Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zur Spaltung von Wasser und erzeugen Knallgas

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1 Thermit / Blatt 1 Einleitung Gegen Ende des 19. Jahrhunderts entdeckte Hans Goldschmidt in Essen die technische Gewinnung von Schwermetallen aus ihren Oxiden durch die Oxidation von Aluminium. Thermit ist ein Gemisch aus Eisen(III)- oxid und Aluminium-Pulver. Dieser aluminothermische Vorgang wurde fortan Goldschmidt - oder Thermit- Prozeß genannt. Die Reaktion läuft in wenigen Sekunden unter starker Wärmeentwicklung ab. Eine wichtige technische Anwendung ist das Thermit-Schweißverfahren zum Schienenschweißen, einem einfachen und von äußerlichen Energiequellen unabhängigen Verfahren. Chemische Reaktion Die Thermitreaktion ist eine stark exotherme Redoxreaktion, bei der Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um Eisen(III)-oxid zu elementarem Eisen reduzieren. Das unedlere Aluminum wird dabei zum Aluminiumoxid oxidiert. Als Reaktionsgleichung: Fe 2 + 2Al 2Fe + Al 2 Gefahren Die Ausgangsstoffe sind bei Raumtemperatur stabil, sie können sich entzünden, falls sie einer genügend großen Aktivierungsenergie ausgesetzt werden. Der Brennvorgang ist eine stark exotherme Reaktion (bis zu C), Die Produkte werden somit aufgrund der erreichten Temperatur flüssig. Da brennendes Thermit keinen externen Sauerstoff benötigt, kann die Reaktion nicht erstickt werden und in jeder Umgebung - auch unter Sand und Wasser - gezündet werden und weiter brennen. Löschversuche mit Wasser sowie Feuchtigkeit führen zur Spaltung von Wasser und erzeugen Knallgas 2H 2 O 2H 2 + O 2 Anwendungen Thermit wird seit etwa 1920 zum aluminothermischen Schweißen und Fügen von Bahngleisen an den Schienenstößen angewendet. Der Thermit-Prozeß läuft ab, wenn eine Mischung aus Eisenoxid und fein verteilten Aluminium in einem Tiegel zur Entzündung gebracht wird. Die entstehende chemische Reaktion liefert flüssiges Eisen )Fe) und flüssige Aluminium-Schlacke (Al 2 ), die beide eine Temperatur von C haben. Das flüssige Eisen wird im Entstehungszustand zu Thermit-Stahl hoher Qualität veredelt, der sich im unteren Teil des Tiegels sammelt. Die aluminothermische Schlacke schwimmt wegen ihres geringen Gewichtes auf dem Thermit-Stahl. Der flüssige Stahl wird hauptsächlich für das Schweißen von großen Werkstücken und besonders von Schienen verwendet.

2 Thermit / Blatt 2 Fragen 1. Wer erfand die technische Gewinnung von Schwermetallen? a. Dr. Geldschmidt b. Dr. Goldschmidt c. Dr. Thermit 2. Die Thermitreaktion ist eine a. Reduktion b. Oxidation c. Redoxreaktion 3. Woraus besteht das Thermitgemisch a. Aluminium-Pulver und Eisen(III)oxid b. Aluminiumoxid und Eisenoxid c. Aluminiumoxid und Eisen(III)pulver 4. Das Reduktionsmittel ist a. Aluminium b. Eisen 5. Die Reaktionsprodukte sind a. elementares Aluminium und Eisenoxid b. Aluminium und Eisen c. Aluminumoxid und elementares Eisen 6. Die Reaktion läuft stark a. exotherm an b. endotherm ab 7. Die Produkte werden aufgrund der Temperatur von bis zu C a. hart b. gasförmig c. flüssig 8. Das Thermitgemisch kann gelöst werden durch a. Sand b. Wasser c. Es kann nicht gelöscht werden 9. Wie lautet die Reaktionsgleichung für den Thermit-Prozeß? Wofür wird Thermit am häufigsten verwendet? a. Silversterknaller b. Schweißen von Bahngleisen c. Sprengen von Häusern

3 Thermit / Blatt 3 Chemische Fachsprache (MERKE!!!) Die Thermitreaktion ist eine stark exotherme Redoxreaktion, bei der Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um Eisen(III)-oxid zu elementarem Eisen reduzieren. Das unedlere Aluminium wird dabei zum Aluminiumoxid oxidiert. Als Reaktionsgleichung: Fe 2 + 2Al 2Fe + Al 2 Eisen(III)-oxid Ein Oxid ist eine Verbindung eines Elements (PSE) mit Sauerstoff (gr. Oxygenium) Die römische Zahl im Verbindungsname gibt die Wertigkeit des davor stehenden Elementes an. Eisen(III)-oxid... Eisen(II)-oxid... Reagiert ein Element (Al) mit Sauerstoff (O 2 ) zu einem Oxid ( Al 2 ), so bezeichnet man diese Reaktion eine Oxidation. (oxdidieren)... Verliert ein Oxid (Fe 2 ) bei einer chemischen Reaktion seinen Sauerstoff und reagiert zu einem Element (Fe), so bezeichnet man diese Reaktion als Reduktion (reduzieren).... Findet bei der derselben Reaktion gleichzeitig eine Oxidation und eine Reduktion statt, so bezeichnet man diese Reaktion als Redox-Reaktion Der Stoff, der einem anderen oxidiert (ihm Sauerstoff gibt), ist ein Oxidationsmittel. Das Oxidationsmittel wird dabei... Oxidationsmittel ist bei der o.a. Reaktion...:.... Der Stoff, der einem anderen reduziert (ihm Sauerstoff entzieht), ist ein Reduktionsmittel. Das Reduktionsmittel wird dabei... Reduktionsmittel ist bei der o.a. Reaktion...:... Wir berechnen das Mischungsverhältnis der Edukte (Ausgangsstoffe)

4 Thermit / Blatt 4 Die Thermitreaktion ist eine stark exotherme Redoxreaktion, bei der Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um Eisen(III)-oxid zu elementarem Eisen reduzieren. Das unedlere Aluminum wird dabei zum Aluminiumoxid oxidiert. Reaktionsgleichung: Fe 2 + 2Al 2Fe + Al 2 1. Eisen(III)-oxid m(fe) m(o) =... u =... u m( Fe 2 ) =... u 2. Al m(al) m(o) =... u =... u m( Al 2 ) =... u 2. Reaktionsschema Fe 2 + 2Al --> 2Fe + Al 2... u... u u u 3. Massenverhältnis der Edukte vor der Reaktion m(fe 2 ) : m(al) =... :...

5 Thermit / Blatt 5 Die Masse eines Atoms 1. Die wirkliche Masse eines Atoms Ein Wasserstoffatom hat eine Masse von Ein Eisenatom hat eine Masse von 0, kg 0, kg => Ein Fe -Atom ist ungefähr 56 mal leichter / schwerer als ein H-Atom 2. Die relative Masse eines Atoms Ein Wasserstoffatom hat eine wirkliche Masse von 0, kg Wir vereinfachen : Wir setzen : 0, kg = 1 unit => Ein Wasserstoffatom hat eine relative Masse von... u => Ein Eisenatom hat eine relative Masse von... u => Diese relativen Atommassen findest du im PSE

6 Thermit / Blatt 6 3. Problem : Der Chemiker will Stoffe mit der Waage abwiegen. Die absoluten und relativen Atommassen sind zu klein. Man kann sie mit einer Laborwaage nicht abwiegen 4. Eine geniale Lösung Ein Wasserstoffatom hat eine Masse von Ein Wasserstoffatom hat eine relative Masse von 0, kg 1u Frage : Wie viele H-Atome sind in 1g Wasserstoffgas enthalten Berechnung: 0,001kg : 0, kg Anzahl der H-Atome in ein 1g Wasserstoffgas: N = = 6,023* Atome Wasserstoff Ergebnis: 1g Wasserstoffgas enthält 6,023* Atome Wasserstoff Die molare Masse von Wasserstoff beträgt M(H) = 1g Ein Eisenatom hat eine Masse von 0, kg Ein Eisenatom hat eine relative Masse von 56u Frage : Wie viele Fe-Atome sind in 56g Eisen enthalten Berechnung: 0,001kg : 0, kg Anzahl der Fe-Atome in ein 56g Fe: N = = 6,023* Atome Eisen Ergebnis: 56g Eisen enthalten 6,023* Atome Eisen Die molare Masse von Eisen beträgt M(Fe) = 56g Wir vereinfachen: Die komplizierte Zahl N = = 6,023* nennen wir 1 Mol (ähnlich wie 1 Dutzend Eier = 12 Eier)

7 Thermit / Blatt 7 Aluminothermisches Verfahren (Thermit) Geräte Schutzbrille, Schutzhandschuhe aus Leder, Blumentopf (Höhe 8-10 cm), Stativ, Ringklammer, feuerfeste Unterlage (Kachel) oder besser Schale mit Sand, Zange, Hammer, Magnet, Waage, Schale, zwei Wunderkerzen, Papier Chemikalien: Gut getrocknetes Eisen(III)-oxid, Aluminium-Grieß Sicherheitshinweise: Achtung: Die Chemikalien müssen völlig trocken sein, weil sonst die Mischung herausgeschleudert werden kann und es zu lebensgefährlichen Verbrennungen kommen kann! Der Versuch verläuft so heftig, daß es zum Herumspritzen von Eisenkügelchen kommen kann. (--> im Freien arbeiten) Deshalb Abstand halten (5 m). Kein brennbares Material in der Nähe (Gasschläuche fernhalten). Schutzbrille! Auf keinen Fall aus der Nähe in den Topf hineinsehen! Die Mischung neigt nämlich auch noch Minuten nach dem Zündversuch zur Reaktion. Versuchsanleitung: Man wiege 20 g Eisenoxid (noch besser ein Gemisch aus Eisen(II/III)-oxid) und 7 g Aluminium ein und vermische beide sorgfältig. Diese Mischung ist verschlossen lange Zeit stabil. In den Blumentopf gibt man zum Abdecken des Wasserablaufs etwas Aluminiumfolie. Man stelle ein Papierrohr (Durchmesser etwa 1-2 cm) in die Mitte des Topfes und fülle außen herum Sand. Nun füllt man das Rohr mit dem Thermit-Gemisch. Unter den mittels Ringklammer befestigten Topf stellt man am Besten eine feuerfeste Schüssel, die mindestens 10 cm hoch mit Sand gefüllt ist. Zum Zünden nimmt man eine Wunderkerze, die man in die Zündmischung steckt. Man zündet die andere Wunderkerze an und hält sie aneinander. Sobald die Reaktion beginnt, sollte man einen Sicherheitsabstand von 5 m einhalten. Man beobachtet eine heftige Reaktion mit Funkenbildung und großer Hitzeentwicklung (2.000 C!). Aus dem Blumentopf tropft eine flüssige Masse in den Sand und bildet dort einen glühenden Regulus. Nach dem Abkühlen zerschlägt man den Regulus mit einem Hammer auf einer festen Unterlage, damit Schlacke und Eisen voneinander getrennt werden. Das Eisen kann mit einem Magneten identifiziert werden.