Kupfer erzeugt eine grüne Flammenfärbung und einen schwachen Funkenregen, Eisen orange-gelbe Funken und Zink den stärksten Funkenregen.

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1 4.6 Metalle reagieren unterschiedlich stark mit Sauerstoff Material: Schutzbrille; großes Stück Aluminiumfolie; Gasbrenner (kein Kartuschenbrenner!); Stativ; Universalklemme; Doppelmuffe; Spatel; in jeweils einer Porzellanschale Eisenpulver, Kupferpulver und Zinkpulver (die Pulver sollen gleiche Korngröße haben). Versuchsanleitung: Vor Versuchsbeginn mit der Lehrkraft die Sicherheitsmaßnahmen und Entsorgung durchsprechen! Bedecke den Experimentiertisch vollständig mit Aluminiumfolie und falte die Ränder nach oben um. Spanne den Gasbrenner waagerecht am Stativ ein, entzünde das Gas und stelle die rauschende Flamme ein. Achte darauf, dass kein Mitschüler in Flammenrichtung steht. Streue eine kleine Prise Metallpulver mithilfe des Spatels jeweils von oben in die Gasbrennerflamme. Beobachtung: B1 Versuchsaufbau Kupfer erzeugt eine grüne Flammenfärbung und einen schwachen Funkenregen, Eisen orange-gelbe Funken und Zink den stärksten Funkenregen. Auswertung: Die Reaktionsheftigkeit der eingesetzten Metallpulver zeigt die Reaktionsbereitschaft, mit der die Metalle mit Sauerstoff reagieren. Trage die Metalle auf dem Pfeil ein. Edelmetalle Kupfer, Eisen, Zink Reaktionsbereitschaft mit Sauerstoff nimmt zu unedle Metalle 1 Ergänze den Lückentext. Die Neigung der Metalle, sich mit Sauerstoff zu verbinden, ist recht unterschiedlich ausgeprägt. Metalle, die mehr oder weniger bereitwillig mit Sauerstoff reagieren, heißen unedle Metalle. Dazu gehören zum Beispiel Aluminium, Calcium oder Magnesium. Andere Metalle, welche nicht oder nur äußerst langsam mit Sauerstoff reagieren, nennt man Edelmetalle. Gold und Platin sind typische Edelmetalle. 2 Metalle kommen in der Natur oft als Erze, das sind Gemische aus Gestein und Metallverbindungen, häufig als Metalloxide, vor. Um welche Metalle handelt es sich dabei? Um unedle Metalle. Diese können oxidiert werden. 3 Warum kommt Gold nicht als Erz vor? Erläutere. Edelmetalle wie Gold kommen in der Natur nicht als Oxide vor. Metalle und Metallgewinnung 123

2 4.9 Wie viel Metall kann man aus einem Erz gewinnen? Viele Erze sind Metalloxide, die mit Gestein vermischt sind. Vor der eigentlichen Metall gewinnung trennt man in der Regel zunächst das Metalloxid vom Gestein. Wie viel Metall kann man durch Reduktion einer bestimmten Menge Metalloxid gewinnen? Bei der Eisengewinnung wird häufig Roteisenerz als Rohstoff genutzt. Es besteht aus rotem Eisenoxid mit der Verhältnisformel Fe 2. I) Berechnung der Masse einer Elementargruppe von Fe 2 Die Masse lässt sich mithilfe der Atommassen von Eisen und Sauerstoff bestimmen: m t (Fe 2 ) = 2 m t (Fe) + 3 m t (O) = 2 55,8 u ,0 u = 111,6 u + 48,0 u = 159,6 u B1a Roteisen erz (Fe 2 ) B1b Magneteisenerz (Fe 3 O 4 ) II) Bestimmung des Verhältnisses von Eisen zur Gesamtmasse des Roteisenerzes Pro Elementargruppe enthält rotes Eisenoxid zwei Eisenatome. Diese haben eine Gesamt masse von 2 55,8 u, also insgesamt 111,6 u. Das Verhältnis der Masse an Eisen zur Gesamt masse des Rot eisen erzes kann man folgendermaßen berechnen: m(eisen) : m(roteisenerz) = 111,6 u : 159,6 u = 0,7 B1c Cuprit (Cu 2 O) III) Wie viel Eisen kann man aus 10 t rotem Eisenoxid gewinnen? Durch Umstellen ergibt sich eine Formel, mit der man ausrechnen kann, welche Masse die Eisenportion hat, die sich aus einer bestimmten Portion roten Eisenoxids gewinnen lässt. m(eisen) = 0,7 m(roteisenerz) Aus 10 Tonnen rotem Eisenoxid kann man 7 Tonnen Eisen gewinnen. = 0,7 10 t = 7 t 1 Berechne für jedes Metalloxid die Masse einer Elementargruppe. Elementargruppe Cu 2 O 143,0 FeO 71,8 Fe 3 O 4 231,4 Masse der Elementargruppe in der Einheit u Atomsymbol Masse in u Cu 63,5 Fe 55,8 O 16,0 B2 Diverse Atommassen 2 a) Berechne die Masse an Eisen, die man aus 1 t Magneteisenerz (Fe 3 O 4 ) gewinnen kann. m(eisen) : m(magneteisenerz) = 167,4 u : 231,4 u = 0,72 m(eisen) = 0,72 m(magneteisenerz) = 0,72 1 t = 0,72 t b) Aus Cuprit (Cu 2 O) sollen 2 t Kupfer gewonnen werden. Berechne die dazu nötige Masse an Cuprit. m(cuprit) : m(kupfer) = 143 u : 127 u = 1,13 m(cuprit) = 1,13 m(kupfer) = 1,13 2 t = 2,26 t c) Berechne das nötige Volumen an Luft, um aus Kupfer 100 g schwarzes Kupferoxid (CuO) zu erhalten. (Dichte von Sauerstoff: r = 1,33 g/l (bei 20 C), Volumenanteil an Sauerstoff in Luft: v = 21 %). m(sauerstoff) : m(schwarzes Kupferoxid) = 16 u : 79,5 u = 0,20 m(sauerstoff) = 0,2 100 g = 20 g V(Sauerstoff) = m(sauerstoff) : r(sauerstoff) = 15,04 l V(Luft) = V(Sauerstoff) : v(sauerstoff in Luft) = 71,61 l Metalle und Metallgewinnung 127

3 4.10 Gewinnung von Metallen B1 Ötzi (links); Ötzis Kupferbeil (Mitte); die Kupfermineralien Malachit, grün und Azurit, blau (rechts) Im Herbst 1991 fand ein Bergsteigerehepaar in den Ötztaler Alpen eine Mumie [B1, links], von der man heute weiß, dass sie über Jahre alt ist. Sie wird aufgrund des Fundortes als Ötzi bezeichnet. Man fand bei der Gletscherleiche ein vollständig erhaltenes Kupferbeil [B1, Mitte]. Die Klinge besteht zu 99 % aus Kupfer. Da es im Alpenraum keine Kupfervorräte in gediegener Form gibt, wohl aber Kupferverbindungen in Erzen, ist davon auszugehen, dass die Menschen dort bereits vor Jahren in der Lage waren, aus Erzen Kupfer zu gewinnen. In den Alpen kommt Malachit vor [B1, rechts], welches Kupfercarbonat (CuCO3) enthält. V1 Kupfergewinnung zu Ötzis Zeiten Geräte und Chemikalien: Waage, Gasbrenner, Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Becherglas, Wasser, Kupfer carbonat, Holzkohlepulver. Durchführung: a) Erhitze ca. 2 g Kupfercarbonat in einem Reagenzglas, bis die blau-grüne Farbe ver schwunden ist. b) Füge nach dem Erkalten ca. 0,2 g Holzkohlepulver zu und schüttle kräftig. Erhitze das Gemisch an schließend kräftig. c) Schütte nach Beendigung der Reaktion den Reagenzglasinhalt in ein mit Wasser gefülltes Becherglas. Gib anschließend das Sediment auf Filterpapier. Aufgabe: Beschreibe deine Beobachtungen. Zu a): Die blau-grüne Farbe des Kupfercarbonats verschwindet, es bildet sich ein schwarzes Pulver. Bei D urch f ührung von b) glüht der Reagenzglasinhalt auf. N ach Durchführung von c) bleibt Holzkohlepulver auf der Wasserober f läche liegen; auf dem Boden des Becherglases liegen rotbraune Krümel. 1 a) Plane ein Experiment, mit dem man das beim Erhitzen des Malachits bzw. Kupfercarbonats gebildete Kohlenstoffdioxid nachweisen kann. Fertige auch eine Versuchsskizze an. Geräte und Chemikalien: Becher g las, gewinkeltes Glasrohr, Spatellöffel, Reagenzglas, Brenner, Kalkwasser, Malachit oder Kupfercarbonat. 128 Metalle und Metallgewinnung Kupfercarbonat/ Malachit und Kohlenstoff Kalkwasser

4 Gewinnung von Metallen Durchführung: Man gibt mit dem Spatellöffel zwei bis drei Spatel Kupfercarbonat bzw. Malachit ins Reagenzglas. Das gewinkelte Glasrohr schiebt man vorsichtig in den Stopfen und verschließt das Reagenzglas damit. Das Reagenzglas bringt man so am Stativ an, dass das Glasrohr eben ins Becherglas ragt. Der Reagenzglasinhalt wird erhitzt. Sobald kein Gas mehr durch das Kalkwasser perlt, entfernt man das Glas rohr sofort aus dem Kalkwasser. Dadurch wird verhindert, dass Kalkwasser ins Reagenzglas steigt. b) Führe den Versuch durch. 2 Erhitzt man also das in Malachit vorkommende Kupfercarbonat, so entstehen Kupferoxid und Kohlenstoffdioxid. Lässt man das Kupferoxid danach mit Kohlenstoff reagieren, bilden sich Kupfer und ein farbloses Gas. a) Formuliere für beide Reaktionsschritte das Reaktionsschema. 1. Reaktionsschritt: Kupfercarbonat > Kupferoxid + Kohlenstoffdioxid 2. Reaktionsschritt: Kupferoxid + Kohlenstoff > Kupfer + Kohlenstoffdioxid b) Stelle die Reaktionsgleichungen für die beiden Schritte auf. (Hinweis: Die Formel von Kupferoxid ist CuO). 1. Reaktionsschritt: CuCO3 > CuO + CO2 2. Reaktionsschritt: 2 CuO + C > 2 Cu + CO2 3 Auf die in Aufgabe 2 beschriebene Weise (2. Reaktionsschritt) kann man nicht nur Kupfer, sondern auch andere Metalle wie Eisen gewinnen. Erläutere die Vorgänge bei der Gewinnung von Eisen aus einem Eisen erz. Man erhitzt Eisenoxid mit Kohlenstoff. Der Kohlenstoff wird durch das Eisenoxid oxidiert, es entstehen Eisen und Kohlen stoffdioxid. Metalle und Metallgewinnung 129

5 4.12 Herstellen von Stahl 1 Das Roheisen aus dem Hochofen enthält etwa 3 4 % Kohlenstoff. Dadurch ist es zwar hart, aber auch sehr brüchig. Ein Teil des Kohlenstoffs muss also aus dem Roheisen entfernt werden. Dies geschieht in einem Konverter, wie er in der Abbildung gezeigt ist. Betrachte die Abbildung und ergänze dann den Lückentext. Durch den Boden des Konverters bläst man reinen Sauerstoff in das flüssige Roheisen. Der größte Teil des Kohlenstoffs verbrennt dabei zu Kohlenstoffdioxid und ent weicht. So entsteht aus dem kohlenstoffreichen Roheisen kohlenstoffarmes Eisen. Dieses Eisen wird Stahl genannt und besitzt andere Eigenschaften als Roheisen. Sauerstoff Konverter Gasraum feuerfeste Ausmauerung Roheisenschmelze mit Zuschlägen 2 Welche Vorteile hat Stahl gegenüber Roheisen? Nenne mindestens zwei. Stahl kann geschweißt werden. Stahl ist nicht spröde, sondern verformbar. 3 Stahl ist die Grundlage für verschiedene Industriezweige. Zähle mindestens drei Industriezweige auf, in denen Stahl verarbeitet wird. Automobilindustrie, Schiffsbau, Bauindustrie, Rüstungs- industrie 4 Die nebenstehende Abbildung zeigt die Zusammensetzung von Eisenwerkstoffen im Vergleich. a) Gib den Anteil von Kohlenstoff im Gusseisen an. 4 % 5 4 Roheisen Gusseisen Stahl b) Durch die Bearbeitung im Konverter nimmt der Anteil eines Metalls von fast 5 % auf 1 % ab. Nenne den Namen des Metalls. Mangan Höchstgehalt (%) Kohlenstoff Silicium Mangan Phosphor c) Berechne aus den Angaben in der Abbildung die Masse des Kohlenstoffs, die in einer Tonne Gusseisen enthalten sein kann. Eine Tonne Gusseisen enthält 40 kg Kohlenstoff. 132 Metalle und Metallgewinnung

6 4.13 Eigenschaften von Stahl Material: 2 Rasierklingen (einfachste Ausführung), Gasbrenner, Pinzette (groß), Tiegelzange, Glasschale, Wasser, feuerfeste Unterlage Versuchsanleitung: Vor Versuchsbeginn mit der Lehrkraft Sicherheitsmaßnahmen und Entsorgung durchsprechen! B1 Biegen einer Rasierklinge B2 Ausglühen B3 Abschrecken B4 Anlassen a) Prüfe durch Biegen mithilfe einer Pinzette die Elastizität einer Rasierklinge [B1]. b) Fasse die Rasierklinge mit einer Tiegelzange und lass sie in der rauschenden Brennerflamme durchglühen, Ausglühen [B2]. c) Tauche die noch glühende Rasierklinge in eine Schale mit kaltem Wasser, Abschrecken [B3]. Prüfe wie bei a) die Elastizität. d) Nimm eine weitere Rasierklinge, lass sie durchglühen und tauche sie dann in kaltes Wasser. Halte nun die Rasierklinge in die schwach leuchtende Brennerflamme, bis sie gerade zu glühen anfängt ( Anlassen ; B4). Prüfe nach dem Erkalten erneut ihre Elastizität. Beobachtung: a) Die Rasierklinge ist elastisch, sie federt in ihre Ausgangs - stellung zurück. b) Sie glüht hellrot in der heißen Flamme. c) Nach dem Abkühlen im kalten Wasser ist die Rasierklinge hart und spröde. Sie zerbricht. d) Nach dem vorsichtigen Glühen ist die Rasierklinge wieder elastisch. Auswertung: Die Rasierklinge ist aus Stahl, sie ist elastisch. Beim Ausglühen und anschließenden Abschrecken verliert sie ihre Elastizität. Sie wird hart und spröde. Durch vorsichtiges Erhitzen gewinnt die Rasierklinge ihre Elastizität zurück. So lässt sich die Elastizität bzw. die Härte von Stahl be einflussen. Metalle und Metallgewinnung 133

7 Durchblick Zusammenfassung und Übung 1 In einem Tiegel werden Holzkohlepulver und gelbes Bleioxid (PbO) übereinander geschichtet. Erhitzt man den Tiegel mit der nicht leuchtenden Brennerflamme, so bildet sich im Tiegel ein blaugrauer, metallisch glänzender, flüssiger Stoff, der beim Abkühlen erstarrt. Gleichzeitig entweicht ein gasförmiger Stoff, der Kalkwasser trübt. a) Formuliere das Reaktionsschema. Kennzeichne Oxidation und Reduktion. Reduktion Bleioxid + Kohlenstoff > Blei + Kohlenstoffdioxid Oxidation gelbes Bleioxid Holzkohlepulver b) Gib die Reaktionsgleichung an. 2 PbO + C > 2 Pb + CO2 2 Trage die gesuchten Begriffe ein. Die Buchstaben der markierten Felder ergeben das Lösungswort. 1. Legierung für Glocken und Skulpturen 2. Verläuft unter Energieabgabe, ist also 3. Reaktion mit Sauerstoff 4. Rötliches, weiches, biegsames Metall 5. Legierungsbestandteil für rostfreie Bestecke 6. Verläuft unter andauernder Wärmezufuhr, ist also 7. Fließt aus dem Hochofen 8. Wird im Hochofen eingesetzt 9. Werkstoff für Dosen und Folien 1. B R O N Z E 2. E X O T H E R M 3. O X I D A T I O N 4. K U P F E R 5. N I C K E L 6. E N D O T H E R M 7. R O H E I S E N 8. K O K S 9. A L U M I N I U M 3 Im Folgenden sind Mischungen aus je einem Metall und einem Metalloxid angegeben. Überlege, ob eine Reaktion zu erwarten ist, wenn man die Mischung erhitzt. Formuliere jeweils die Reaktionsgleichung oder begründe, weshalb keine Reaktion abläuft. a) Eisen/Kupferoxid (Cu 2 O) Fe + Cu2O > FeO + 2 Cu b) Eisen/Calciumoxid (CaO) Eisen ist edler als Calcium. Daher findet keine Reaktion statt. c) Aluminium/Eisenoxid (FeO) 2 Al + 3 FeO > Al2 + 3 Fe 138 Metalle und Metallgewinnung