Eisen und Cobalt: Aquakomplexe, Cyanidokomplexe, Hydroxide
Eisen und Cobalt mit ihren wichtigsten Verbindungen: Fe(III) als Kationsäure, Cyanido- und Thiocyanatokomplexe, Hydroxide und Oxide, Cobaltkomplexe und die Rolle beider Metalle in Hämoglobin und Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\).
Das Wichtigste in Kürze
- Eisen und Cobalt sind d-Elemente der 4. Periode (Gruppen 8 und 9) mit den wichtigen Oxidationsstufen +II und +III.
- \(\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\) ist eine Kationsäure (\(\mathrm{p}K_\mathrm{s}\) etwa 2 bis 3): Fe(III)-Lösungen reagieren sauer und enthalten \(\ce{[Fe(H2O)5OH]^2+}\) und \(\ce{H3O+}\).
- Gelbes Blutlaugensalz ist \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) mit Fe(+II), mit \(\ce{Fe^3+}\) entsteht das polymere Berliner Blau, mit Thiocyanat dagegen ein tiefroter Komplex.
- \(\ce{Fe(OH)2}\) und rotbraunes \(\ce{Fe(OH)3}\) sind nicht amphoter und lösen sich nicht in Natronlauge.
- Wasserfreies \(\ce{CoCl2}\) ist blau und wird feucht rosa, Co(II) bevorzugt die Koordinationszahlen 4 und 6.
- Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\) enthält Cobalt im Corrinring, Hämoglobin Fe(II) im Porphyrinring des Häms.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Steckbrief Eisen und Cobalt
Eisen und Cobalt sind benachbarte Metalle der 3d-Reihe und bilden besonders farbige, stabile Komplexe. In der Pharmazie begegnen sie dir als Eisensalze, als Cyanidoferrate und in Biomolekülen wie Hämoglobin und Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\).
| Merkmal | Ausprägung |
|---|---|
| Stellung im Periodensystem | Fe: Gruppe 8, Co: Gruppe 9, beide 4. Periode (d-Elemente) |
| Elektronenkonfiguration | Fe: [Ar] 3d⁶ 4s², Co: [Ar] 3d⁷ 4s² |
| Wichtige Oxidationsstufen | Fe: +II und +III, Co: +II und +III |
| Vorkommen und Gewinnung | Fe: Hämatit \(\ce{Fe2O3}\) und Magnetit \(\ce{Fe3O4}\), Reduktion im Hochofen. Co: Begleiter von Nickel- und Kupfererzen |
| Eigenschaften des Elements | beide ferromagnetisch, Fe wird von konz. \(\ce{HNO3}\) passiviert |
| Wichtige Verbindungen | \(\ce{FeCl3}\), \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\), Berliner Blau, \(\ce{CoCl2}\), Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\) |
Hexaaquaeisen(III) als Kationsäure
Eine Kationsäure ist ein Kation, das Protonen abgeben kann. Bei Metallkationen stammen diese Protonen aus den gebundenen Wassermolekülen. Das kleine, dreifach geladene \(\ce{Fe^3+}\) zieht Elektronendichte aus den O–H-Bindungen seiner Aqualiganden ab. Ein Proton geht dann leicht an ein Wassermolekül der Umgebung über (Grundlagen bei Brønsted-Säuren).
In verdünnter \(\ce{FeCl3}\)-Lösung liegt Eisen als Hexaaquaeisen(III) \(\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\) vor. Dieser Komplex protolysiert:
\[\ce{[Fe(H2O)6]^3+ + H2O <=> [Fe(H2O)5OH]^2+ + H3O+}\]
Mit einem \(\mathrm{p}K_\mathrm{s}\) von etwa 2 bis 3 ist er etwa so sauer wie Phosphorsäure in ihrer ersten Stufe. Eisen(III)-salzlösungen reagieren deshalb sauer und enthalten \(\ce{H3O+}\) neben dem Hydroxokomplex \(\ce{[Fe(H2O)5OH]^2+}\). Er verursacht die gelbbraune Farbe solcher Lösungen. Säurezusatz drängt die Protolyse zurück.
Der Hydroxokomplex ist ein Hydrolyseprodukt und in Wasser viel weniger stabil als Cyanidokomplexe des Eisens. Cyanid bindet wesentlich fester an das Metall als Wasser oder Hydroxid.
Auch eine \(\ce{ZnCl2}\)-Lösung reagiert sauer, denn der Aquakomplex des \(\ce{Zn^2+}\) ist ebenfalls eine Kationsäure. Wegen der geringeren Ladung ist er aber deutlich schwächer als der Eisen(III)-Komplex (mehr bei Zink).
Cyanido- und Thiocyanatokomplexe
Cyanid bildet mit Eisen sehr stabile oktaedrische Komplexe. Ihre Kaliumsalze tragen einen historischen Namen.
So heißen die Kaliumhexacyanidoferrate. Gelbes Blutlaugensalz ist \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\), Kaliumhexacyanidoferrat(II), rotes Blutlaugensalz ist \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\), Kaliumhexacyanidoferrat(III). Der Name stammt von der früheren Herstellung durch Glühen von Blut mit Pottasche und anschließendes Auslaugen.
Die Oxidationsstufe im gelben Salz ergibt sich aus der Ladungsbilanz. Vier \(\ce{K+}\) liefern +4, sechs \(\ce{CN-}\) liefern −6. Für Eisen bleibt also +II. Das Gegenion ist ausschließlich Kalium, Natrium kommt nicht vor. Weil Cyanid so fest gebunden ist, setzt das Salz kaum freies Cyanid frei und ist wenig giftig.
Gibt man \(\ce{Fe^3+}\) zu gelbem Blutlaugensalz, fällt tiefblaues Berliner Blau aus:
\[\ce{4 Fe^3+ + 3 [Fe(CN)6]^4- -> Fe4[Fe(CN)6]3 v}\]
Berliner Blau ist ein polymerer Komplex. Jedes Cyanid überbrückt zwei Eisenatome wie eine Sprosse in einem Klettergerüst. Das Kohlenstoffende bindet an Fe(II), das Stickstoffende an Fe(III).
Berliner Blau ist als Arzneimittel zugelassen. Oral gegeben bindet es Thallium und radioaktives Cäsium im Darm und fördert so ihre Ausscheidung.
Thiocyanat (\(\ce{SCN-}\)) reagiert mit \(\ce{Fe^3+}\) anders. Es bildet einzelne, tiefrote Komplexe und kein Berliner Blau:
\[\ce{[Fe(H2O)6]^3+ + SCN- <=> [Fe(SCN)(H2O)5]^2+ + H2O}\]
Die Nachweisreaktionen selbst behandelt die Einheit zu anorganischen Arzneistoffen.
| Verbindung | Formel | Oxidationsstufe Fe | Farbe |
|---|---|---|---|
| Gelbes Blutlaugensalz | \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) | +II | gelb |
| Rotes Blutlaugensalz | \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\) | +III | rot |
| Berliner Blau | \(\ce{Fe4[Fe(CN)6]3}\) | +II und +III | tiefblau |
| Thiocyanatokomplex | \(\ce{[Fe(SCN)(H2O)5]^2+}\) | +III | tiefrot |
Eisenhydroxide und -oxide
Lauge fällt aus Eisensalzlösungen die Hydroxide. Frisches \(\ce{Fe(OH)2}\) ist fast weiß und wird an Luft rasch grün, dann braun. Das \(\ce{Fe(OH)3}\) ist rotbraun gefärbt:
\[\ce{Fe^3+ + 3 OH- -> Fe(OH)3 v}\]
Beide Hydroxide sind nicht amphoter und lösen sich nicht in Natronlauge. Anders als \(\ce{Zn(OH)2}\) oder \(\ce{Al(OH)3}\) bilden sie dort keine löslichen Hydroxidokomplexe. Auch Eisenoxid löst sich in Natronlauge nicht zu Natriumferrat.
| Oxid | Oxidationsstufe | Mineral |
|---|---|---|
| \(\ce{FeO}\) | +II | Wüstit |
| \(\ce{Fe2O3}\) | +III | Hämatit |
| \(\ce{Fe3O4}\) | +II und +III | Magnetit |
\(\ce{Fe2O3}\) ist ein reines Eisen(III)-oxid und kein Gemisch. Gemischtvalent ist nur \(\ce{Fe3O4}\). Mit überschüssigem Chlor entsteht stets die höhere Stufe:
\[\ce{2 Fe + 3 Cl2 -> 2 FeCl3}\]
Konzentrierte Salpetersäure überzieht Eisen bei Raumtemperatur mit einer dichten Oxidschicht. Das Metall ist dann passiviert und entwickelt keinen Wasserstoff.
Cobaltverbindungen
Cobalt(II)-Komplexe treten bevorzugt mit den Koordinationszahlen 4 und 6 auf (zur Geometrie siehe Koordinationszahl). Mit Wasser entsteht der oktaedrische, rosa Komplex \(\ce{[Co(H2O)6]^2+}\). Mit viel Chlorid bildet sich der tetraedrische, blaue \(\ce{[CoCl4]^2-}\). Warum die Geometrie die Farbe ändert, erklärt die Ligandenfeldaufspaltung.
\[\ce{[CoCl4]^2- + 6 H2O <=> [Co(H2O)6]^2+ + 4 Cl-}\]
![Links ein Oktaeder [Co(H2O)6]2+ in Rosa, rechts ein Tetraeder [CoCl4]2- in Blau](img/abb-03.svg)
Dieser Wechsel macht \(\ce{CoCl2}\) zum Feuchteindikator. Wasserfreies \(\ce{CoCl2}\) ist blau und färbt sich an feuchter Luft rosa, weil es Wasser bindet. So zeigt Blaugel in Exsikkatoren an, wann das Trockenmittel erschöpft ist.
Cobalt liefert auch beständige Pigmente. Cobalt(II)-aluminat \(\ce{CoAl2O4}\) ist blau (Thénards Blau). Glüht man Cobalt(II)-nitrat mit Zinkoxid an Luft, entsteht das grüne Rinmans Grün.
Eisen und Cobalt in Biomolekülen
Beide Metalle sind in der Natur als Zentralatome großer, flacher Stickstoff-Makrocyclen gebunden. Vier Stickstoffatome halten das Metall in der Ringebene. Die beiden axialen Positionen oberhalb und unterhalb bleiben für weitere Liganden frei und bestimmen die Funktion.
Cobalt ist Bestandteil von Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\) (Cobalamin). Hier sitzt Co(III) in einem Corrinring. Ein axialer Ligand ist ein Dimethylbenzimidazol-Nucleotid. Der zweite variiert: \(\ce{CN-}\) im Arzneistoff Cyanocobalamin, \(\ce{OH-}\) im Hydroxocobalamin, eine Methyl- oder Adenosylgruppe in den Coenzymformen. Ein Mangel führt zur perniziösen Anämie.
Hämoglobin enthält komplexgebundenes Eisen. Fe(II) liegt im Porphyrinring des Häms. Die fünfte Position besetzt ein Histidin des Proteins, an der sechsten bindet \(\ce{O2}\) reversibel. Jedes der vier Untereinheiten trägt ein Häm. Wird Eisen zu Fe(III) oxidiert, entsteht Methämoglobin, das keinen Sauerstoff mehr transportiert.
| Merkmal | Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\) | Hämoglobin |
|---|---|---|
| Metall | Co(III) | Fe(II) |
| Ringsystem | Corrin | Porphyrin (Häm) |
| Axiale Liganden | Dimethylbenzimidazol und CN, OH, Methyl oder Adenosyl | Histidin und \(\ce{O2}\) |
| Funktion | Coenzym im Stoffwechsel | Sauerstofftransport im Blut |
Quiz
Aussage 1
Eine verdünnte \(\ce{FeCl3}\)-Lösung reagiert sauer, weil der Hexaaquaeisen(III)-Komplex Protonen an Wasser abgibt.
\(\ce{[Fe(H2O)6]^3+}\) ist eine Kationsäure mit \(\mathrm{p}K_\mathrm{s}\) etwa 2 bis 3 und bildet \(\ce{[Fe(H2O)5OH]^2+}\) und \(\ce{H3O+}\).
Aussage 2
Vitamin \(\mathrm{B_{12}}\) enthält ein Cobaltatom, das in einem Corrinring gebunden ist.
Cobalamin trägt Co(III) im Corrinring, Eisen im Porphyrinring findet sich dagegen im Häm des Hämoglobins.
Aussage 3
Eisen(III)-hydroxid löst sich als amphoteres Hydroxid in Natronlauge zu Natriumferrat.
\(\ce{Fe(OH)3}\) ist nicht amphoter und löst sich nicht in Natronlauge, anders als etwa \(\ce{Zn(OH)2}\).
Aussage 4
Wasserfreies, blaues Cobalt(II)-chlorid färbt sich an feuchter Luft rosa.
Durch Wasseraufnahme entsteht der oktaedrische, rosa Aquakomplex. Darauf beruht Blaugel als Feuchteindikator.
Aussage 5
Im gelben Blutlaugensalz \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) hat Eisen die Oxidationsstufe +III.
Vier \(\ce{K+}\) (+4) und sechs \(\ce{CN-}\) (−6) ergeben für Eisen +II. Fe(+III) liegt im roten Blutlaugensalz \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\) vor.
Aussage 6
Gibt man Thiocyanat zu einer \(\ce{Fe^3+}\)-Lösung, fällt tiefblaues Berliner Blau aus.
Thiocyanat bildet mit \(\ce{Fe^3+}\) tiefrote Komplexe. Berliner Blau entsteht aus \(\ce{Fe^3+}\) und Hexacyanidoferrat(II), weil Cyanid die Eisenatome verbrückt.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.