Eisen (Fe)

Eisen im Periodensystem

Eisen ist ein chemisches Element mit dem Symbol Fe und der Ordnungszahl 26. Es steht in der 4. Periode und der Gruppe 8 des Periodensystems und gehört zum d-Block. Die Elektronenkonfiguration des Grundzustands lautet [Ar] 3d⁶ 4s². Die Standard-Atommasse beträgt 55,845(2).

Weitere atomare, physikalische und chemische Daten zu Eisen finden sich im interaktiven Periodensystem von blume.

Eigenschaften von Eisen

Elementares Eisen ist ein grauglänzendes Metall. Eine für die Werkstoffkunde besonders wichtige Eigenschaft ist seine temperaturabhängige Kristallstruktur. Bei Normaldruck liegt Eisen bei Raumtemperatur als α-Eisen mit kubisch-raumzentrierter Kristallstruktur vor. Bei höheren Temperaturen geht es in γ-Eisen mit kubisch-flächenzentrierter Struktur über. Vor dem Schmelzen tritt bei noch höheren Temperaturen wieder eine kubisch-raumzentrierte Struktur als δ-Eisen auf.

Diese Strukturänderungen sind für das Verständnis von Eisenwerkstoffen von grundlegender Bedeutung. Insbesondere die unterschiedliche Löslichkeit von Kohlenstoff in den verschiedenen Eisenphasen spielt bei der Gefügeentwicklung von Stählen eine wichtige Rolle.

Eisen ist bei Raumtemperatur ferromagnetisch. Oberhalb seiner Curie-Temperatur von etwa 770 °C geht der Ferromagnetismus verloren. Dieser magnetische Übergang ist nicht mit einer Änderung der Kristallstruktur gleichzusetzen.

An feuchter Luft kann Eisen korrodieren. Die als Rost bezeichneten Korrosionsprodukte stellen dabei keine einzelne chemische Verbindung dar, sondern können verschiedene Eisenoxide und Eisenoxidhydroxide enthalten.

Vorkommen von Eisen

Eisen gehört zu den häufigen Elementen der Erde. Für die obere kontinentale Erdkruste wird ein mittlerer Massenanteil von etwa 3,9 % angegeben. Der Eisengehalt kann sich zwischen verschiedenen Gesteinen jedoch erheblich unterscheiden.

Auch für das Erdinnere ist Eisen von zentraler Bedeutung. Nach dem heutigen geowissenschaftlichen Modell besteht der Erdkern überwiegend aus Eisen, zusammen mit Nickel und leichteren Elementen. Seine genaue Zusammensetzung lässt sich nicht unmittelbar untersuchen und wird aus geophysikalischen, geochemischen und experimentellen Befunden erschlossen.

In der Erdkruste kommt Eisen überwiegend chemisch gebunden vor. Zu den für die Eisengewinnung wichtigen Eisenmineralen gehören Hämatit (Fe₂O₃) und Magnetit (Fe₃O₄).

Vom Eisenerz zum Eisenwerkstoff

Die technische Bedeutung des Eisens beruht vor allem auf Eisenwerkstoffen. Dabei ist eine begriffliche Unterscheidung wichtig: Eisen ist ein chemisches Element; Stahl und Gusseisen sind Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Eisen ist.

Schon vergleichsweise geringe Änderungen des Kohlenstoffgehalts können die Phasen- und Gefügeentwicklung von Eisenwerkstoffen wesentlich beeinflussen. Hinzu kommen weitere Legierungselemente und die jeweilige thermische und mechanische Behandlung.

Wie Kohlenstoffgehalt, Temperatur, Phasen und Gefüge miteinander zusammenhängen, wird im Beitrag „Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm verstehen: Phasen, Gefüge und Bedeutung“ vertieft.

Wichtige Verbindungen des Eisens

Eisen bildet zahlreiche chemische Verbindungen. Besonders häufig sind Verbindungen mit Eisen in den Oxidationsstufen +2 und +3.

Zu bekannten Eisenverbindungen gehören Eisen(II)-oxid (FeO), Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) und Eisen(II,III)-oxid (Fe₃O₄). Fe₂O₃ tritt unter anderem im Mineral Hämatit auf, Fe₃O₄ als Magnetit.

Die Chemie des Eisens reicht weit über diese Beispiele hinaus. Eisen ist Bestandteil zahlreicher anorganischer Verbindungen, Komplexverbindungen und biologisch bedeutsamer Moleküle.

Eisen, Stahl und Gusseisen

Reines Eisen und technische Eisenwerkstoffe müssen voneinander unterschieden werden. Für die technische Nutzung ist insbesondere Stahl von herausragender Bedeutung. Neben Kohlenstoff können Stähle weitere Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Mangan, Molybdän, Vanadium oder Wolfram enthalten.

Welche Eigenschaften ein Eisenwerkstoff besitzt, hängt deshalb nicht allein davon ab, welche chemischen Elemente vorhanden sind. Entscheidend sind unter anderem Zusammensetzung, Phasen, Gefüge und Verarbeitung.

Das Eisen-Kohlenstoff-System zeigt diesen Zusammenhang besonders anschaulich: Aus den beiden Elementen Fe und C führt der Weg über Phasen und Gefüge zu Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften.

Biologische Bedeutung von Eisen

Eisen ist ein essenzielles Spurenelement. Im menschlichen Organismus ist es unter anderem Bestandteil des Hämoglobins in den roten Blutkörperchen. Das im Häm gebundene Eisen ermöglicht die reversible Bindung von Sauerstoff und ist damit für dessen Transport von der Lunge zu den Geweben von zentraler Bedeutung.

Auch Myoglobin enthält Eisen und ist an der Sauerstoffversorgung der Muskulatur beteiligt. Darüber hinaus kommt Eisen in zahlreichen Proteinen und Enzymen vor und erfüllt wichtige Funktionen bei Elektronenübertragungen und im Zellstoffwechsel.

Damit verbindet Eisen sehr unterschiedliche Betrachtungsebenen: vom Atom über Minerale und technische Werkstoffe bis zu biologischen Systemen.

Eisen in Geschichte und Technik

Die Nutzung von Eisen reicht weit in die Menschheitsgeschichte zurück. Frühe Eisenobjekte konnten unter anderem aus meteoritischem Eisen hergestellt werden. Mit der Entwicklung der Gewinnung von Eisen aus Erzen nahm seine Bedeutung für Werkzeuge, Waffen, Landwirtschaft und später für die industrielle Produktion stark zu.

Die Entwicklung der Eisen- und Stahlherstellung schuf schließlich die Grundlage für zahlreiche technische Anwendungen – vom Werkzeug über Maschinen und Fahrzeuge bis zu Tragwerken und großen Baukonstruktionen.

Vom Element zum Werkstoff

Eisen zeigt besonders anschaulich, warum das Periodensystem mehr ist als eine Sammlung von Elementsymbolen. Vom Element Fe führen zahlreiche Verbindungen zu Mineralen, chemischen Verbindungen, biologischen Funktionen und technischen Werkstoffen.

Gerade Stahl macht deutlich, dass die Eigenschaften eines Werkstoffs nicht allein aus der Liste seiner chemischen Elemente abgeleitet werden können. Zusammensetzung, Bindung, Phasen, Gefüge und Verarbeitung müssen gemeinsam betrachtet werden.

Element → elementarer Stoff → Verbindung → Phase → Gefüge → Werkstoff → Anwendung

Weiterführende Inhalte bei blume

• Interaktives Periodensystem der Elemente – atomare, physikalische und chemische Daten zu Eisen und den weiteren Elementen.
• Das Periodensystem im Alltag: Die Welt der chemischen Elemente entdecken – vom chemischen Element zu Stoffen, Werkstoffen, Technik und Alltag.
• Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm verstehen: Phasen, Gefüge und Bedeutung – Vertiefung zu Kohlenstoffgehalt, Phasen und Gefügen von Eisenwerkstoffen.

Quellen und weiterführende Literatur

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Standard Atomic Weights – Iron.
• Royal Society of Chemistry: Iron – Element information, properties and uses.
• U.S. Geological Survey (USGS): Iron; Iron Ore Statistics and Information; geochemische Referenzdaten.
• National Institutes of Health, Office of Dietary Supplements: Iron – Fact Sheet for Health Professionals.
• Quadbeck-Seeger, H.-J.: Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt, ISBN 978-3-527-31679-3.
• Elemente in 30 Sekunden, ISBN 978-90-8998-749-5.
• Quelle zu Eisen und Eisenwerkstoffen, ISBN 978-3-86941-000-5.

Redaktioneller Hinweis: Dieser Lexikoneintrag wird fortlaufend redaktionell überprüft. Chemische Referenzdaten und wissenschaftliche Erkenntnisse können aktualisiert oder präzisiert werden, wenn neue Referenzwerte oder Forschungsergebnisse dies erforderlich machen.