Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle. Von Sebastian Kreft

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1 Übergangsmetalle Von Sebastian Kreft

2 Übersicht Gewinnung und Raffination von: 1. Scandium 2. Titan 3. Vanadium 4. Chrom 5. Mangan 6. Eisen 7. Cobalt 8. Nickel 9. Kupfer 10. Zink Übergangsmetalle 2

3 1. Scandium Sc In der Natur sehr fein verteilt => selten größeres Vorkommen nur in Thortveitit (Y, Sc) 2 [Si 2 O 7 ] Gewinnung: Schmelzelektrolyse von ScCl 3 + KCl + LiCl an einer Zinkkathode Reduktion von ScF 3 + Ca in Gegenwart von Zn +LiF bei 1100 C (in Tantaltiegel + He-Atm.) Übergangsmetalle 3

4 1. Scandium Sc In beiden Fällen entsteht eine Zn/Sc- Legierung Unterhalb des Siedepunkts von Sc lässt sich Zn abdestillieren Weitere Reinigung durch Destillation im Hochvakuum bei 1700 C Übergangsmetalle 4

5 2. Titan Ti Gewinnung Kroll-Prozess: 1. TiO 2 (s) + 2 C(s) + 2 Cl 2 (g) TiCl 4 (g) + 2 CO(g) 2. TiCl 4 (g) + 2 Mg(l) Ti(s) + MgCl 2 (l) Reines TiCl 4 wird bei 700 C unter Argon- Atmosphäre in flüssiges Mg oder Na geleitet Es entsteht ein Ti-Schwamm mit % Ti Weitere Reinigung Übergangsmetalle 5

6 2. Titan Ti Raffination van-arkel-de-boer-verfahren: Unreines Ti + etwas Jod in Vakuumgefäß beim Erhitzen auf 200 C entsteht gasförmiges TiI 4 an einem 1300 C heißem Glühdraht zersetzt TiI 4 sich wieder unter Abscheidung von hochreinem Titan, I 2 kehrt wieder in den Prozess zurück Übergangsmetalle 6

7 2. Titan Ti Raffination Sehr teures Verfahren =>Nutzung nur zur Herstellung begrenzter Mengen hochreinen Metalls Verfahren wird Transportreaktion gennannt: Ti(s) + 2 I 2 (g) TiI 4 (g) bei 200 C TiI 4 (g) Ti(s) + 2 I 2 (g) bei 1300 C Übergangsmetalle 7

8 3. Vanadium V Gewinnung Gewinnung von V 2 O 5 : Rösten der V-Erze mit Alkalisalzen Alkalivanadate werden mit Wasser ausgelaugt Fällen von V 2 O 5 *x H 2 0 mit H 2 SO 4 Aluminotherisches Verfahren zur Darstellung von metall. Vanadium: 3 V 2 O Al 6 V + 5 Al 2 O 3 Reduktion von VCl 3 (aus V 2 O 5 ) mittels Mg (s. Titan) Übergangsmetalle 8

9 3. Vanadium V Raffination Van-Arkel-de-Boer-Verfahren (s. Titan) Elektrolytische Raffination (s. Kupfer) Übergangsmetalle 9

10 4. Chrom Gewinnung Bei der Abtrennung des Eisenanteils aus dem Chromeisenstein FeCr 2 O 4 entsteht Na 2 CrO 4 : 2 Cr 2 O O Na 2 CO 3 4 Na 2 CrO CO 2 NaCrO 4 + H 2 SO 4 Na 2 Cr 2 O 7 + H 2 O Übergangsmetalle 10

11 4. Chrom Gewinnung Reduktion mit Koks zum Chrom(III)-oxid: Na 2 Cr 2 O C Cr 2 O 3 + NaCO 3 +CO Durch aluminothermische Reaktion ensteht metallisches Chrom von ca. 99%er Reinheit: Cr 2 O Al 2 Cr + Al 2 O 3 Übergangsmetalle 11

12 5. Mangan Mn Gewinnung und Reinigung Aluminothermisches Verfahren: 3 MnO Al 3 Mn + 2 Al 2 O 3 Silicothermische Reaktion: MnO 2 + Si Mn + SiO 2 Reinigung durch Elektrolyse einer MnSO 4 - Lösung Übergangsmetalle 12

13 6. Eisen Fe Gewinnung Oxid wird durch C bzw. CO zum Element oxidiert: 2 C + O 2 2 CO Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 CO 2 + C 2 CO Das Erz wird mit Koks bei hohen Temperaturen durch Lufteinblasen ins Element überführt. => Siehe auch Vortrag Vom Eisenerz zum Stahl Übergangsmetalle 13

14 7. Cobalt Co Gewinnung und Reinigung Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen) Aluminothermische Reduktion (s. Vanadium) Reinigung durch Elektrolyse (s. Kupfer) Übergangsmetalle 14

15 8. Nickel Ni Gewinnung Ni kommt oft in Erzen als NiS vermischt mit Cu 2 S, FeS und Fe 2 O 3 vor Nach Abtrennung des Fe bleibt Kupfer- Nickel-Feinstein zurück (80 % Cu+Ni, 20 % S) 2 Möglichkeiten der Weiterverarbeitung Übergangsmetalle 15

16 8. Nickel Ni Gewinnung 1. Röstung (zum Nickel-/Kupferoxidgemisch) und Reduktion mit C zu einer Ni-Cu- Legierung (70 % Ni, 30 % Cu, Monelmetall) 2. Verschmelzen mit Na 2 S Bildung von zwei getrennten Schichten Kopf : Kupfersulfidschmelze Boden : Nickelsulfidschmelze Übergangsmetalle 16

17 8. Nickel Ni Gewinnung und Reinigung Boden wird geröstet und mit C zu metallischem Nickel reduziert Reinigung: Mond-Verfahren (Transportreaktion): Ni(s) + 4 CO(g) [Ni(CO) 4 ](g) (vgl. van-arkel-de-boer-verfahren) Elektrolyse (s. Kupfer) Übergangsmetalle 17

18 9. Kupfer Cu Gewinnung Angereicherter Kupferkies (CuFeS 2 ) wird vorgeröstet => Eisenanteil wandelt sich ins Oxid um Verblasen mit Zuschlägen (Sand, Kalk) Eisenoxid wird zu Eisensilikat-Schlacke und fließt ab Rückstand: Kupferstein (Hauptteil: Cu 2 S) geschmolzener Kupferstein wird mit Luft durchblasen Übergangsmetalle 18

19 9. Kupfer Cu Reinigung Das entstandene Rohkupfer wird weiterbehandelt durch Raffinationsschmelzen (zu Garkupfer) Elektrolytische Raffination (zu reinem Kupfer von 99,95 % Reinheit) Übergangsmetalle 19

20 9. Kupfer Cu Reinigung Elektrolytische Raffination: An einer Garkupferanode in CuSO 4 -Lösung gehen bei der Elektrolyse Cu und unedlere Metalle in Lösung, Edelmetalle fallen als Anodenschlamm ab(=> Edelmetallgewinnung) Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während die gelösten unedleren Metalle dies nicht tun Anode: Cu(s) Cu 2+ (aq) + 2 e - Kathode: 2 e - + Cu 2+ (aq) Cu(s) Übergangsmetalle 20

21 10. Zink Zn Gewinnung Bildung von ZnO durch: Rösten von Zinkblende (ZnS) 2 ZnS + 3 O 2 2 ZnO + 2 SO 2 Brennen von Zinkspat (ZnCO 3 ): ZnCO 3 ZnO + CO 2 Übergangsmetalle 21

22 10. Zink Zn Gewinnung und Reinigung Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen) Sehr reines Zink durch Elektrolyse von ZnSO 4 -Lösung => keine weitere Reinigung mehr nötig Weiteres Reinigungsverfahren: Destillation aufgrund des niedrigen Siedepunkts von Zink Übergangsmetalle 22

23 Quellen C. E. Mortimer. U. Müller: Chemie. Das Basiswissen der Chemie A. F. Hollemann, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie e.htm Übergangsmetalle 23

24 ENDE Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Übergangsmetalle 24

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