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Gewinnung
von Metallen: Redoxreaktionen
1
Metalle reagieren mit Metalloxiden
In der Steinzeit waren Holz, Stein,
Knochen und Ton die Werkstoffe des Menschen. Aber schon früh
wurden auch die Metalle In der Steinzeit waren Holz, Stein, Knochen
und Ton die Werkstoffe des Menschen. Aber schon früh wurden
auch die Metalle Kupfer und Gold verwendet, denn sie konnten gediegen,
das heißt als reine Metalle in elementarer Form gefunden
werden. Das zeigen Funde von 5000 Jahre alten Waffen, Werkzeugen
und Schmuck.Doch gediegenes Kupfer ist selten. Man muss es deshalb
aus Kupfererzen wie Kupferkies oder Malachit gewinnen. Das sind
farbige Gesteine, denen man es nicht ansieht, dass sie rotes Kupfer
enthalten. In Erzen ist Kupfer meistens mit Schwefel oder Sauerstoff
und Kohlenstoff verbunden.
Kupferkies
Basis-Wissen:
Gediegen:
Unterschied zwischen Element
und Verbindung
(Wiederholung):
Kupfer lässt sich jedoch aus Kuperoxid mit
Eisen gewinnen. Dies zeigt folgender Versuch:
V : Reaktion von Eisen mit Kupferoxid
3,5 g Kupferoxidpulver werden mit
2 g grauem Eisenpulver vermischt und in ein Reagenzglas gegeben.
Das Reagenzglas wird leicht schräg an einem Stativ befestigt
und leicht erhitzt.
Beobachtung:
Auswertung:
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Material
zur Auswertung:
Bei der Reaktion zwischen Kupferoxid und Eisen wird dem Kupferoxid
der Sauerstoff entzogen, es wird reduziert. Die Sauerstoffatome
wechseln zu den Eisenatomen. Das Eisen wird in dieser Reaktion
also oxidiert. Die folgenden Darstellungen zeigen diesen Vorgang
auf verschiedene Art und Weise.
Beschreibe, was während der einzelnen Reaktionsschritte
zwischen den verschiedenen Teilchen
abläuft. Beachte, dass in Wirklichkeit stets sehr viele Teilchen
miteinander reagieren.
Basis-Wissen:
Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei der einem
Oxid Sauerstoff entzogen wird. Es ist die Umkehrung einer Oxidation.
Bei einer Redoxreaktion laufen Oxidation und Reduktion
immer gleichzeitig ab:
Das Reduktionsmittel nimmt Sauerstoff auf
und wird dabei oxidiert.
Das Oxidationsmittel gibt Sauerstoff ab und wird dabei
reduziert.
Ergänze:
Kupferoxid = ____________mittel, Eisen = _____________mittel
2
Thermitreaktion
Versuch:
Beobachtung:
Auswertung:
Zusatzmaterial
zur Auswertung:
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Schienenschweißen
mit Thermit
Schnell muss es gehen, wenn an einer viel befahrenen Hauptstrecke
der Bahn ein schadhaftes Schienenstück ausgewechselt
werden soll. Zuerst wird das schadhafte Teil herausgeschnitten;
dann wird ein neues Schienenstück so eingepasst, dass
an jeder Seite ein Spalt von 25 mm bleibt.
Um eine feste, auch elektrisch leitende Verbindung herzustellen,
wird diese Lücke mit flüssigem Eisen verschweißt.
Man gewinnt es an Ort und Stelle mithilfe einer Redoxreaktion
aus Thermit. Das ist eine Mischung aus grobkörnigem
Eisenoxid und Aluminiumgrieß. Das Reduktionsmittel
ist das Metall Aluminium. Es entzieht dem Eisenoxid den
Sauerstoff und wird dabei selbst oxidiert.
Zum Verschweißen bringt man am Schienenspalt eine
Gießform an, die mit einem feuerfesten Reaktionsofen
verbunden ist. In den Ofen wird die Thermitmischung gegeben.
Sie enthält noch Legierungsmetalle wie Vanadium und
Mangan, damit die Schweißnaht noch fester und stabiler
wird.
Nachdem man die Schienenenden auf etwa 900 oe vorgewärmt
hat, wird die Mischung mit einer Art Wunderkerze gezündet.
Augenblicklich setzt eine heftige Reaktion ein, bei der
Eisen und Aluminiumoxid entstehen. Dabei werden Temperaturen
von über 2000 °C erreicht:
Eisenoxid + Aluminium 
Eisen + Aluminiumoxid
Es entsteht flüssiges
Eisen, darüber schwimmt flüssiges Aluminiumoxid.
Kurze Zeit später fließt weißglühendes
Eisen in die Gießform und füllt den Schienenstoß
von unten nach oben aus. Nach dem Abkühlen wird die
Gießform zerschlagen und die Schienenoberfläche
glattgeschliffen. In weniger als einer halben Stunde ist
die Reparatur beendet.
a) Erläutere die
Thermitreaktion. Welcher Stoff wird reduziert, welcher oxidiert?
b) Welcher Stoff dient als Reduktionsmittel, welcher als
Oxidationsmittel?
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3
Kohlenstoff reduziert Kupferoxid
Bei
der Redoxreaktion zwischen einem Metall und einen Metalloxid verbacken
die neu gebildeten Stoffe häufig miteinander (dies hast du
ja bei der Bildung von Kupfer aus Kupferoxid und Eisen selbst
gesehen!). Das neue Gemisch muss dann mühsam getrennt werden.
Dieser Nachteil entfällt, wenn das Reduktionsmittel zu einem
gasförmigen Stoff oxidiert wird. So verwendet man
in der Praxis Kohlenstoff als Reduktionsmittel, das zu Kohlenstoffdioxid
oxidiert wird.
Frage:
Wie kann man das entstanden Kohlenstoffdioxid nachweisen (Wiederholung):
V 3 Kohlenstoff reduziert Kupferoxid
Beobachtung:
Auswertung:
4 Exkurs:
Roheisenherstellung und Stahlherstellung
Unterrichtsfilm
(25 Minuten)
6 Wer reduziert wen? Je edler,
desto träger!
7
Wiederholung und Festigung: Versuch Magnesium und Kohlenstoffdioxid
Partner-
bzw. Gruppenarbeit: Was erwartet ihr, wenn wir das entzündete
Magnesiumband in ein mit Kohlenstoffdioxid (CO2)
gefüllten Standzylinder halten.
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