Eisen
Eisen stammt aus ausgebrannten, explodierten Sonnen.
Gediegen kommt es in Meteoriten vor.
Eisen ist nach Sauerstoff mit 50 %, Silizium mit 25 %,
und nach Aluminium mit 7,5 %,
mit 4,7 % das vierthäufigste Element
und zweithäufigste Metall der Erdrinde.
Im Erdmantel (Litosphäre / Steinschicht)
kommt Eisen in Form des FeO zu etwa 8 % vor.
Man vermutet weiterhin, dass der Erdkern
zu etwa 80 % aus Eisen besteht.
Nach einer Theorie haben sich die ersten Moleküle
des Lebens tief im Meer an Pyrit (Eisendisulfid) gebildet.
Die Epoche in der Menscheitsgeschichte
vor etwa 2700 Jahren in Europa,
als der Mensch begann Werkzeuge und Waffen
aus Eisen zu erschaffen wird Eisenzeit
genannt. (Hallstattzeit/Latènezeit)
Lateinisch: Ferrum, englisch: Iron, französisch: fer.
Spanisch: hierro (in Verbindung mit der Eisenbahn: ferro).
Chemisches Symbol: Fe.
Eisen ist bei normalbedingungen ein festes Metall
und wird den unedlen,
(negative Spannung gegen Wasserstoff)
Schwermetallen zugeordnet ρ20 ≥ 5,0 g/cm³.
In feuchter Luft oxidiert Eisen.
Eisenoxide haben kein ausgeprägtes Säure-Base-Verhalten.
Eisen wird aus Eisenoxiden und anderen Eisenverbindungen
in Form von Erzen wie dem wichtigsten (Oxiden),
Roteisenstein (Eisenglanz oder Hämatit mit Eisenoxid Rost [Fe2O3]),
Magneteisenstein (Magnetit mit Eisenoxiduloxid [Fe3O4]),
Spateisenstein (Eisenspat oder Siderit mit [FeCO3]),
Brauneisenstein (Glaskopf oder Limonit mit Eisenhydroxid
[FeO(OH)] oder [Fe2O3·n·H2O]),
als Gefügebestandteil kommt auch der kugelförmige Wüstit
(Eisenoxidul FeO) mit TS ≈ 1370 °C - 1430 °C vor,
Eisenulfiden wie
Eisenkies (Schwefelkies, Pyrit mit Eisendisulfid [FeS2]),
Magnetkies (Magnetopyrit mit Eisensulfid [FeS])
und Eisenschrott gewonnen.
Eisen bildet mit Kohlenstoff das Eisenkarbid Zementit,
[Fe3C], mit einem C-Gehalt von 12u / (3·56u+12u) = 6,67 %.
800 HV, ρFe3C= 7,4 g/cm³, magnetisch TC= 215 °C, TS≈1330 °C.
Eisen bildet beim erstarren aus der Schmelze an den
Kristallationskeimen
(kleinsten Kristallen oder in der Praxis auch Verunreinigungen),
Dendriten, die dann aus Platzmangel beim Wachsen zu Körnern,
die auch als Kristallite bezeichnet werden, werden.
Dabei entsteht ein polyedrisches, zwillingsfreies Ferrit-Gefüge.
In unserem Körper ist Eisen wichtigster Bestandteil vom
Hämatin, Oxihämin, Hämiglobin und Hämoglobin.
Der Farbstoff Häm sorgt auch für die Farbe des Blutes.
Das Symbol für Eisen in der Chemie ist Fe für Ferrum.
Eisen ist Hauptbestandteil von Stahl und Gußeisen.
Die Dichte von Eisen: ρ20= 7,86 g/cm³. (kg/dm³, 10³kg/m³)
Die Härte beträgt etwa 60 HB.
Die Streckgrenze Re beträgt etwa 100 N/mm².
Die Zugfestigkeit Rm beträgt etwa 200 N/mm².
Die Dehnung A = 50%.
Die Einschnürung Z = 80%.
Die Kerbschlagzähigkeit KC = 250 J/cm².
Atomdurchmesser: 248,3 pm.
Ionendurchmesser: (2+, 3+): 148 pm, 128 pm.
Relative Atommasse: 55,847 u [g/mol].
(1 u = 1,660565·10-27kg)
Isotopenhäufigkeit: 54Fe 5,8%, 56Fe 91,7%, 57Fe 2,2%, 58Fe 0,3%.
Ordnungszahl (Elektronenanzahl, Protonenzahl): 26
Elektronenkonfiguration: [Ar] 3d6 4s2
(diffuse, sharp, principal und fundamental)
Eisen hat unaufgefüllte innere Elektronenschalen.
Die Elektronenspins richten sich gleich,
parallel zu den sogenannten
Weißschen Bezirken (Minimagneten) aus.
Es gilt das Curie-Weißsche-Gesetz: χm= C/(T-TC).
Ionisierungsenergie (I, II, III): 7,83 eV, 16,16 eV, 30,6 eV.
Wertigkeit: 3, 2.
Beispiel für eine zweiwertige Verbindung: FeO.
Beispiel für eine dreiwertige Verbindung: Fe2O3.
Elektronegativität nach Pauling: 1,83.
Gruppe [IUPAC]: VIII b [8].
Spektroskopischer Grundzustand: 5D4.
Gegenüber einer Wasserstoffelektrode hat Eisen
Fe/Fe2+eine Spannung U von -0,44 V,
Fe/Fe3+eine Spannung U von -0,04 V.
Molmasse/Wertigkeit(3)=18,616 g/mol
Elektrochemisches Äquivalent=0,19303·10-3g/As.
Faradaykonstante=96441 As/mol.
Eisen geht die Metallbindung ein.
Die Valenzelektronen der Eisenatome wandern von einem
Eisenion zum anderen (Elektronengas).
Durch die Metallbindung entstehen also auch Kristalle.
Ein verschieben der Ebenen untereinander ist aber einfacher
und führt nicht zum spröden Bruch wie bei den Ionenbindungen.
Eisen ist gut plastisch formbar (z.B.: schmieden bei 1200°C - 900°C).
Eisen hat metallischen Glanz, gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit.
Elementarzellen, -längen und -winkel: Kubisch- (a=b=c α=β=γ=90°)
raumzentriert α-/β-Fe a(20 °C)= 0.28662 nm - a(910 °C)= 0.29041 nm.
flächenzentriert γ-Fe a(910 °C)= 0.36462 nm - a(1390 °C)= 0.36876 nm.
raumzentriert δ-Fe (1392 °C-1536°C) a(1425 °C)= 0.293 nm.
Beim erwärmen von Eisen gibt es also eine Allotropie.
(T=θ+273,16K)
Beim erwärmen oder abkühlen von Eisen
kann man Haltepunkte am θ(t)-Diagramm erkennen.
Halt (Arrêt), der 1. Index gibt die Wärmeänderung an
chauffage erwärmen, refroidissement abkühlen oder equilibre Gleichgewicht.
Der 2. Index ist ein fortlaufender Index der Haltepunkte,
gezählt von niederer zur höheren Temperatur.
Von 20 °C - 769 °C [TC= 1042 K](Curie-Temperatur)
ist Eisen ferromagnetisch.Ac2beim erwärmen, Ar2 beim abkühlen.
Die Magnetisierbarkeit nimmt mit der Temperatur ab.
Im Temperaturbereich darüber ist Eisen paramagnetisch.
Von 20 °C - 769 °C existiert das kubisch-raumzentrierte
α-Fe oder Ferrit. Das β-Fe hat die gleiche Kristallstruktur.
Ferrit kann bis zu 0,021% Kohlenstoff lösen ( Ae1 = 723 °C ).
Bei Raumtemperatur löst Ferrit 10-5 % C.
Ferrit kann bis zu 0,10 % Stickstoff lösen.
Bei Raumtemperatur löst Ferrit 10-5 % N.
Mischkristalle kann man als feste Lösung ansehen.
Eine chemische Stickstoffverbindung ist
das nadelförmige Eisennitrid [Fe4N]
Die Längenzunahme ist ≈1,2·10-5/K.
Der Umwandlungspunkt von 915 °C beim Erwärmen wird
Ac3genannt (chauffer).
Der Umwandlungspunkt von 900 °C beim Abkühlen wird
Ar3genannt (refroidir).
Die Hysterese beträgt 15 K.
Umwandlungswärme 28,5 J/g Fe.
Bei der β-/γ-Fe-Umwandlung verkürzt sich Eisen,
durch die größere Packungsdichte von Austenit,
sprunghaft um 0,25%
und nimmt dann mit der Temperatur wieder langsam zu.
Von 910 °C - 1392 °C existiert das kubisch-flächenzentrierte
γ-Fe oder Austenit, mit viel Platz in der Kristallmitte.
( Einlagerungsmischkristalle )
Austenitmischkristalle können maximal 2,06 % C lösen.
Umwandlungspunkte γ-/δ-Fe bei 1392 °C.
Ac4beim erwärmen, Ar4 beim abkühlen.
Umwandlungswärme 10,5 J/g Fe.
Von 1392 °C - 1536 °C existiert wieder
ein kubisch-raumzentriertes δ-Fe.
δ-Ferrit-Mischkristalle können 0,1 % C lösen.
Bei 1536°C [1808 K] schmilzt Eisen. (1528°C - 1541°C)
Die spezifische Schmelzwärme ist qSchmelz=276 kJ/kg oder 14 kJ/mol.
Bei der Kristallation wird eine Wärme von 270 J/g Fe frei.
Beim Übergang Schmelze → krz-Kristallgitter
findet eine Erstarrungskontraktion von -4 %
bezogen auf das Volumen statt.
Bei 2750 °C [3023 K] verdunsted oder verdampft Eisen *.
* es existieren in der Literatur unterschiedliche
Verdampfungstemperatur- und Vaporisierungsenthalpieangaben.
Die spezifische Verdampfungswärme ist qDampf= 351 kJ/mol.
|
Aen
|
θ
|
T
|
Umwandlung
|
Phasen
|
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Ae2
|
769 °C
|
1042 K
|
α↔β
|
krz↔krz
|
|
Ae3
|
911 °C
|
1184 K
|
β↔γ
|
krz↔kfz
|
|
Ae4
|
1392 °C
|
1665 K
|
γ↔δ
|
kfz↔krz
|
|
Ae5
|
1536 °C
|
1809 K
|
δ↔Schmelze
|
krz↔flüssig
|
|
Ae6
|
2750 °C *
|
3023 K *
|
Schmelze↔Gas
|
flüssig↔gasförmig
|