Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 29.03.16

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Darstellung technisch bedeutsamer Metalle

Vortrag von Matthias Kohles im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 07/08

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Gliederung:

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1 Bedeutung der Metalle für den Menschen

Was sind eigentlich bedeutsame Metalle? Waren schon immer dieselben Metalle bedeutsam? Wichtige Metalle findet man heutzutage zuhauf. Ohne Eisen gäbe es keinen Stahl, wir müssten unser Frühstücksbrötchen mit einem Steinkeil aufschlitzen. Ohne Kupferkabel wäre weder die Wiedergabe dieser Seite möglich, noch würde das Licht im Arbeitszimmer leuchten. Ganz zu schweigen von Aluminium-/Titanlegierungen im Flugzeugbau oder Gold und Silber für die Schmuckindustrie. Aber auch Metalle, die weniger bekannt sind, sind für die Produkte der Industrie immens wichtig. Ohne die Metalle Molybdän, Chrom, Vanadium und Kobalt wären die hochfesten Stähle der Autoindustrie nicht denkbar, ebenso wie ohne Bleiakkumulator keines der Autos gestartet werden könnte. Ganz zu Schweigen von Lithium (Handyakku) oder Natrium (Straßenlampe, Katalysator in der chem. Synthese). Doch auch schon in früheren Zeiten, als der Mensch lernte für sich Werkzeuge herzustellen, waren Metalle für ihn bedeutsam, wie das folgende Zitat belegt: „Die Bronzezeit ist die Periode in der Geschichte der Menschheit, in der Metallgegenstände vorherrschend aus Bronze hergestellt wurden.“ [8]

Nun ist Bronze nicht als besonders feste Legierung bekannt, warum nutzte der Mensch also nicht Eisen für seine Speerspitzen? Dies liegt daran, dass die meisten Metalle in Verbindungen, also in oxidierter Form vorliegen, die erst durch einen mehr oder weniger aufwändigen Prozess reduziert werden müssen. Diese Techniken mussten erst im Laufe der Zeit entwickelt werden.

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2 Darstellung der Metalle

Das Darstellungsverfahren hängt von mehreren Faktoren ab. Um bei den Frühmenschen zu bleiben: Zunächst natürlich vom Entwicklungsstand. Zum anderen hängt es in entscheidender Weise vom Ausgangsmaterial, also der Erzart ab.

2.1 Gediegen vorkommende Metalle

Es gibt einige wenige Metalle, die so edel sind, dass sie in reiner Form in der Natur vorkommen. Dies sind neben Kupfer, Silber, Gold und Platin noch Osmium, Iridium, Palladium, Ruthenium und Rhodium. Vereinzelt (z.B. Kupfer) kommen diese auch in gebundener Form vor. Die gediegen vorkommenden Metalle, vor allem Cu, Ag und Au sind dem Menschen schon lange bekannt. Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Härte eignen sie sich allerdings kaum für den Bau von Werkzeugen. Vereinzelt werden diese Metalle auch noch heute, in Form von Nuggets "gefunden".


Abb. 1: gediegen in der Natur gefundenes Kupferstück, ein Nugget [5]

2.2 Rösten

Diese Methode wird vor allem bei sulfidischen Erzen angewandt, wie zum Beispiel FeS2, HgS, Cu2S und PbS . Allgemein wird dies so durchgeführt, dass das betreffende Erz in einem Schachtofen zur Rotglut gebracht wird und dann O2 hindurchgeblasen wird. Das enthaltene Sulfid wird zu SO2 oxidiert, das Metall entweder in das Metalloxid (PbO bzw. Fe2O3) überführt, oder direkt zum Reinmetall reduziert (Cu, Hg). Die Reaktionsgleichung am Beispiel von Blei lautet:

roesten

Nun gibt es mehrere Möglichkeiten. Hat man das Reinmetall schon erhalten, so kann man dieses noch reinigen. Die Metalloxide können nun in zwei verschiedenen Verfahren weiterverarbeitet werden: Dem Röstreduktionsverfahren und dem Röstreaktionsverfahren.  Das Röstreaktionsverfahren kann dem Rösten direkt angeschlossen werden bzw. der gesamte Prozess wird so ausgelegt, dass der Reaktionsschritt direkt angehängt werden kann. Hierbei wird, wieder exemplarisch für Blei, der Bleiglanz (PbS) unvollständig geröstet, circa 1/3 bleibt als PbS erhalten, der Rest liegt als Bleioxid vor: 

roesten_unstoechiometrisch

Das Bleioxid und das Bleisulfid werden nun unter Luftabschluss weiter erhitzt. Bei der Umsetzung entsteht elementares Blei und Schwefeldioxid:

reaktionsarbeit

Das so erzeugte "Werkblei" (Bleigehalt ca. 98%) enthält noch Verunreinigungen wie Cu, As, Sb, Ag und Au. Die Raffination des Bleis verläuft über mehrere Stufen, bis das Blei schließlich zu annähernd 100% rein ist.

2.3 Reduktion mit Kohlenstoff/Kohlenstoffmonooxid

Die Reduktion der Metalloxide wird hier mit Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffmonooxid erreicht.  Die Vorteile dieser Methode ist die relativ einfache Erzeugung großer Mengen Metalls, sowie die geringen Kosten. Diese Art der Metalldarstellung wird unter anderem bei Eisen, Nickel, Zink, Mangan, Vanadium und, wie schon beschrieben, bei Blei angewandt. Der eingesetzte Kohlenstoff wirkt mehrfach reduzierend, sowohl Koks (C) als auch Kohlenstoffmonooxid (CO) reduzieren in verschiedenen Stufen des Prozesses (siehe Eisen, Stahl und Edelstahl) das eingesetzte Metalloxid. Die eigentliche Reduktion des Bleioxids erfolgt durch CO, welches durch die Verbrennung des Koks entsteht.

reduktion_mit_kohlenstoff

Diese Art der Darstellung kann nur bei Metallen angewendet werden, die keine Carbide bilden. Für diese Metalle werden andere Methoden benötigt.

2.4 Aluminothermisches Verfahren

Um schwerreduzierbare Metalloxide und die Metallerze, die mit Kohlenstoff Carbide bilden, darstellen zu können, wird das aluminothermische Verfahren angewandt. Das jeweilige Metalloxid wird mit Aluminium zur Reaktion gebracht, es entsteht Aluminium(III)-oxid und das entsprechende Metall. Triebkraft der Reaktion ist die hohe Bildungsenthalpie von Al2O3:

bildung_aluminiumoxid

Die molare Bildungsenthalpie von Al2O3aus den Elementen beträgt -1676,8 kJ. Das heißt, das jedes Metalloxid, dessen Bildungsenthalpie niedriger als die des Aluminium(III)-oxides ist, auf diese Weise zum Metall reduziert werden kann. Die Bildungsenthalpie für ein Mol Fe3O4 beträgt zum Beispiel -1118 kJ und kann deshalb durch Aluminium zu reinem Eisen reduziert werden. Die Metalle Chrom, Titan, Mangan und Silicium werden auf diese Weise dargestellt. Um den stark exothermen Charakter der Reaktion darzustellen, wurde das Thermitverfahren vorgeführt. Hierbei wird Fe3O4 mit Aluminium umgesetzt:

thermit_verfahren

Die bei diesem Prozess freiwerdende Energie beträgt pro Formelumsatz -3341kJ. Das gebildete Eisen ist hochrein und fließt in weißglühender Form aus dem Reaktionsgefäß. Das Thermit-Verfahren wird zum Fügen von Eisenbahnschienen heute noch verwendet.

thermitschweissen
Abb. 2: Schweißen einer Bahnschiene nach dem Thermitverfahren.
Deutlich zu erkennen ist die Heftigkeit der Reaktion.[6]

2.5 Reduktion mit Wasserstoff

Die Metalle Wolfram und Molybdän können nur durch die Reduktion mit Wasserstoff dargestellt werden. Die Reduktion mit Kohlenstoff scheidet aus, da sich so Carbide bilden würden, die Aluminothermie ist ebenfalls ungeeignet, da es so zur Bildung intermetallischer Phasen käme. Zwar lassen sich durch Wasserstoff beinahe alle Metalloxide zum jeweiligen Metall reduzieren, jedoch ist diese Methode im großtechnischen Maßstab zu teuer. Im Labor findet sie dennoch Anwendung.  Das Metallerz, hier Wolfram, wird über mehrere Schritte in Wolfram(IV)-oxid überführt. Dieses wird auf etwa 1200°C erhitzt und im Wasserstoffstrom reduziert.

darstellung_wolfram

Das entstandene Wolfram wird anschließend entweder in Barren gepresst (gesintert) oder bei ca. 3 400°C in reiner Wasserstoffatmosphäre durch Zonenschmelzen in kompaktes Wolfram überführt.

wolframspaene
Abb. 3: Wolframspäne hoher Reinheit[7]

2.6 Elektrolytische Metalldarstellung

Für die unedlen Metalle wie Lithium, Natrium, Magnesium und Aluminium ist die Wasserstoffreduktion ebenfalls ungeeignet. Um diese Metalle darstellen zu können bedient man sich der Elektrolyse aus der Schmelze. Die großtechnische Verwendung dieser Metalle, allen voran Aluminium, war erst durch die ausreichende Versorgung mit elektrischem Strom möglich. Für Natrium wird heute größtenteils das sogenannte Downs-Verfahren angewandt. Hierbei wird in einem ausgemauertem Eisenkessel zunächst ein NaCl/CaCl2-Gemisch bei ca. 600°C geschmolzen. Von unten her ragt die Graphitanode in die Schmelze, welche ringförmig von der Eisenkathode umgeben ist. Die Eisenkathode ist ihrerseits durch ein Diaphragma aus Eisen von der Anode getrennt. Das gebildete Chlor steigt aus der Schmelze auf und wird über eine Sammelglocke abgeleitet. Das flüssige Natrium wird oberhalb der Kathode abgezogen:

downszelle
Abb. 4: Downszelle zur elektrolytischen Darstellung von Natrium aus der Schmelze. Um den Schmelzpunkt zu erniedrigen wird ein eutektisches Gemisch aus NaCl und CaCl2 verwendet.

Der Reaktionsverlauf sieht im Einzelnen so aus:

elektrolytische_darstellung_natrium

Das gewonnene Chlor wird unter anderem dafür verwendet anorganische bzw. organische Chlorverbindungen herzustellen, die in der Synthese wichtige Ausgangsstoffe darstellen.

2.7 Cyanidlaugerei

Durch die schon mehrere 1000 Jahre währende Nutzung der Edelmetalle, sind große Vorkommen reinen Metalls selten geworden. So werden heutzutage beispielsweise Goldlagerstätten erschlossen, deren Goldgehalt nur wenige Gramm pro Tonne Gestein beträgt. Allerdings machen der enorm gestiegene Goldpreis und die wachsende Nachfrage selbst diese Vorkommen lukrativ. Das erzhaltige Gestein wird zerkleinert und in wässriger NaCN Lösung mit Druckluft durchlüftet. Das Gold bildet so mit dem Cyanidion einen farblosen, im Wasser gelösten, Komplex:

auratkomplex

Die Lösung wird nun mit Zinkstaub versetzt, was dazu führt, dass Gold ausfällt, da der gebildete Zinkat-Komplex stabiler ist als der Aurat-Komplex.

faellung_des_goldes

Neben dem oben beschriebenen Gold werden die Edelmetalle Silber und Platin auf diese Weise gewonnen.

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3 Zusammenfassung

Die Nutzung der Metalle begann bereits vor mehreren tausend Jahren. Durch die stetig steigende Nachfrage werden heute auch die Lagerstätten erschlossen, die vor 100 Jahren noch zu unrentabel erschienen. Die Darstellungsmethoden werden immer mehr verfeinert und haben nichts mehr mit dem bronzezeitlichen Einsammeln kleinerer Erzbrocken zu tun. Doch die massenhafte Nutzung der Rohstoffvorkommen hat auch ihre Schattenseiten. So werden in vielen Teilen der Welt, in denen beispielsweise Gold abgebaut wird, die Rückstände der Darstellung einfach in die Umwelt entsorgt. Dies führt dazu, dass die Umgebung der Mine nach Jahrzehnten der Ausbeutung einer Mondlandschaft gleicht. Deshalb gewinnt das Recycling der metallhaltigen Abfälle immer mehr an Bedeutung, auch deshalb weil es mittlerweile oftmals billiger ist, als das Erschließen neuer Lagerstätten. So werden zum Beispiel alte Autobatterien recycelt, um an das Blei der Zellen zu gelangen. Die in alten Elektrobauteilen enthaltenen Edelmetalle werden ebenso wiederverwendet wie der Stahl aus den Altautos.

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4 Literatur:

  1. Holleman, A. F., Wiberg, E.: Lehrbuch der anorganischen Chemie, de Gruyter, Berlin 1985
  2. Riedel, Anorganische Chemie, 5. Aufl., de Gruyter, Berlin 2002
  3. Binnewies, Jäckel, Wilner, Allgemeine und Anorganische Chemie, Spektrum akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, 2004
  4. http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/metalle_8_2.html, 20.12.2009
  5. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper.jpg, 20.12.2009 (Autor: Jurii, Lizenz: Creative Commons 3.0)
  6. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ea/Thermit_welding.jpg 20.12. 2009 (Autor: , Lizenz: GNU Free Documentation License)
  7. http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Wolfram_1.jpg, 04.01.2010 (Autor: Tomihahndorf, Lizenz: gemeinfrei)
  8. http://de.wikipedia.org/wiki/Bronzezeit, 04.01.2010

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