Eisenpentacarbonyl

Strukturformel
Allgemeines
Name	Eisenpentacarbonyl
Andere Namen	Pentacarbonyleisen(0) Eisencarbonyl IPC (I für iron)
Summenformel	[Fe(CO)5]
Kurzbeschreibung	ölige gelbe bis rote Flüssigkeit mit muffigem Geruch
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 13463-40-6 EG-Nummer 236-670-8 ECHA-InfoCard 100.033.323 PubChem 26040
Eigenschaften
Molare Masse	195,90 g·mol−1
Aggregatzustand	flüssig
Dichte	1,495 g·cm−3 (0 °C) 1,457 g·cm−3 (20 °C) 1,419 g·cm−3 (40 °C) 1,380 g·cm−3 (60 °C)
Schmelzpunkt	−21 °C
Siedepunkt	105 °C
Dampfdruck	30,6 hPa (20 °C) 51,6 hPa (30 °C) 84,1 hPa (40 °C) 133 hPa (50 °C)
Löslichkeit	praktisch unlöslich in Wasser
Brechungsindex	1,453 (22 °C)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 225​‐​300+310+330​‐​372 P: 210​‐​280​‐​302+352​‐​310​‐​330​‐​304+340
MAK	Schweiz: 0,1 ml·m−3 bzw. 0,8 mg·m−3 (berechnet als Eisen)
Toxikologische Daten	25 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Eisenpentacarbonyl ist eine Komplexverbindung und neben dem Dieisennonacarbonyl Fe₂(CO)₉ und dem Trieisendodecacarbonyl Fe₃(CO)₁₂ das einfachste der drei bekannten Carbonyle des Eisens. Es liegt bei Standardbedingungen als strohgelbe Flüssigkeit vor.

Herstellung

Technisch wird Eisenpentacarbonyl aus feinverteiltem Eisen und Kohlenmonoxid bei 150 bis 200 °C unter einem Druck von 50 bis 300 bar hergestellt. Reines Eisen ohne Oxidschicht reagiert mit CO bereits bei Raumtemperatur und Normaldruck. Die Aufreinigung erfolgt mittels Destillation. Es handelt sich um eine Gleichgewichtsreaktion, deren Lage stark von der Temperatur und dem Druck abhängt. Die Bildung von Eisenpentacarbonyl verläuft mit −226,92 kJ·mol⁻¹ exotherm.

$\mathrm {Fe+5\ CO\ \rightleftharpoons \ [Fe(CO)_{5}]}$

Bei hohen Temperaturen wird die Rückreaktion bzw. Zersetzung relevant, die neben Kohlenmonoxid ein besonders reines Eisenpulver (99,98 bis 99,999 % Eisen), das sogenannte Carbonyleisen, liefert.

Eigenschaften

Die orangefarbene Flüssigkeit: [Fe(CO)₅].

Physikalische Eigenschaften

Eisenpentacarbonyl ist eine gelb bis rote Flüssigkeit, die unter Normaldruck bei 105 °C siedet. Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log₁₀(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 5,18943, B = 1960,896 und C = −0.228 im Temperaturbereich von 267 bis 378 K.

Zusammenstellung der wichtigsten physikalischen Eigenschaften

Eigenschaft	Typ	Wert [Einheit]	Bemerkungen
Standardbildungsenthalpie	ΔfH0liquid	−766,09 kJ·mol−1 −3911 kJ·kg−1	als Flüssigkeit
Verbrennungsenthalpie	ΔcH0liquid	−1606 kJ·mol−1 −8200 kJ·kg−1	als Flüssigkeit zu CO2 und Fe2O3
Wärmekapazität	cp	235 J·mol−1·K−1 (20 °C) 1,2 J·g−1·K−1 (20 °C)	als Flüssigkeit
Kritische Temperatur	Tc	285–288 °C
Kritischer Druck	pc	2,90 MPa
Viskosität	η	76 mPa·s (20 °C)
Wärmeleitfähigkeit	λ	0,139 W·m−1·K−1
Linearer Ausdehnungskoeffizient	α	0,00125 K−1
Schmelzenthalpie	ΔFH	13,6 kJ·mol−1 69,4 kJ·kg−1	am Schmelzpunkt
Verdampfungsenthalpie	ΔVH	37,2 kJ·mol−1 190 kJ·kg−1	am Normaldrucksiedepunkt
Brechungsindex	nD22	1,518

Untersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie bei −100 °C zeigten, dass das Molekül eine trigonal bipyrimidale Struktur besitzt. Die Verbindung ist vollständig mischbar mit Petrolether, n-Hexan, Benzol, n-Pentanol und anderen höheren Alkoholen, Diethylether, Aceton, Essigsäure und Ethylacetat.

Chemische Eigenschaften

Eisenpentacarbonyl reagiert bei Raumtemperatur nicht mit Luftsauerstoff. Die Verbindung ist gegenüber Wasser und schwachen bzw. verdünnten Säuren stabil. Mit konzentrierten Säuren werden die korrespondierenden Salze unter Freisetzung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff gebildet. Aus den Reaktionen mit Halogenen resultieren die entsprechenden Eisenhalogenide. Die Verbindung wirkt gegenüber organischen Verbindungen als Reduktionsmittel. So können Nitroaromaten zu Anilinen oder Ketone zu Alkoholen reduziert werden. Die Hiebersche Basenreaktion führt zu Eisencarbonylsalzen, wie Natriumtetracarbonylferrat, die ebenfalls starke Reduktionsmittel darstellen.

$\mathrm {Fe(CO)_{5}\ +4\,NaOH\ \longrightarrow \ Na_{2}Fe(CO)_{4}+Na_{2}CO_{3}+2\,H_{2}O}$

Die Photolyse der reinen Verbindung oder ihrer Lösungen ergibt das Dieisennonacarbonyl. Diese Reaktion erfolgt auch bei Einwirkung von Licht im sichtbaren Spektralbereich, sodass Dieisennonacarbonyl als Verunreinigung bei Einwirkung von Tageslicht gebildet werden kann.

$\mathrm {2\,Fe(CO)_{5}\ {\xrightarrow {h\nu }}\ Fe_{2}(CO)_{9}+CO}$

Sicherheitstechnische Kenngrößen

Eisenpentacarbonyl bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt von −15 °C. Der Explosionsbereich liegt zwischen 3,7 Vol.‑% als unterer Explosionsgrenze (UEG) und 12,5 Vol.‑% als oberer Explosionsgrenze (OEG). Die Zündtemperatur beträgt 55 °C.

Verwendung

Eisenpentacarbonyl dient als Ausgangsstoff für die Synthese von metallorganischen Eisenverbindungen, die u. a. vielseitige katalytische Eigenschaften haben.

Früher wurde es als Antiklopfmittel im Benzin verwendet, zum Beispiel in Motalin (Superbenzin auf Basis des synthetischen Leuna-Benzins im Deutschland der 1920er- und 1930er-Jahre). Allerdings wurde diese Verwendung aufgegeben, da sich Eisenoxide im Motor und an den Zündkerzen ablagerten. Mit Eisenpentacarbonyl wären 92 ROZ bei einer Zugabekonzentration von ca. 6,5 g/l erreichbar gewesen.

Eisenpentacarbonyl wird zur Herstellung halbtransparenter Eisenoxidpigmente mit sehr hohen chemischer Reinheit verwendet. Dabei erfolgt eine Verbrennung in einem Überschuss an Luftsauerstoff bei Temperaturen zwischen 580 °C und 800 °C. Es resultieren orange bis rote, amorphes Produkte mit kleinen Korngrößen zwischen 10 und 20 nm.

$\mathrm {4\,Fe(CO)_{5}+13\,O_{2}\rightarrow 2\,Fe_{2}O_{3}+20\,CO_{2}}$

Durch kontrollierte Verbrennung in Gegenwart von Aluminiumpulver in einem Wirbelschichtreaktor bei 450 °C können spezielle Effektpigmente hergestellt werden. Hier erfolgt eine Beschichtung der Aluminiumpartikel mit α–Eisen(III)-oxid, wobei über verschiedene Schichtdicken verschiedene goldene, orange oder rote Farbtöne mit hoher Farbbrillanz erreicht werden können.

Eisenpentacarbonyl diente in der DDR als Roststopper bzw. Rostschutzmittel. Es wurde verwendet, um Rostflecke auf metallischen Oberflächen zu beseitigen bzw. als Grundierungsanstrich auf Stahl. Dies war eine rotbraune, leicht ölige Flüssigkeit mit schwachem Geruch.

Weblinks

Commons: Eisenpentacarbonyl – Sammlung von Bildern

• Kurven zu Zusammenhängen zwischen Additivkonzentration und erzielbarer ROZ, abgerufen am 23. Dezember 2016.