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Eisenherstellung 07:48 min

Textversion des Videos

Transkript Eisenherstellung

In diesem Video werden wir uns mit der Eisenherstellung beschäftigen. Schaut euch einmal dieses schöne schmiedeeiserne Tor an. Gefällt es euch? Aber wie stellt man Eisen her? Wir werden heute den Weg des Eisens verfolgen. Vom Rohstoff bis zum Verbrauchsmaterial. Vom Eisenerz bis zum Stahl. Eisenerz ist ein Bodenschatz, daher ist es wichtig ihn zu heben. 1. Die Erzförderung Eisenerz findet man häufig in Oberflächenvorkommen, daher wurde und wird Eisenerz häufig im Tagebau abgebaut. Es gibt verschiedene Eisenerze. Die Wichtigsten sind: Hämatit (Fe2O3), ein anderes Eisenerz ist Magnetit (Fe3O4) und auch Siderit (FeCO3 Eisenkarbonat) ist ein wichtiges Eisenerz. Die 2. Stufe auf dem Weg vom Erz zum Stahl ist die Erzaufbereitung. Dabei werden die großen Eisenerzstücke zerkleinert, um für den Transport und die Verarbeitung vorbereitet zu werden. Die zentrale Stufe der Stahlherstellung ist: 3. Der Hochofenprozess Hochöfen sind große Türme, die außen mit Stahl ummantelt sind. Der Hochofen wird von oben mit Kohle und dem Eisenerz (Fe2O3 Eisendreioxid) beschickt. Die Temperatur im Hochofen steigt von oben nach unten kontinuierlich an. Am Eingang beträgt sie etwa 250 Grad Celsius und am unteren Teil des Ofens erreichen sie Werte um 2300 Celsius. Daher zeichne ich die Farben auch von hellgelb bis leuchtend rot oben beginnend ein. Am Eingang des Ofens bilden sich aus der Kohle die beiden Oxide des Kohlenstoffs: Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid (CO2). Kohlenstoffmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid (Fe2O3 dem Eisenerz -> Fe3O4 +CO2) Bei noch höheren Temperaturen, bei etwa 700 Grad Celsius, reagiert das Eisenoxid (Fe3O4) mit dem Kohlenstoffmonoxid (CO). Es bilden sich 3FeO und CO2. Bei Temperaturen um die knapp 1000 Grad Celsius, findet die Reaktion von Kohlenstoff mit Kohlenstoffdioxid statt (C+CO2 -> 2CO). Es bildet sich Kohlenstoffmonoxid. Kohlenstoffmonoxid reduziert nun bei Temperaturen oberhalb von 1000 Grad Celsius Eisenzweioxid (FeO+CO -> Fe+CO2) Eisen bildet sich hier in fester Form. Bei 1600 Grad Celsius ist die Schmelztemperatur des Eisens erreicht, Eisen wird flüssig. Bei noch höheren Temperaturen findet eine Oxidation des Kohlenstoffs statt (2C+O2 -> 2CO). Um die Kohle zu verbrennen wird Luft eingeblasen in Form von Wind. Bei Temperaturen um 2300 Grad Celsius wird das Eisen abgestochen; die Schlacke schwimmt auf dem Eisen. Das so erhaltene Eisen nennt man Roheisen. Ihr müsst nun nicht alle einzelnen Schritte lernen. In der Schule wird häufig eine vereinfachte Darstellung verwendet. Ich möchte sie euch vorstellen: Der Kohlenstoff der Kohle reagiert mit dem Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid (C+O2 -> CO2). Kohlenstoffdioxid reagiert weiter mit Kohle (CO2+C -> 2CO). Es bildet sich Kohlenstoffmonoxid. Das Eisenerz (Fe2O3) wird vom Kohlenstoffmonoxid reduziert, es bildet sich Eisen und Kohlenstoffdioxid wird frei (Fe2O3+3CO -> 2Fe+3CO2). Aus Roheisen muss nun Stahl hergestellt werden. 4. Stahlherstellung Was ist der Unterschied zwischen Roheisen und Stahl? Der Unterschied ist auf den unterschiedlichen Gehalt am chemischen Element Kohlenstoff zurückzuführen. Enthält das Eisen weniger als 2,1 % Kohlenstoff so spricht man von Stahl. Ist mehr Kohlenstoff enthalten als 2,1 %, so ist das Roheisen. Stahl kann aus Roheisen, z. B. in so einem Tiegel, wie hier abgebildet gewonnen werden. Dazu ist es notwendig das Roheisen zu schmelzen und Sauerstoff einzublasen. Der Sauerstoff reagiert mit dem Kohlenstoff des Roheisens und verbindet sich zu Kohlenstoffdioxid (C+O2 -> CO2). Aus Roheisen wurde Stahl. Um aber Gebrauchsgegenstände zu erhalten, muss der Stahl ver- und bearbeitet werden. 5. Die Stahlverarbeitung Ich möchte einige wichtige Verfahren der Stahlverarbeitung nennen: Da wäre das Gießen. Sehr wichtig ist das Ziehen. Durch Biegen erhält man eine Verformung, genauso wird Stahl durch Pressen verformt. Aus großen, kompakten Gegenständen erhält man lange Schmale durch Walzen. Die Fertigungskette ist nun vollendet: vom Erz zum Stahl. Fassen wir nun zusammen: Die Stahlerzeugung beginnt mit der Erzförderung. Der 2. Schritt ist die Aufbereitung des Erzes. Dabei werden große Erzstücke zerkleinert. Das zentrale Verfahren bei der Stahlherstellung ist der Hochofenprozess. 3. Beim Hochofenprozess wird das Eisenerz (ein Eisenoxid) mit Kohlenstoffmonoxid zum Eisen reduziert. Es entsteht Roheisen mit einem relativ hohen Gehalt an Kohlenstoff. Aus Roheisen wird Stahl gewonnen indem man in das flüssige Roheisen Sauerstoff einbläst. Durch die Stahlverarbeitung (5.) gewinnt man nun schließlich Gebrauchsgegenstände aus Stahl. Eine der Möglichkeiten ist das Ziehen. Die Fertigungskette ist geschlossen: aus Eisenerz wurde Stahl gewonnen. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

4 Kommentare
  1. Nice

    Von Ostrich3124, vor 8 Monaten
  2. Sehr gut!

    Von Mariab, vor etwa einem Jahr
  3. Super Video, endlich verstanden !:-)

    Von Kyh, vor mehr als 5 Jahren
  4. Danke, jetzt habe ich auch das endlich verstanden. Super erklärt!!!

    Von Murks, vor fast 8 Jahren

Eisenherstellung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eisenherstellung kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die wichtigsten Eisenerze.

    Tipps

    Der Name Cuprit verrät bereits, welches Metall in diesem Erz enthalten ist.

    Lösung

    Die größte Menge des Eisens auf der Welt liegt in Form von Eisenoxiden vor. Dabei ist das Eisenoxid $Fe_2O_3$ das häufigste. Der Name des Minerals ist Hämatit.
    Auch bei dem Mineral Magnetit handelt es sich um ein Eisenoxid. Es hat die Zusammensetzung $Fe_3O_4$. Wie der Name andeutet, ist es eines der am stärksten magnetischen Materialien in der Natur.
    Eisen kommt auch in Form von Eisencarbonat vor. Dies hat die Formel $Fe(CO_3)$ und wird als Siderit bezeichnet. Im Deutschen wird es auch Eisenkalk genannt.
    Die beiden übrigen Mineralien sind keine Eisenerze. Bei Cuprit handelt es sich um ein Kupferoxid, Aragonit ist der Name einer bestimmten Form von Kalk, $Ca(CO_3)$.

  • Schildere die Herstellung von Stahl aus Eisenerz.

    Tipps

    Im Hochofen wird Roheisen hergestellt.

    Lösung

    Eisen kommt in der Natur nicht in reiner Form vor. Es liegt in Form von Eisenerzen in bestimmten Gesteinsschichten vor. Eisenerze sind häufig Verbindungen des Eisens mit Sauerstoff.
    Nach dem Abbau des Eisenerzes muss dieses vor der Verhüttung aufbereitet werden. Es wird von Fremdgestein getrennt und zerkleinert. In Form von Pellets wird es zu den Hüttenwerken transportiert.
    Im Hochofen wird aus den Eisenerzen Roheisen hergestellt. Mit Kohlenstoff in Form von Koks wird Kohlenstoffmonoxid bei hohen Temperaturen hergestellt, dieses reduziert das Eisenerz zu Eisen. Dem Eisen sind jedoch noch viele Verunreinigungen beigemischt, darunter ist auch ein größerer Anteil an Kohlenstoff.
    Roheisen wird in Stahl umgewandelt, indem Sauerstoff in das flüssige Roheisen geblasen wird. Dabei wird der Kohlenstoff im Roheisen zu $CO_2$ oxidiert.
    Der Stahl kann nun verarbeitet werden. Dazu kann er rotglühend gezogen und gewalzt, gegossen oder gepresst werden.

  • Ermittle, welche Eisenverbindungen in welchem Bereich des Hochofens hauptsächlich vorliegen.

    Tipps

    Der Hochofen wird mit Eisenerz, also hauptsächlich $Fe_2O_3$, befüllt.

    Lösung

    Eisenerz besteht zu einem Großteil aus Eisen(III)-oxid, dieses hat die Formel $Fe_2O_3$. Der Hochofen wird mit diesem Material von oben befüllt, daher ist im oberen Bereich hauptsächlich $Fe_2O_3$ vorhanden.
    Nun wird das Eisenoxid schrittweise zu elementarem Eisen reduziert. Als Reduktionsmittel dient dabei Kohlenstoffmonoxid. Im ersten Schritt wird das Eisen zu $Fe_3O_4$ reduziert. Ein Drittel der Eisen-Kationen dieser Verbindung sind $Fe^{2+}$-Kationen, zwei Drittel sind $Fe^{3+}$-Kationen. Die Oxidationsstufe der Eisen-Kationen ist also im Mittel um $1 \over 3$ geringer.
    Bei höheren Temperaturen erfolgt die Reduktion zu Eisen(II)-oxid, $FeO$. In dieser Verbindung haben alle Eisen-Kationen die Oxidationsstufe +2, die durchschnittliche Oxidationsstufe ist also um $2 \over 3$ gesunken.
    Im letzten Reaktionsschritt, der die größte Menge Energie in Form von Wärme benötigt, wird Eisen(II)-oxid zu Eisen reduziert. Die Oxidationsstufe ändert sich dabei von +2 zu 0. Die Reduktion des Eisens ist damit abgeschlossen.

  • Ergänze die vereinfachte Reaktionsgleichung zum Hochofenprozess.

    Tipps

    Beachte die Anzahl der Sauerstoffatome im Eisenoxid.

    Lösung

    Das Eisenoxid reagiert nicht direkt mit dem Kohlenstoff, da die Kontaktfläche zwischen beiden Stoffen zu gering ist. Es handelt sich bei beiden Stoffen um Feststoffe. Bei hohen Temperaturen reagiert Kohlenstoff jedoch mit Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid, $CO$. Dabei reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff zunächst zu $CO_2$, dieses reagiert mit weiterem Kohlenstoff zu zwei Äquivalenten Kohlenstoffmonoxid.
    $Fe_2O_3$ wird vom $CO$ zu Eisen reduziert. Dabei entsteht außerdem $CO_2$. Da in einem Äquivalent Eisenoxid drei Sauerstoffatome enthalten sind, werden bei der Reaktion auch drei Äquivalente $CO$ verbraucht. Es entstehen zwei Äquivalente Eisen und drei Äquivalente $CO_2$.

  • Entscheide, welche Erfindungen die Produktivität von Hochöfen im 18. und 19. Jahrhundert bedeutend erhöht haben.

    Tipps

    Zur Erzeugung der nötigen Temperaturen muss über große Gebläse Luft in den Hochofen geblasen werden.

    Die Verunreinigungen des Roheisens stammen zum Teil aus dem Brennmaterial.

    Lösung

    Im 18. Jahrhundert fand die industrielle Revolution statt. In dieser Zeit wurden viele industrielle Prozesse optimiert und die Produktion um ein Vielfaches gesteigert. Der Motor hierfür war die Steinkohle. Mit Steinkohle wurde die notwendige Energie produziert. Da Steinkohle aber viele Verunreinigungen aufweist, wurden viele Prozesse ineffizient durchgeführt. Mit der Einführung von Kokereien änderte sich das: Unter Sauerstoffausschluss wird die Steinkohle unter kontrollierten Bedingungen stark erhitzt. Dabei verbrennt nicht der Kohlenstoff, jedoch viele der Verunreinigungen. Auch Gase, die in die Kohle eingeschlossen sind, können so entfernt werden.
    Koks liefert eine höhere Energie als Kohle und verbrennt sauberer. Daher hat sie für die Verhüttung von Eisen eine große Bedeutung. Die notwendigen Temperaturen können leichter erreicht werden und das Roheisen enthält wesentlich weniger Verunreinigungen. Dies führt zu einer höheren Produktion der Eisenhüttenwerke und zu einer besseren Stahlqualität.
    Die Temperaturen im Hochofen können jedoch nur erreicht werden, wenn genügend heiße Luft in den Hochofen geblasen wird. Hier waren die Dampfmaschinen von großer Bedeutung. Mit ihrer Hilfe wurden große Gebläse betrieben, die es erst ermöglichten, sehr große und produktive Hochöfen zu betreiben.

  • Stelle die Reaktionsgleichung zur Entfernung von Verunreinigungen des Roheisens auf.

    Tipps

    Achte darauf, dass auf beiden Seiten der Reaktionspfeile von allen Atomen die gleiche Anzahl vorhanden ist.

    Das Oxid des Schwefels ist $SO_2$, das Oxid des Phosphors ist $P_2O_5$.

    Lösung

    Sowohl Kohle als auch Eisenerze können größere Mengen an Schwefel- und Phosphorverbindungen enthalten. Auch diese werden im Hochofen von Kohlenstoffmonoxid reduziert, dabei entstehen Schwefel und Phosphor. Diese sind dann auch im Roheisen enthalten und müssen daraus entfernt werden.
    Durch Reaktion mit Sauerstoff entstehen aus den Elementen die Oxide. Dazu wird in die sehr heiße, flüssige Roheisenmasse über 20 Minuten Sauerstoff geblasen.
    Schwefel reagiert dabei zu Schwefeldioxid, $SO_2$. Das Gas entweicht aus dem flüssigen Roheisen. Um ein Molekül $S_8$ zu oxidieren, werden acht Moleküle $O_2$ benötigt. Es entstehen also auch acht Moleküle $SO_2$.
    Phosphor reagiert mit Sauerstoff zu der Verbindung Phosphorpentoxid, $P_2O_5$. Zwei Moleküle der Verbindung enthalten zehn Sauerstoffatome, daher werden zur Reaktion von vier Phosphoratomen zu Phosphorpentoxid fünf $O_2$ Moleküle benötigt.