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Eisen

Chemie und Physik des chemischen Elements Eisen.



Eisen Chemie

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

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f
Fe26[Ar] 3d6 4s2 2262662

 

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 eV2. IE: 16,1877 eV3. IE: 30,652 eV4. IE: 54,8 eV5. IE: 75,0 eV6. IE: 99,1 eV
7. IE: 124,98 eV8. IE: 151,06 eV9. IE: 233,6 eV10. IE: 262,1 eV11. IE: 290,2 eV12. IE: 330,8 eV
13. IE: 361,0 eV14. IE: 392,2 eV15. IE: 457 eV16. IE: 489,260 eV17. IE: 1266 eV18. IE: 1358 eV
19. IE: 1456 eV20. IE: 1582 eV21. IE: 1689 eV22. IE: 1799 eV23. IE: 1950 eV24. IE: 2023 eV
25. IE: 8828 eV26. IE: 9277,76 eV27. IE: eV28. IE: eV29. IE: eV30. 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.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
7112844,6719,9706,8

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
91,352,752,7

 

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:ωK: 0,355; ωL1: 0,0010; ωL2: 0,0063; ωL3: 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:

Eisen-Spektrallinien

 

 

Chemische Daten

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

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-1,16+ IIHexacyanoferrat(II)-Anion[Fe(CN)6]4- + 6 H++ 2 e-Fe (s) + 4 HCN (g)Eisen0
-0,89+ IIEisen(II)-hydroxidFe(OH)2 (s)+ 2 e-Fe (s) + 2 OH-Eisen0
-0,86+ IIIEisen(III)-oxidFe2O3 (s) + 3 H2O+ 2 e-2 Fe(OH)2 (s) + 2 OH-Eisen(II)-hydroxid+ II
-0,44+ IIEisen(II)-KationFe2++ 2 e-Fe (s)Eisen0
-0,04+ IIIEisen(III)-KationFe3++ 3 e-Fe (s)Eisen0
0,085+II/+IIIEisen(II,III)-oxidFeII(FeIII)2O4 + 8 H++ 8 e-3 Fe (s) + 4 H2OEisen0
0,36+ IIIHexacyanoferrat(III)-Anion[Fe(CN)6]3-+ e-[Fe(CN)6]4- | Hexacyanoferrat(II)-AnionHexacyanoferrat(II)-Anion+ II
0,77+ IIIEisen(III)-KationFe3++ e-Fe2+Eisen(II)-Kation+ II
0,81+ VIFerrat-Anion2 FeO42- + 5 H2O+ 6 e-Fe2O3 (s) + 10 OH- (aq)Eisen(III)-oxid+ III
2,2+ VIFerrat(VI)-AnionFeO42- + 8 H++ 3 e-Fe3+ + 4 H2OEisen(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 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

 

 

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

Es folgt eine Liste mit ausgewählten externen Informationsangeboten zum Eisen anderer Anbieter; für die Inhalte sind die jeweiligen Seitenbetreiber verantwortlich.



Aktuelle Berichte


Über eine neue Rost-Formel
Eine neue Rost-Formel

Jahrelang hat man sich über das merkwürdige Verhalten von Eisenoxid-Oberflächen gewundert. Untersuchungen der TU Wien zeigen nun, dass man bisher eine ganz falsche Vorstellung von ihrer Kristallstruktur hatte.

[Bildquelle: TU Wien]




Rostende Ur-Ozeane durch Bakterien
Geomikrobiologen der Universität Tübingen finden Hinweise wie Mikroorganismen die weltgrößten Eisenerzvorräte gebildet haben.

Strukturmessung von Eisen-Ionen mit iPFY
Gelöstes Eisen - mit vergleichbaren Eigenschaften wie ein Festkörper: HZB-Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um in Flüssigkeit gelöste Metall-Ionen besser untersuchen zu können.



Physikalische Infos und Daten

Ferromagnetismus
Vorlesungsmaterialien: Magnetische Ordnung: Ferromagnetismus, ... Universität Tübingen - Format: PDF

Ferromagnetismus
Vorlesungsskript Physik. TU Braunschweig - Format: PDF

Ferromagnetismus
Das Ising-Modell des Ferromagneten. Universität Düsseldorf - Format: PDF



Spezielle Teilinformationen

Eisen, Stahl und Edelstahl
Vortragsskript. Universität Bayreuth



Gruppenelemente - Informationen

Nebengruppenelemente
Überblick - Format: PDF

Übergangsmetalle
Koordinationschemie der Übergangsmetalle - Format: PDF

Übergangsmetalle
Vorlesungsmaterialien: Chemie der Metalle. Universität Freiburg

Übergangsmetalle
Vorlesungsskript: Anorganische Chemie. Universität Rostock - Format: PDF



Verbindungsklassen

Eisen und Eisenverbindungen
Chemikalien-Datenbank: physikalische und chemische Eigenschaften, Sicherheitsdatenblätter, kommerziell verfügbare Stoffen und Verbindungen; verschiedene Suchkriterien einschließlich Struktursuche

Eisen-Guanidin-Komplexe
Mangan- und Eisen-Guanidin-Komplexe und ihre Anwendung als Katalysatoren in der Alkenepoxidierung. Dissertation. Universität Paderborn, 2011

Eisenkomplexe mit Chalkogenliganden
Synthese, Charakterisierung und Reaktionen. Dissertation, 2000. Universität Duisburg-Essen

Komplexverbindungen des Eisens
Vortragsskript. Universität Bayreuth



Biochemie, Physiologie

Eisenstoffwechsel
... und Hämochromatose, Eisenmangel-, Infekt-, Tumoranämie - Format: PDF



Analyse und Bestimmung

Eisen Nachweis
Qualitative Analytik

Eisen Nachweis
Der Trennungsgang - Identifizierung von Elementen. Universität Giessen - Format: PDF

Eisen Qualitative Analyse
... in der Hydroxid-Gruppe. Universität Wien - Format: PDF



Metallorganische Chemie und Reagenzien

Koordinations- und Übergangsmetallchemie
Vorlesungsmaterialien zur Anorganischen Chemie. FH Münster - Format: PDF



Spektroskopische Daten, Spektren

Mößbauer-Effekt
Eisen als Mößbauer-Isotop. Praktikumsskript - Format: PDF

Mößbauer-Spektroskopie
Praktikumsskript: Mößbauerspektrum eines Eisen-Absorbers - Format: PDF



Mineralogie

Eisenhaltige Minerale
Informationen zum Eisen und den Eisenmineralien. Mineralien Atlas

Vom Eisenerz zum Stahl
Vorlesungsskript. FH Münster - Format: PDF



Toxikologie, Medizin, Physiologie

Blutwerte: Eisen
Klinisch-medizinische Laborwerte und Erläuterungen.



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Eisen-60 Isotop
Halbwertszeit von Eisen-60 überrascht Forscher



Institute und Forschungseinrichtungen

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Das MPIE betreibt Forschung auf dem Gebiet von Eisen, Stahl und verwandten Werkstoffen wie Nickel, Titan und intermetallische Phasenlegierungen

 


Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 08.03.2019.



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