Eisen und seine Dichte: Alles, was Sie wissen müssen

1.0Eisen (Fe): Grundlage aller Baumaterialien und lebenswichtiges Element

Eisen (chemisches Symbol Fe, abgeleitet vom lateinischen Eisen) ist ein Übergangsmetall in Gruppe 8 des Periodensystems mit der Ordnungszahl 26. relative Atommasse von 55,845, eine Dichte von 7,86 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von 1539 °C. Es erscheint silbergrau und ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle in der Erdkruste. In der Natur kommt es üblicherweise sowohl in den Oxidationsstufen Eisen(II) (Fe²⁺) als auch Eisen(III) (Fe³⁺) vor.

1.1Physikalische und chemische Eigenschaften:

• Metallischer Glanz, silbergraues Aussehen, hart und dennoch dehnbar;
• Hoher Schmelzpunkt (1539 °C), geeignet für Hochtemperaturverarbeitung;
• Ein reaktives Metall, reagiert leicht mit Sauerstoff, Wasser und Säuren;
• Gängige Oxidationsstufen sind +2 und +3.

1.2Hauptanwendungen:

Stahlerzeugung:

Die wichtigste Anwendung von Eisen ist die Stahlherstellung. Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff, die oft mit Mangan, Chrom, Nickel und anderen Elementen vermischt wird, um Festigkeit, Zähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Stahl wird häufig verwendet in:

• Hochbau (zB Brücken, Hochhäuser)
• Maschinen- und Anlagenbau
• Transport (Autos, Schiffe, Eisenbahnen)
• Haushaltsgeräte und Waren des täglichen Bedarfs

Industriechemikalien und Düngemittel:

Eisenverbindungen werden zur Herstellung von Farbstoffen, Katalysatoren, Wasseraufbereitungsmitteln und eisenhaltige Düngemittel.

1.3Biologische Rolle:

Eisen ist ein essentielles Spurenelement für lebende Organismen. Zu seinen Hauptfunktionen gehören:

• Bildet Hämoglobin und Myoglobin und ist am Sauerstofftransport beteiligt.
• Teilnahme am mitochondrialen Energiestoffwechsel;
• Dient als Bestandteil verschiedener Enzyme und Proteine.

1.4Historische und kulturelle Bedeutung:

• Die Verwendung von Eisen durch den Menschen geht auf die Eisenzeit (um 1200 v. Chr.) zurück, als Werkzeuge und Waffen aus Eisen jene aus Bronze ersetzten und so die landwirtschaftliche Produktion und die militärische Leistungsfähigkeit deutlich steigerten.
• Die flächendeckende Einführung der Eisenschmelztechnologie markierte einen wichtigen Meilenstein in der menschlichen Zivilisation.
• Bis heute ist Eisen das weltweit am häufigsten verwendete metallische Material.

Dichten ausgewählter Elemente

2.0Dichte verstehen: Definition, Berechnung und Eisen als Beispiel

2.1Was ist Dichte?

Die Dichte ist ein Maß dafür, wie viel Materie in einem Volumen enthalten ist. Sie gibt an, wie dicht die Teilchen einer Substanz gepackt sind. Je dichter die Teilchen gepackt sind, desto mehr Teilchen passen in einen bestimmten Raum. Da Teilchen Masse haben, wiegen Materialien mit höherer Dichte bei gleichem Volumen mehr.

Zu den gängigen Dichteeinheiten gehören:

• SI-Einheit: Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³)
• Laboreinheiten: Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) oder Gramm pro Milliliter (g/ml)
• Die Dichte wird üblicherweise durch den griechischen Buchstaben ρ (rho)

2.2Formel zur Berechnung der Dichte

Dichte (ρ) = Masse (m) / Volumen (V)

Wo:

• Die Masse wird üblicherweise gemessen in Gramm (g)
• Das Volumen kann ausgedrückt werden in Milliliter (ml)oder Kubikzentimeter (cm³)
  (Hinweis: 1 ml = 1 cm³)

2.3Beispiel: Dichte eines Eisenblocks

Ein Eisenblock hat eine Masse von 23,6 Grammmit Abmessungen von 2,0 cm × 2,0 cm × 0,75 cm. Bestimmen Sie seine Dichte und ob es wahrscheinlich aus Eisen besteht.

Volumen = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Dichte = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Abschluss:
Das Objekt hat eine Dichte von ca. 7,87 g/cm³, was der Standarddichte von reinem Eisen sehr nahe kommt. Daher handelt es sich höchstwahrscheinlich um reines Eisen oder eine Eisenlegierung.

2.4Dichte von Eisen und Eisenlegierungen

Die Dichte von reines Eisen beträgt ungefähr 7,874 g/cm³
(oder 491,5 lb/ft³, 0,284 lb/in³)

Die folgende Tabelle listet die Dichte gängiger Eisenarten und Eisenlegierungen bei Raumtemperatur auf. Diese Werte sind hilfreich für die Materialauswahl und technische Berechnungen.

Hinweis 1: 6,95 bis 7,35 g/cm3 (0,251 bis 0,265 lb/in.3).

Hinweis 2: 7,20 bis 7,34 g/cm3 (0,260 bis 0,265 lb/in.3).

3.0Faktoren, die die Dichte von Eisen beeinflussen

3.1Atombau

Die Dichte von Eisen wird durch seine Kristallstruktur beeinflusst:

• Kubisch-raumzentrierte (BCC) Struktur:Ferrit (α-Eisen, BCC) hat aufgrund seiner Atompackungseffizienz eine etwas geringere Dichte als Austenit (γ-Eisen, FCC).
• Kubisch-flächenzentrierte (FCC) Struktur: Gefunden in Austenit (γ-Eisen), die eine höhere Dichte

3.2Temperatur- und Phasenübergänge

Bei steigender Temperatur erfährt Eisen Phasenübergänge, die seine Kristallstruktur und damit seine Dichte beeinflussen:

• α-Eisen (BCC)Übergänge zu γ-Eisen (FCC) bei ungefähr 912 °C
• γ-Eisen (FCC)verwandelt sich in δ-Eisen (BCC) bei rund 1394 °C
• Der SchmelzpunktEisen ist ungefähr 1538°

3.3Zugabe von Legierungselementen

• Hinzufügen von Elementen wie Kohlenstoffverändert die Struktur und Dichte von Eisen
• So führt beispielsweise ein steigender Kohlenstoffgehalt im Stahl zur Bildung von Perlitund senkt die Phasenübergangstemperaturum 727 °C.

4.0Häufig gestellte Fragen zur Dichte von Eisen

Andere: Dichte von Aluminium

Quellen:

https://www.princeton.edu/~maelabs/mae324/glos324/iron.htm

https://web.fscj.edu/Milczanowski/psc/lect/Ch4/slide6.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/iron-fertilizers