Eisen und Stahl

8.1.1 Physikalische und chemische Eigenschaften des Eisens

Eisen ist in der Erdkruste nach Aluminium das zweithaufigste Metall, als Gebrauchsmetall steht es jedoch an erster Stelle. Mit einer Dichte von p = 7,87 g/cm3 gehort es zu den Schwermetallen (Schwermetalle: p > 5 g/cm3). Wegen seines unedlen Charakters tritt es in der Lithosphare kaum in gediegener Form, sondem meist gebunden auf, z. B. in Oxiden, Sulfiden und Carbonaten. Wichtige Eisenerze sind Magneteisenstein (Fe304, Magnetit), Roteisenstein (Fe203, z. B. Hamatit, Eisenglanz), Brauneisenstein (Fe203 • nH20, z. B. Li – monit), Spateisenstein (FeC03, Siderit) und Eisenkies (FeS2, Pyrit, ,,Schwefelkies“). Die rotbraunen und gelben Farbtone des Erdbodens riihren haufig von Eisen(III)-oxiden bzw. Eisen(III)-oxidhydraten her. Reines Eisen ist ein silberweiBes, relativ weiches (Harte 4,5 nach Mohs), plastisch verformbares Metall. Es besitzt deshalb fur das Bauwesen kaum Bedeutung.

Wichtige physikalische Daten:

Dichte 7,87 g/cm3 (25°C), Smp. 1536°C, Sdp. 3200°C, Warmeleitfahigkeit 73,3 W/m-K, spezifische elektrische Leitfahigkeit 1,05* 105 S/cm (Leitfahigkeitswerte fur 20°C).

Eisen rostet an feuchter Luft unter Bildung von Eisen(III)-oxidhydroxid FeO(OH). An tro – ckener Luft und in gering durchluftetem Wasser verandert es sich kaum (Кар. 8.2.2). Beim Gliihen an der Luft iiberzieht sich Eisen mit einer diinnen Oxidschicht (Zunder), die hauptsachlich aus Fe304 besteht.

Eisen zeigt als unedles Metall eine geringe chemische Bestandigkeit gegeniiber einem sau – ren Angriff. In nichtoxidierenden Sauren wie Salzsaure und verdunnter Schwefelsaure lost es sich unter Wasserstoffentwicklung und Bildung von Fe2+-Ionen. Von konz. Schwefel­saure und Salpetersaure wird Eisen nicht angegriffen, da es sich – wie die Metalle Chrom und Aluminium – durch eine diinne, zusammenhangende Oxidschicht schutzt (Passivie – rung). Gegeniiber Alkali – bzw. Erdalkalilauge ist Eisen in der Kalte bestandig. Diese Inertheit ist eine wesentliche Voraussetzung fur die Rostsicherheit des Stahls im Beton (Кар. 9.4.2.3).

In seinen Verbindungen tritt Eisen iiberwiegend in den Oxidationsstufen +11 und +ПІ auf, die Stufe +ІП ist die stabilere. Eisen(II)-Salzlosungen sind in neutraler und saurer, beson – ders aber in alkalischer Losung, instabil gegeniiber Luftoxidation zu Fe(III). In wassrigen

R. Benedix, Bauchemie, DOI 10.1007/978-3-8348-9944-6_8,

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Eisen(II)-Salzl6sungen liegt das blaulichgriine [Fe(H20)6]2+-Kation vor. Eisen(III)-Salzlo – sungen weisen eine gelbe Farbung auf, die auf die Bildung von Eisen(III)-Hydroxokom – plexen, z. B. [Fe(H20)50H]2+, zuriickzufuhren ist.

Eisen kommt in drei Modifikationen vor, deren Umwandlungspunkte bei 911 °С und 1401°C liegen:

_ 911°C _ 1401 °С _ 1536°C

a-Eisen ^ " у – Eisen ————— – 6-Eisen ^ " Schmelze

Подпись: Schmelze Abbildung 8.1 AbkQhlkurve und Elementarzellen des Kristallgitters von reinem Eisen image105

Die Erscheinung, dass ein Stoff je nach Zustandsbedingungen (Temperatur, Druck) in ver – schiedenen festen Zustandsformen (Modifikationen) auftritt, findet man nicht nur beim Eisen, sondem auch bei Elementen wie Kohlenstoff (Diamant, Graphit, Fullerene), Schwe – fel, Phosphor und Zinn. Man nennt diese Erscheinung Polymorphie. Die gegenseitige Umwandelbarkeit zweier Modifikationen wird als Enantiotropie bezeichnet. Eisen besitzt demnach drei enantiotrope Modifikationen. Auch chemische Verbindungen konnen in un – terschiedlichen festen Zustandsformen vorkommen. Ein bekanntes Beispiel ist das Calci – umcarbonat mit seinen polymorphen Modifikationen Calcit (Kalkspat), Aragonit und Vate – rit.

Kuhlt man eine Schmelze von reinem Eisen (kohlenstofffrei) langsam ab und registriert die Temperaturanderung pro Zeiteinheit (Abb. 8.1), so ist an drei Temperaturpunkten der an – nahemd lineare Abfall der Abkuhlkurve unterbrochen (1536°C, 1401°C, 911°C). Die Tem – peraturen, die diesen waagerechten Kurvenverlaufen entsprechen, nennt man Haltepunkte. Sie charakterisieren Phasenubergange wie Umwandlungen der Kristallstruktur oder Ande – rungen des Aggregatzustandes. Die bei der Aufheizung an diesen Stellen aufgenommene Warmemenge wird bei der Abkiihlung wieder freigesetzt. Abkuhlkurve und Aufheizkurve verhalten sich wie Bild und Spiegelbild.

Bei 1536°C kristallisiert zunachst das kubisch-raumzentrierte 5-Eisen aus. Beim Halte – punkt von 1401 °С wandelt sich das 5-Eisen in das kubisch-flachenzentriert kristallisierende y-Eisen um. Diese Strukturanderung ist exotherm, damit stellt das Kristallsystem des y – Eisens die energiearmere Struktur dar. Bei 911°C wandelt sich y-Eisen in das noch ener – giearmere a-Eisen um, dessen Gitter analog dem 5-Eisen eine kubisch-raumzentrierte Ele – mentarzelle besitzt. Die Kantenlange der Elementarzelle des 5-Eisens ist allerdings um 10 pm zum a-Eisen aufgeweitet. Die Kristallumwandlungen werden durch Diffusion der Atome im Gitter moglich. Oberhalb der Curie-Temperatur von 769°C verliert das a-Eisen seinen Ferromagnetismus.