Metallherstellung
Beschreibung Metallherstellung
Die Herstellung von Kupfer, Blei, Eisen, Aluminium und Silber wird kurz beschrieben. Man verwendet dafür Abrösten (Reaktion mit Sauerstoff), die Reduktion mit Kohle und Wasserstoff sowie Kohlenstoffmonoxid, die Schmelzflusselektrolyse und die Cyanidlaugerei. Jedes Metall benötigt sein eigenes wirtschaftliches Verfahren da die Zusammensetzung der für das jeweilige Metall nötigen Erze völlig unterschiedlich sein kann und somit die unterschiedlichsten Aufschlussverfahren angewandt werden müssen. Es wird auf die jeweiligen Verfahren kurz eingegangen wie z.B. die Herstellung von Aluminium mit Bauxit.
Transkript Metallherstellung
Guten Tag und herzlich willkommen! So viele Metalle gibt es in der Natur, doch wir müssen sie ihr abringen. Wie geschieht das? Dafür gibt es verschiedene Wege. Das Thema des heutigen Videos lautet: "Metallherstellung". Wir wollen die Grundzüge der Metallherstellung für die Metalle Kupfer, Blei, Eisen, Aluminium und Silber besprechen.
Um Kupfer zu gewinnen, benötigt man einen Ausgangsstoff: ein Kupfererz. Eine Möglichkeit besteht darin, Chalkosin zu verwenden. Chalkosin hat die Formel Cu2S, es ist Kupfer(I)-sulfid. Die 1. Stufe ist das Abrösten; dabei reagiert Chalkosin mit Sauerstoff: Cu2S+2O2 -> SO2+2CuO. SO2 ist Schwefeldioxid und CuO Kupfer(II)-oxid. Daran schließt sich die Reaktion des Kupfer(II)-oxids mit Kohle an. 2CuO+C -> 2Cu+CO2. CO2 ist Kohlenstoffdioxid. Alternativ dazu ist Kupfer(II)-oxid auch mit Wasserstoff reduzierbar. Also: CuO+H2 -> Cu+H2O. Somit ist es und gelungen, aus dem Kupfererz Chalkosin Kupfer herzustellen.
Als nächstes soll Blei hergestellt werden. Ein wichtiges Bleierz trägt die Formel PbS; es ist Blei(II)-sulfid. Blei(II)-sulfid ist das Erz Bleiglanz; auch Galenit genannt. Genau wie beim Kupfer wird hier im 1. Fall geröstet. Wir schreiben die Reaktionsgleichung: 2PbS+3O2 -> 2PbO+2SO2. O2 ist die chemische Formel für Sauerstoff, PbO ist die Formel für Blei(II)-oxid. SO2 ist die Formel für Schwefeldioxid. Als Zweites schließt sich die Reduktion an. a) Bleioxid wird mit Kohlenstoff zu Blei reduziert. PbO+C -> Pb+CO. In der Variante b) wird Blei(II)-oxid mit Kohlenstoffmonoxid reduziert. PbO+CO -> Pb+CO2. Wem das zu schnell war: CO ist Kohlenstoffmonoxid und CO2 Kohlenstoffdioxid. Es ist und somit gelungen, Blei herzustellen.
Das wichtigste Zivilisationsmetall ist das Eisen. Wie wird das hergestellt? Ein wichtiges Eisenerz trägt die Formel Fe2O3. Fe2O3 hat den chemischen Namen Eisen(III)-oxid. Es handelt sich dabei um das Mineral Hämatit, ein Eisenerz. Fe2o3+CO -> 2Fe+CO2. Gleicht diese Reaktionsgleichung bitte selber aus. Es wird die Kontrollfrage sein. Durch diese Reaktion erhält man Eisen; es ist das sogenannte Roheisen. Roheisen enthält einen Kohlenstoffanteil von mehr als 2 Prozent. Der 2. Schritt ist die Stahlherstellung. Dabei wird das Roheisen mit Sauerstoff versetzt. Der Kohlenstoff im Roheisen reagiert mit dem Sauerstoff und Eisen mit einem geringeren Kohlenstoffgehalt bleibt zurück. Es entsteht Stahl. Stahl hat einen Kohlenstoffanteil im Eisen von weniger oder gleich 2 Prozent.
Ungemein wichtig für die menschliche Entwicklung war die Entdeckung des Metalles Aluminium. Aluminium gewinnt man aus einer Verbindung, die in etwa die Formel AlO(OH) trägt. Diese Verbindung nennt man Bauxit. Der chemische Name lautet Aluminiumoxidhydroxid. Der 1. Schritt ist die Herstellung von Aluminiumoxid. Bauxit wird erhitzt, dabei entsteht Aluminiumoxid und Wasser wird frei. Der zweite Schritt ist die Schmelzflusselektrolyse. Im Schritt a) reagiert Aluminiumoxid zu Aluminiumionen und Sauerstoffionen. Beim so genannten Kathodenprozess (b) bilden 2 Aluminiumionen mit 6 Elektronen zwei Atome Aluminium.
Silber ist ein Edelmetall und schon seit dem Altertum bekannt. Silber wird im Silberbergbau gefördert und dort häufig in reiner Form erhalten. Allerdings ist es verschmutzt. Es kommt nun darauf an, dieses Rohsilber zu reinigen. Das geschieht durch die Cyanidlaugerei. Bei der Cyanidlaugerei reagiert Silber mit Wasser und Sauerstoff sowie Natriumcyanid zu einem Komplexsalz und zu Natriumhydroxid. Noch mal: NaCN ist Natriumcyanid. NaOH ist Natriumhydroxid. Im 2. Schritt reagiert das Komplexsalz mit Zink, wobei das Silberion des Komplexes gegen Zink ausgetauscht wird. Silber wird frei. Das Silber kann 2. durch Elektrolyse auf Reinheiten von 99,9 Prozent und höher gebracht werden.
Fassen wir zusammen: Um Kupfer und Blei herzustellen, muss man zu Beginn rösten. Kupfer, Blei und Eisen werden dann durch Reduktion hergestellt. Aluminium gewinnt man durch Schmelzflusselektrolyse. Silber schließlich wird durch Cyanidlaugerei hergestellt. Ich hoffe, dass ich einen kleinen Einblick geben konnte. Ich wünsche euch alles Gute. Auf Wiedersehen!
Metallherstellung Übung
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Bestimme die chemische Formel des jeweiligen Minerals.
TippsDer rote Blutfarbstoff heißt Hämoglobin. Er ist ein Eisenkomplex.
Im oberen Bild findest du ein glänzendes Erz. Diese Eigenschaft findet sich im Namen des Minerals wieder.
LösungUnedle Metall kommen in der Natur nur in Verbindungen vor. Du wirst sie dort nie in Reinform vorfinden. Das liegt daran, dass sie sehr reaktionsfreudig sind.
Metalle bilden Kationen. Das bedeutet, sie geben ihre Außenelektronen ab, um eine stabile, mit 8 Elektronen besetzte, Außenschale zu erhalten. Diese Elektronen werden von anderen Elementen (Nichtmetallen) aufgenommen. Sie bilden Anionen. Durch die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen diesen entgegengesetzt geladenen Ionen entstehen stabile Salze, die Kristallgitter ausbilden.
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Formuliere die beiden Teilreaktionen bei der Herstellung von Kupfer aus Chalkosin.
TippsBeim Rösten wird ein Oxid aus dem Erz hergestellt. Dafür benötigt man Sauerstoff.
Kohlenstoff kann Elektronen abgeben und zum Kohlendioxid oxidiert werden.
LösungKupfer ist ein stark nachgefragtes Metall. Es wird aufgrund seiner exzellenten elektrischen Leitfähigkeit oft in Stromkabeln verwendet.
Aufgrund des hohen Kupferpreises kommt es immer wieder zu großen Kupferdiebstählen, zum Beispiel auf Firmengeländen.
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Formuliere die Reaktionsgleichungen für die Eisen- und Bleiherstellung.
TippsFür alle Reaktionsgleichungen gilt der Massenerhaltungssatz.
Das bedeutet, dass auf der linken Seite (Edukte) genauso viele Atome der gleichen Art sein müssen wie auf der rechten Seite (Produkte).
LösungUm eine Reaktionsgleichung auszugleichen, musst du dir genau ansehen, welche Edukte eingesetzt werden und welche Produkte entstehen.
Nach dem Massenerhaltungssatz müssen genauso viele Atome entstehen wie eingesetzt wurden. Du zählst also alle Atome der gleichen Art und bringst sie durch die Stöchiometriezahlen auf die gleiche Anzahl links und rechts.
Für Reaktionsgleichungen gilt außerdem der Ladungserhaltungssatz. Wenn also bei den Edukten eine positive Ladung vorliegt, muss in der Summe aller Ladungen auch auf der Produktseite eine positive Ladung vorhanden sein.
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Beschreibe den technischen Vorgang der Stahlherstellung.
TippsFür eine Verbrennung wird Sauerstoff benötigt.
$CO$ ist in der Lage, andere Stoffe zu reduzieren, da der Kohlenstoff noch nicht seine höchste Oxidationsstufe erreicht hat.
LösungEisen wird von den Menschen schon sehr lange genutzt. Die ältesten Funde weisen auf das Jahr 4000 v. Chr. Hier wurde Eisen aus Meteoriten genutzt, um Speerspitzen und Dekorationselemente herzustellen.
Heute ist Eisen in Form von Stahl das am häufigsten gebrauchte Metall in unserer Gesellschaft. Es wird zum Beispiel beim Bau von Hochhäusern, Autos und Schiffen eingesetzt. Auch bei der technischen Herstellung wird Eisen als Oxid verwendet (Eisenerz). Dieses wird dann im Hochofen mit Koks reduziert. Aus dem so entstandenen Roheisen können dann letzte Verunreinigungen durch Oxidation entfernt werden.
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Gib die Schritte zur Gewinnung von Metallen an.
TippsMetalle liegen in Verbindungen immer in ihrer oxidierten Form vor.
LösungWie du nun weißt, liegen Metalle wie Kupfer, Blei, Aluminium und Eisen in der Natur nur in Verbindungen vor. Um sie nutzbar zu machen, müssen sie in Reinform gewonnen werden.
Dafür müssen die Metallionen reduziert werden. Um dies zu schaffen, ist es sinnvoll die Erze in ein Oxid umzuwandeln, da die Reduktion so besser vonstatten gehen kann. Liegt bereits ein Oxid vor, wie beim Hämatit, entfällt dieser Schritt natürlich.
Auch bei der Aluminium-Herstellung werden durch die Elektrolyse die Aluminium-Ionen reduziert. Eine Schwefelung des Erzes würde natürlich noch mehr Verunreinigungen mit sich bringen und ist daher nicht sinnvoll.
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Charakterisiere die Herstellung von Silber und Aluminium.
TippsSilber bildet Komplexe mit Cyanid-Ionen.
Das Schmelzen und Elektrolysieren von Erzen benötigt viel Energie.
LösungAluminium wird mithilfe der Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Dazu wird dem Aluminiumerz Kryolith beigegeben, um die Schmelztemperatur abzusenken. In der Schmelze liegt Aluminium als Ion vor. Durch das Anlegen einer Spannung können diese Ionen reduziert werden und so wird elementares Aluminium erhalten.
Silber kommt in der Natur sowohl gediegen, d.h. in elementarer Form, als auch in Mineralien vor. Es gibt z.B. Silbersulfid. Aus Mineralien gewinnt man Silber durch Komplexierung mit Cyanid-Ionen. Gewinnt man Silber in Reinform, muss es von anderen Stoffen gereinigt werden. Es kommt zum Beispiel als Beimengung in Bleiglanz vor.
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5 Kommentare
Super vidio
Ich als Tutor habe nicht den mindesten Einfluss auf technische Probleme.
Mit freundlichen Grüßen
André Otto
Der Ton verschwindet nach 25 Sekunden.
Hallo,
1. Aus CuO bildet sich mit Sicherheit nicht direkt CO2. Auch hier gibt es die Bildung von CO als Zwischenschritt.
2. SO3 bildet sich nicht so ohne weiteres (siehe Schwefelsäureherstellung). Bereits SO2 hat eine Edelgaskonfiguration.
3. Diese Reaktion findet tatsächlich statt. Ein Teil des Eisens wird oxidiert. Daher soll Sauerstoff nur kurz eingeblasen werden.
4. Das ist möglich.
Alles Gute
André
1. Warum reagiert CuO mit C in diesem Video direkt zu CO2, aber PbO mit C zu CO und erst im 2. Schritt zu CO2?
2. Warum reagiert 2PbS + 3O2 zu 2PbO + 2SO2. Warum läuft nicht stattdessen folgende Rkt.ab: PbS + 2O2 zu PbO + SO3?
Würde SO3 beim erhitzen(rösten) sofort wieder zu SO2 und 1/2 O2 zerfallen?
3. Wenn man bei der Stahlherstellung wieder dem Fe mit C-Anteil Sauerstoff anbietet um den C-Anteil im Fe zu verringern, wie geht es, dass nur der C mit dem O2 zu CO2 reagiert und nicht wieder das Fe zu Fe2O3 bzw Fe3O4 oxidiert wird?
4. Wenn ich nicht irre entstehen bei 5Min30sek 2Ag und nicht 1Ag.
mfg