78 4 Arbeitsheftseite 36 Die Gewinnung von Metallen aus ihren Erzen Was bezeichnen wir als „Erze“? Johanna lernt in der Mineraliensammlung eines Museums, dass metallhaltige Gesteine als „Erze“ bezeichnet werden. „Wie bekommt man die Metalle aus den Steinen heraus?“, fragt sie sich. In der Natur kommen Metalle hauptsächlich als Metall-Ionen in Verbindung mit Nichtmetall-Ionen (zB Sauerstoff, Schwefel, …) vor (Abb. 78.2). Erze sind Gesteine, die einen hohen nutzbaren Metallgehalt haben. Das Eisenerz Spateisenstein (FeCO3) enthält zB bis zu 40 %, Magneteisenstein (Fe3O4) etwa 75 % Eisen (Abb. 78.1). Wie wird Roheisen aus Eisenerzen gewonnen? Um aus Erzen Metalle zu gewinnen, müssen die enthaltenen Metall-Ionen durch Elektronenaufnahme reduziert werden ( Seite 39). Bei der Gewinnung von Eisen finden diese Prozesse im Hochofen (Abb. 78.3) statt. Im unteren Teil des Hochofens reagiert ausgeglühte Steinkohle („Koks“, C) mit heißer Luft zu Kohlenstoffdioxidgas (CO2). Sauerstoff-Moleküle reagieren dabei mit Kohlenstoff-Atomen zu Kohlenstoffdioxid-Molekülen. Beim Aufsteigen des Kohlenstoffdioxidgases durch den heißen Koks entsteht Kohlenstoffmonoxid (CO). Kohlenstoffdioxid-Moleküle reagieren mit Kohlenstoff-Atomen zu Kohlenstoffmonoxid- Molekülen. Diese reduzieren das Eisenoxid in der Reduktionszone zu metallischem Eisen. Das Eisen nimmt Kohlenstoff auf (Kohlungszone), wodurch es bereits bei etwa 1 200 °C schmilzt. In der Schmelzzone sammelt sich flüssiges Roheisen und darüber die flüssige Schlacke. Professor Flints Minihochofen (Abb. 78.4) Gefahr Achtung Schutzbrille! Verbrennungsgefahr! Fülle ein Reagenzglas (Duran 16/160) mit 6 cm Natriumpercarbonat, 1 cm Tonscherben, 1 cm Aktivkohle-Körnern, 1 cm Eisenoxid-Körnern (rotes Eisenoxid mit Tapetenkleister) und 5 cm Aktivkohle-Körnern. Verschließe mit Glaswolle. Erhitze das Gemenge bis es aufhört zu glühen. Lass das Glas abkühlen und zerschlage es vorsichtig. Teste das Reaktionsprodukt mit einem Magneten. Beschreibe die Unterschiede und Gemeinsamkeiten bei den Vorgängen im Hochofen und diesem Modell-Versuch. 78.1 Eisenerze sind Gesteine, die mehr als 20 % Eisen in gebundener Form enthalten. Roteisenstein (Hämatit, Fe2O3) Brauneisenstein (Limonit, FeO(OH)) Eisen (Metall) Magneteisenstein (Magnetit, Fe3O4) Spateisenstein (Siderit, FeCO3) Erze sind Verbindungen in Gesteinen mit einem hohen Metallgehalt. M Metall Erz M+ … Metall-Ion Nm– … Nichtmetall-Ion • … frei bewegliches Elektron M+ M+ M+ Nm– Nm– Nm– M+ M+ M+ M+ M+ 78.2 In Erzen sind Metalle als Ionen mit Nichtmetall-Ionen verbunden. Infobox: Manche Metalle (zB Kupfer, Gold) kommen in der Natur auch „gediegen“ – als reines Metall – vor. Wichtige Vorgänge bei der Roheisengewinnung im Hochofen sind: • Koks (C) verbrennt zu Kohlenstoffmonoxid (CO) • Eisenoxid wird durch Kohlenstoffmonoxid zu metallischem Eisen reduziert. M Eisenerz Koks 200 °C 500 °C 900 °C 1 000 °C 1 400 °C 1 800 °C 2 000 °C Schlacke Roheisen Abstich Schmelzzone Koks verbrennt zu CO2, CO2 wird zu CO reduziert Kohlungszone Eisen nimmt Kohlenstoff auf Schmelzpunkt sinkt auf 1200 °C Wind eingeblasene Heißluft ca. 1 300 °C C + O2 CO2, CO2 + C 2 CO Roheisen schmilzt dadurch. Reduktionszone Reduktion der Eisenoxide 2 Fe + 3 CO2 Fe2O3 + 3 CO Vorwärmzone Vorwärmen und Trocknen der Ausgangsstoffe und Zuschläge Zuschläge (zB Kalkstein) binden unerwünschte Stoffe und bilden die Schlacke Gichtgas (N2, CO, CO2…) zum Aufheizen der Luft 78.3 Schemabild eines Hochofens zur Gewinnung von Roheisen. V1 A1 78.4 Professor Flints Minihochofen Reagenzglas Duran Glaswolle Aktivkohle Eisenoxid Aktivkohle Tonscherben Natriumpercarbonat Zusatzmaterial wj5tm3 Film wb2b5z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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