Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Thema: Metallbindung

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1 Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Thema: Metallbindung Chemische Bindungen in Metallen, Elektronengasmodell, elektronische Bänder, Bandstrukturmodell, Metalle, Halbleiter, Isolatoren, Bandlücke, elektrische Leitfähigkeit von Metallen und Halbmetallen Thema heute: Metallgewinnung, Hochofenprozess 309

2 Vorkommen von Metallen Erz: Natürlich vorkommendes Material, aus dem ein Metall mit vertretbarem Aufwand gewonnen werden kann. Einige Edelmetalle kommen in der Natur gediegen vor. Die größte Menge der Erze sind Oxide, gefolgt von Sulfiden. Silikate sind zwar häufig, die Gewinnung eines Metalls aus einem Silikat ist aber aufwendig und teuer und wird nur für Metalle angewandt, für die es keine anderen Erze gibt. 310

3 Vorkommen von Metallen 311

4 Die erforderliche Mindestkonzentration für wirtschaftliche Metallgewinnung schwankt stark: für Al oder Fe mindestens 30 %, für Cu genügt 1 %. Vor der Metallgewinnung steht in vielen Fällen die Anreicherung. So muß für die Aluminiumherstellung aus Bauxit (Al(OH) 3, AlO(OH), bis 30 % Fe 2 O 3, SiO 2 ) reines Al 2 O 3 gewonnen werden. Al(OH) 3 ist amphoter und kann mit NaOH gelöst werden. Al(OH) 3 + OH C [Al(OH) 4 ] - Fe 2 O 3 löst sich nicht, auch Fe(OH) 3 nicht. Al(OH) 3 fällt beim Verdünnen der Lösung wieder aus. Das reine Oxid wird durch Glühen des Hydroxids erhalten. [Al(OH) 4 ] - H 2O 2 Al(OH) 3 + OH - 2 Al(OH) C Al 2 O H 2 O 312

5 313

6 Silber- und Golderze werden durch "Cyanidlaugerei" angereichert. In Gegenwart von Luftsauerstoff werden auch die Metalle gelöst. 4 Ag + 8 CN - + O 2 +2 H 2 O 4 [Ag(CN) 2 ] - +4 OH - Ag 2 S + 4 CN - 2 [Ag(CN) 2 ] - + S 2- "Rösten" ist das Überführen der Sulfide in die Oxide, aus denen sich die Metalle leichter gewinnen lassen: 2 ZnS + 3 O 2 2 ZnO + 2 SO 2 Aus den Oxiden werden die meisten Metalle durch Reduktionsprozesse bei hoher Temperatur dargestellt. Wichtigstes und billigstes Reduktionsmittel ist Kohlenstoff, der vor allem nach Überführung in Kohlenmonoxid reduzierend wirkt. 2 C + O 2 2 CO C + O 2 CO 2 Ob aus Kohlenstoff und Sauerstoff CO oder CO 2 entsteht, entscheidet das Boudouard- Gleichgewicht C + CO 2 2 CO. Bei hohen Temperaturen (1000 C) ist CO bevorzugt. 314

7 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess Eisen wird aus Eisenoxid-haltigen Erzen gewonnen. In einem Hochofen laufen im wesentlichen zwei Prozesse ab: 1. Die Reduktion der Eisenoxide zu Eisen 2. Die Verflüssigung der Gangart zu Schlacke Um die dem Eisenerz anhaftende Gangart zu entfernen, werden dem Erz Zuschläge zugesetzt. Gangart und Zuschläge verbinden sich zu einer flüssigen Schlacke mit niedrigem Schmelzpunkt. Die Zuschläge hängen vom der dem Eisenerz anhaftenden Gangart ab. Dieses Gemisch schmilzt zwischen 1130 und 1280 C. Der Hochofen wird von oben schichtweise mit der Mischung aus Erz und Zuschlägen (Möller) und Koks beschickt. Von unten wird Heißluft in den Hochofen eingeblasen wodurch der Koks teilweise zu Kohlendioxid und Kohlenmonoxid verbrannt wird. 2 C + O 2 2 CO 2 CO + O 2 2 CO 2 CO 2 + C 2 CO 315

8 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess 316

9 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess Die bei der Verbrennung freiwerdende Energie sorgt im unteren Teil des Hochofens für Temperaturen um 1500 C. Die entstandenen aufsteigenden Gase führen zu einer stufenweisen Reduktion der Eisenoxide zu metallischem Eisen. Das flüssige Roheisen sammelt sich schließlich auf dem Boden des Hochofens. Die Schlacke, die sich durch die Umsetzung der Gangart mit den Zuschlägen gebildet hat, schwimmt auf dem Roheisen. Roheisen und Schlacke werden von Zeit zu Zeit abgestochen. Das von oben nachrutschende Füllgut durchläuft immer wärmere Temperaturzonen und dehnt sich dabei zunächst aus. An der breitesten Stelle des Hochofens, dem sogenannten Kohlensack, schmelzen das Roheisen und die Schlacke, das Volumen nimmt ab. Die Hochofenform folgt dieser Entwicklung (s. Abbildung). Das bei dem Prozess oben entweichende Gichtgas wird unter anderem zur Luftvorwärmung im Winderhitzer und zum Antrieb des Gebläses verwendet. 317

10 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess C + O 2 -> CO 2-393,5 kj/mol CO 2 + C fest -> 2 CO +172,5 kj/mol 3 Fe 2 O 3 -> 2 Fe 3 O 4 + CO 2-49,5 kj/mol Fe 3 O 4 -> 3 FeO + CO kj/mol FeO + CO -> Fe + CO 2-16 kj/mol An die Roheisengewinnung schließt sich i.d.r. eine Veredlung z.b. die Stahlerzeugung an. 318

11 319

12 320

13 Eisenoxide: Rost 321

14 Für viele Metalle ist die Reduktion mit Kohlenstoff ungeeignet, da Metallcarbide entstehen. Zur Darstellung von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re werden unedle Metalle wie Na, Mg, Ca, Al eingesetzt. H f 0 von Al 2 O 3 beträgt 1700 kj/mol! Cr 2 O 3 +2 Al 2 Cr + Al 2 O 3 3 Mn 3 O 4 +8 Al 9 Mn + 4 Al 2 O 3 Titan wird über das Tetrachlorid durch Reduktion mit Magnesium dargestellt (KROLL- Verfahren). TiO C+2 Cl 2 TiCl CO TiCl Mg 700 C Ti + MgCl 2 Auch mit Wasserstoff lassen sich Metalloxide reduzieren. GeO H 2 Ge + 2 H 2 O 322

15 Die Alkali-, Erdalkalimetalle und Aluminium werden durch Elektrolyse geschmolzener Salze gewonnen. Al 2 O 3 ist sehr hochschmelzend, deshalb wird es in geschmolzenem Na 3 AlF 6 bei 950 C gelöst. Anode: C + 2 O 2- CO e - Kathode: 3e - + Al 3+ Al Nach ihrer Reduktion enthalten die meisten Metalle noch Verunreinigung, deren Entfernung man Raffination nennt. 323

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