkruste; der Erdkern besteht zum größten Teil aus Eisen. Dieser Umstand ist auch Schuld daran, dass edle Metalle wie Gold und Platin in der Erdkruste so selten sind: Diese Elemente lösen sich in Eisen und sind deswegen mit ihm im Erdkern verschwunden. Das Metall ist so häufig, weil es die letzte Möglichkeit sterbender Riesensterne ist, durch Kernfusion Energie zu erzeugen. Alle schwereren Kerne haben geringere Bindungsenergien. Sind alle verfügbaren Kerne im entsprechenden Temperatur- und Druckbereich zu Eisen verschmolzen, kann der Stern keine Energie mehr erzeugen und sein Kernbereich kollabiert unter seiner Schwerkraft. Das Resultat ist eine Supernova.

Die bedeutendste Quelle für Eisen sind heute Bändereisenerze, enorme Lagerstätten aus Eisenoxid, die bis vor etwa zwei Milliarden Jahren abgelagert wurden. Tatsächlich aber sind Eisenerze auf der Erde so weit verbreitet, dass nur die reichsten und zugänglichsten ausgebeutet werden. Das Metall ist mit Hilfe von Holzkohle relativ einfach aus vielen Erztypen zu gewinnen; deswegen ist die Verhüttung von Eisen schon seit etwa 5000 Jahren nachweisbar. In Ägypten zum Beispiel nutzte man sogar noch früher Meteoriteneisen, das sehr selten war und an seinem hohen Nickelgehalt erkennbar ist. Ein Dolch aus dem Grab Tutanchamuns ist aus Meteoriteneisen. Gusseisen wurde erstmals in China vor 2500 Jahren hergestellt. In Europa wird Eisen seit etwa 3000 Jahren abgebaut und genutzt.

Ab dem 18. Jahrhundert wurden Hochöfen in Europa zunehmend mit Kohlenkoks betrieben und konnten so deutlich größer gebaut werden; das so produzierte billige Gusseisen war die Basis der industriellen Revolution – der Name Eisenbahn verdeutlicht die Bedeutung des Elements für die technische Entwicklung des Industriezeitalters. Die Hochofentechnik der Neuzeit war auch die Basis für jene technischen Entwicklungen, die den schon Jahrhunderte früher entwickelten Stahl zu einem billigen Konstruktionsmetall machten. Heute macht Eisen mehr als 90 Prozent aller produzierten Metalle aus – der größte Teil davon wird zu Stahl verarbeitet. Stähle sind Legierungen von Eisen mit bis zu zwei Prozent Kohlenstoff sowie nach Bedarf anderen Elementen; der Kohlenstoff macht den Stahl weit fester als reines Eisen, der so entstehende Werkstoff ist das vielseitigste und bedeutendste technische Material der Menschheit. Jedes Jahr werden weltweit mehr als anderthalb Milliarden Tonnen Stahl hergestellt, mehr als von nahezu jedem anderen Material.

Chemisch ist Eisen ein typisches Übergangsmetall, das am häufigsten in den Oxidationsstufen +2 und +3 vorkommt und eine große Zahl Komplexverbindungen bildet. Die Erkenntnis, dass Eisen mit Cyclopentadien den Sandwichkomplex Ferrocen bildet, war der Startpunkt der Organometallchemie, die auch viele industriell bedeutende Katalysatoren hervorgebracht hat. Der bedeutendste Katalysator mit Eisen selbst ist allerdings anorganisch: Er katalysiert den Haber-Bosch-Prozess zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff. Außerdem ist Eisen ein gängiges Material für Permanent- und Elektromagnete und namensgebend für den Ferromagnetismus.

Eisen ist ein essenzielles Element für alle irdischen Organismen und spielte vermutlich bereits bei der Entstehung des Lebens eine entscheidende Rolle. Besonders Eisen-Schwefel-Cluster und eisenhaltige Häm-Gruppen sind als aktive Elemente in Proteinen weit verbreitet, unter anderem in den Elektronentransportketten, die im Zentrum des Stoffwechsels stehen. In den meisten Tiergruppen ist Eisen am Sauerstofftransport beteiligt. Obwohl Eisen so weit verbreitet und biologisch so bedeutend ist, müssen die meisten Organismen einen erheblichen Aufwand treiben, um es aus der Umwelt zu beschaffen.

Durch die stark oxidierende Atmosphäre liegt fast das gesamte Eisen an der Oberfläche als in Wasser nahezu unlösliches Fe(III) vor. Besonders Bakterien haben deswegen Klassen von Proteinen entwickelt, die Siderophore, die zu den am stärksten Eisen bindenden Stoffen überhaupt gehören. In vielen Bereichen des offenen Meeres begrenzt der Eisenmangel das Wachstum von Plankton, das Element muss von den Kontinenten herantransportiert werden, gelegentlich vom Menschen.

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