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Eisen ( Fe )

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Allgemeine Beschreibung  

Eisen wurde bereits von prähistorischen Kulturen verwendet.

Eisen ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle (41.000 ppm in der Erdkruste). Gleichzeitig ist es eines der wichtigsten Metalle, seine Verwendung übertrifft die aller anderen Metalle. Sein Einsatz im Hochofen ist wohlbekannt. In reiner Form ist Eisen ein glänzendes, weißes Metall, das weich und sehr leicht zu bearbeiten ist. Es reagiert jedoch auch schnell, daher kommt es schnell zu einer Schicht von hydriertem Oxid auf seiner Oberfläche, wenn das Eisen feuchter Luft ausgesetzt ist. Diese Schicht ist jedoch nicht einheitlich, sondern blättert leicht ab, um neuen Flächen für Angriffe freizugeben. Eisen ist in verdünnten Säuren löslich; dabei wird Fe(II) als Lösung erzeugt. Stärker oxidierende Säure erzeugen Fe(III)-Lösung, während sehr stark oxidierende Mittel (z.B. Dichromat oder konzentrierte Salpetersäure) eine selbst-passivierende Form des Metalls erzeugen, wahrscheinlich infolge der Bildung einer zusammenhängenden Oxidschicht.

Abhängig von der Temperatur kommt Reineisen in drei Formen vor, nämlich als Alpha-, Gamma- und Delta-Eisen. Alpha-Eisen ist eine polymorphe Form des Eisens, die sich unter 906 C stabil verhält. Es hat ein kubisch-raumzentriertes Gitter und ist bis zu 768 C magnetisch. Gamma-Eisen ist eine polymorphe Form des Eisens, die sich zwischen 906 C und 1403 C stabil verhält. Es hat ein kubisch-flächenzentriertes Gitter und ist unmagnetisch. Sein Stabilitätsbereich wird durch die Gegenwart von Kohlenstoff, Mangan und Nickel verringert; es stellt die Grundlage für feste Austenit-Lösungen. Delta-Eisen ist die polymorphe Form von Eisen, die zwischen 1403 C bis zum Schmelzpunkt stabil ist; es hat die gleiche Gitterstruktur wie Alpha-Eisen.

Eisen ist die Grundlage vieler Stahlsorten. Durch Legierung mit Kohlenstoff, Nickel, Chrom und anderen Elementen in verschiedenen Anteilen werden unterschiedliche Eigenschaften erzielt und Stoffe erzeugt, die erheblich voneinander abweichende mechanische und physikalische Eigenschaften haben.

Eisen ist zudem ein Element, das für alle Lebensformen von grundlegender Bedeutung ist. Der menschliche Körper enthält im Durchschnitt 4 g dieses Elements. Das Eisen im menschlichen Körper befindet sich vor allem im Hämoglobin, wo es für den Sauerstofftransport in den roten Blutkörperchen sorgt.

   

Atomische Eigenschaften

Atomgewicht ( amu ) 55,847
Atomradius - Goldschmidt ( nm ) 0,128
Elektronenstruktur Ar 3d6 4s2
Ionisationspotential Nr. eV
1 7.87
2 16.18
3 30.65
4 54.8
5 75.0
6 99
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Natürliche Isotopenverteilung Massenzahl %
54 5.8
56 91.8
57 2.1
58 0.3
Ordnungszahl 26
Photoelektrische Austrittsarbeit ( eV ) 4,4
Thermischer Neutronenabsorptionsquerschnitt ( Barns ) 2,56
angegebene Valenzen 2, 3, 4, 6

Elektrische Eigenschaften

Elektrischer Widerstand bei 20C ( µOhmcm ) 10,1
Temperaturkoeffizient bei 0-100C ( K-1 ) 0,0065
Therm. EMK gegenüber Pt (kalt 0C warm 100C) ( mV ) +1,98

Mechanische Eigenschaften

Materialzustand polykristallin
E-modul im Zugversuch ( GPa ) 211,4
Härte - Mohs 4,0-5,0
Kerbschlagzähigkeit nach Izod ( J m-1 ) 8-16
Kompressionsmodul ( GPa ) 169,8
Poissonsche Konstante 0,293
Streckgrenze ( MPa ) 120-150
Zugfestigkeit ( MPa ) 180-210

Physikalische Eigenschaften

Dichte bei 20C ( g cm-3 ) 7,87
Schmelzpunkt ( C ) 1535
Siedepunkt ( C ) 2750

Thermische Eigenschaften

Latente Schmelzwärme ( J g-1 ) 272
Latente Verdampfungswärme ( J g-1 ) 6095
Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient bei 0-100C ( x10-6 K-1 ) 12,1
Spezifische Wärme bei 25C ( J K-1 kg-1 ) 444
Wärmeleitfähigkeit bei 0-100C ( W m-1 K-1 ) 80,4

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