Das chemische Element Eisen hat die Ordnungszahl 26 und das Symbol Fe (abgeleitet vom lateinischen ferrum). Es ist ein Metall, das in Gruppe 8 des Periodensystems und in der ersten Übergangsreihe vorkommt. Es macht einen großen Teil sowohl des äußeren als auch des inneren Kerns des Planeten aus und ist nach Masse das häufigste Element, knapp vor Sauerstoff (32,1 bzw. 30,1 Prozent). Es ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste und wurde hauptsächlich von Meteoriten in metallischer Form zusammen mit ihren Erzen abgelagert.
Eisenerze müssen in Öfen verarbeitet werden, die Temperaturen von 1.500 °C oder mehr erreichen können, was etwa 500 °C über der Temperatur liegt, die zum Schmelzen von Kupfer erforderlich ist. Menschen in Eurasien BC. Der Gebrauch von eisernen Werkzeugen und Waffen begann im zweiten Jahrtausend v. Chr., als er begann, diese Technik zu beherrschen. Bis ins 1200. Jahrhundert begann es, an einigen Stellen Kupferlegierungen zu ersetzen. Es wird angenommen, dass in dieser Zeit der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit stattfand. Eisenlegierungen wie Stahl, Edelstahl, Gusseisen und Sonderstähle sind heute aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Wirtschaftlichkeit die am häufigsten verwendeten Industriemetalle.
Daher ist die Eisen- und Stahlindustrie sehr wichtig für die Wirtschaft. Eisen ist auch das billigste Metall und kostet nur wenige Dollar pro Kilogramm oder Pfund.
Reine Eisenoberflächen sind makellos und spiegelglatt silbergrau. Rost, auch bekannt als hydratisierte Eisenoxide, ist eine einfache Reaktion zwischen Eisen, Sauerstoff und Wasser. Rost nimmt mehr Platz ein als das Metall, auf dem er sich befindet, und setzt die neue Oberfläche stärker der Korrosion aus als die Oxide einiger anderer Metalle, die abblättern und Passivierungsschichten bilden. Hochreines Eisen wie Elektrolyteisen ist korrosionsbeständiger.
Ein erwachsener menschlicher Körper enthält 4 Gramm (0,005 % des Körpergewichts) Eisen, wovon das meiste in Hämoglobin und Myoglobin gefunden wird.
Diese beiden Proteine sind für den Stoffwechsel von Wirbeltieren von entscheidender Bedeutung, da sie es dem Blut ermöglichen, Sauerstoff zu transportieren, und den Muskeln, Sauerstoff zu speichern. Der menschliche Eisenstoffwechsel erfordert eine minimale Eisenmenge in der Nahrung, um einen angemessenen Spiegel aufrechtzuerhalten. Mehrere wichtige Redox-Enzyme, die an der Zellatmung, Oxidation und Reduktion in Pflanzen und Tieren beteiligt sind, enthalten ebenfalls Eisen als Metall im aktiven Zentrum.
Eisen kommt am häufigsten in den Oxidationsstufen Eisen(II) und Eisen(III) vor. Zusammen mit den beiden Elementen der Gruppe 8, Ruthenium und Osmium, hat Eisen einige Eigenschaften mit anderen Übergangsmetallen gemeinsam. Eisen kann Verbindungen mit Oxidationsstufen von 2 bis +7 bilden. Eisen kann auch eine Vielzahl von Koordinationsverbindungen bilden, von denen einige wichtige Anwendungen in Industrie, Medizin oder Forschung haben, wie Ferrocen, Ferrioxalat und Preußischblau.
Eigenschaften und Allotrope von Eisen
Eisen kommt in mindestens vier verschiedenen Allotropen vor, die traditionell mit den Buchstaben α, γ, δ und ε bezeichnet werden.
Die ersten drei Arten sind unter typischem Druck zu sehen. Wenn geschmolzenes Eisen unter seinen Gefrierpunkt von 1538 °C abkühlt, kristallisiert es zu seinem Allotrop, das eine kubisch-raumzentrierte (bcc) Kristallstruktur hat. Bei 1394 °C wandelt es sich in Austenit um, ein Allotrop von Eisen mit einer kubisch flächenzentrierten (fcc) Kristallstruktur. Die Kristallstruktur wird bei 912 °C und niedrigeren Temperaturen zurück in das bcc-Eisen-Allotrop umgewandelt.
Aufgrund seiner Bedeutung für Hypothesen über die Kerne der Erde und anderer Planeten wurden auch die physikalischen Eigenschaften von Eisen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen eingehend untersucht.
Die hexagonal gestapelte (hcp) Struktur, auch „ε(Epsilon)-Eisen“ genannt, entsteht, wenn der Druck größer als etwa 10 GPa und die Temperatur kleiner oder gleich einigen hundert Kelvin ist. Der Übergang von der Alpha-Phase bei hoher Temperatur zu Epsilon-Eisen erfolgt bei höherem Druck.
Es gibt einige umstrittene experimentelle Beweise, die die Existenz einer stabilen Betaphase bei Drücken über 50 GPa und Temperaturen von mindestens 1500 K unterstützen. Es wird erwartet, dass es eine doppelte HCP-Struktur oder eine orthorhombische Form hat. (Verwirrenderweise wird das Wort "-Beta-Eisen" manchmal verwendet, um sich auf -Alpha-Eisen über dem Curie-Punkt zu beziehen, wenn es sich von ferromagnetisch zu paramagnetisch ändert, obwohl sich seine Kristallstruktur nicht geändert hat).
Es wird allgemein angenommen, dass eine Epsilon- oder Beta-Eisen-Nickel-Legierung mit (oder)-Struktur den inneren Kern der Erde bildet.
Siede- und Schmelzpunkte von Eisen
Die Schmelz- und Siedepunkte von Eisen sowie die Atomisierungsenthalpie sind niedriger als die früherer 3D-Elemente, von Scandium bis Chrom, was darauf hindeutet, dass der Beitrag von 3D-Elektronen zur Metallbindung abnimmt, wenn die 3D-Elektronen stärker angezogen werden Kern in den inerten Kern; die Werte des vorherigen Elements Mangan sind jedoch höher, da dieses Element eine teilweise gefüllte XNUMX-dimensionale Unterschale hat und infolgedessen d-Ruthenium den gleichen Trend zeigt, Osmium jedoch nicht.
Für Drücke unter 50 GPa ist der Schmelzpunkt von Eisen experimentell gut etabliert. Die seit 2007 veröffentlichten Daten für höhere Drücke unterscheiden sich immer noch um mehrere zehn Gigapascal und mehr als tausend Kelvin.
Magnetische Eigenschaften von Eisen
Unterhalb des Curie-Punkts, der 770 ° C (1.420 K) beträgt, ändert sich Eisen typischerweise von paramagnetisch zu ferromagnetisch, wenn sich zwei ungepaarte Elektronen in jedem Atom mit den Spins ihrer Nachbarn ausrichten, um ein allgemeines Magnetfeld zu erzeugen. Dies liegt daran, dass diese beiden Elektronen nicht an metallischen Bindungen beteiligt sind und ihre Orbitale nicht auf benachbarte Atome im Gitter gerichtet sind.
Atome spalten sich spontan in etwa 10 Mikrometer breite Magnetfelder auf, wenn keine externe Magnetfeldquelle vorhanden ist. Atome in jeder Domäne haben parallele Spins, aber einige Domänen haben unterschiedliche Orientierungen. Infolgedessen ist das Gesamtmagnetfeld eines makroskopischen Eisenstücks nahezu Null.
Wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, bewirkt eine Magnetisierung in der gleichen allgemeinen Richtung, dass die Felder zunehmen und das externe Feld auf Kosten der in der Nähe befindlichen Felder verstärken, die in andere Richtungen weisen. Geräte, die Magnetfelder kanalisieren müssen, um ihre Konstruktionsfunktionen auszuführen, wie elektrische Transformatoren, Magnetaufzeichnungsköpfe und Elektromotoren, machen sich dieses Phänomen zunutze. Verunreinigungen, Gitterfehler oder Korn- und Partikelgrenzen können Felder an neuen Positionen „fixieren“, sodass die Wirkung auch nach Wegnahme des äußeren Feldes anhält – und aus dem Eisenobjekt ein (Dauer-)Magnet wird.
Einige Eisenverbindungen, wie das Mineral Magnetit, eine kristalline Form des gemischten Eisen(II,III)-oxids Fe3O4, zeigen ähnliche Eigenschaften (obwohl der Mechanismus auf atomarer Ebene, der Ferrimagnetismus, etwas anders ist). Die frühesten Kompasse, die zur Navigation verwendet wurden, waren Magnetsteine, Magnetitstücke mit einer natürlichen permanentmagnetischen Eigenschaft. Bevor Materialien auf Kobaltbasis ersetzt wurden, wurden Magnetitpartikel in großem Umfang in magnetischen Aufzeichnungsmedien wie Kernspeichern, Magnetbändern, Disketten und Platten verwendet.
Quelle: Wikipedia
📩 03/04/2023 20:59