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Metallgewinnung – Reduktion mit Kohlenstoff, Hochofen, Elektrolyse, Biogewinnung, Ellingham-Diagramm und Raffination

ChemieAnorganische ChemieAlter 17–18

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Sechs Bildschirme: Erhitzen Sie CuO, PbO, ZnO, Fe₂O₃ und Al₂O₃ mit Kohlenstoff und sehen Sie, welche Oxide reduziert werden, je nach Stellung des Metalls zum Kohlenstoff in der Reaktivitätsreihe; ein Hochofen mit den Reaktionen Zone für Zone und einer Tabelle der Mengen an Eisen, Kalkstein, Schlacke und CO₂; eine Hall-Héroult-Zelle, die Aluminium aus in Kryolith gelöstem Aluminiumoxid gewinnt, mit der Masse m = MIt/(nF) und der verbrauchten Energie; Phytomining im Vergleich mit Bioleaching armen Kupfererzes; ein Ellingham-Diagramm (ΔG° pro mol O₂ gegen die Temperatur), an dem Sie ablesen, wann Kohlenstoff, CO, Al oder Mg die Oxide von Cu, Fe, Zn, Cr, Al und Mg reduzieren können; und animierte Schaumflotation, Laugung, Destillation, Seigern, elektrolytische Raffination, Zonenschmelzen und das Van-Arkel-Verfahren.

Lektion: Metallgewinnung: Reduktion mit Kohlenstoff, Hochofen, Elektrolyse von Aluminiumoxid, Phytomining und Bioleaching, Ellingham-Diagramme, Anreicherung von Erzen und Raffination von Metallen

Was sie zeigt

Wie ein Metall gewonnen wird, hängt von seiner Reaktivität ab. Metalle unterhalb des Kohlenstoffs in der Reaktivitätsreihe, etwa Kupfer, Eisen und Zink, erhält man durch Erhitzen ihrer Oxide mit Kohlenstoff: Das Oxid wird reduziert, der Kohlenstoff oxidiert. Im Hochofen reduziert Kohlenstoffmonoxid das Eisenoxid. Metalle oberhalb des Kohlenstoffs, etwa Aluminium, erfordern eine Elektrolyse. Ein Ellingham-Diagramm erklärt das mit ΔG°: Ein Reduktionsmittel mit tiefer liegender Gerade kann das Oxid reduzieren. Erze werden zuerst durch Flotation oder Laugung angereichert, Rohmetalle durch Destillation, Seigern, Elektrolyse, Zonenschmelzen oder das Van-Arkel-Verfahren raffiniert.

So funktioniert es

Wählen Sie unter Reduktion mit C ein Oxid, stellen Sie Erhitzungstemperatur ein und klicken Sie auf Erhitzen. Wählen Sie im Hochofen eine Zone und ändern Sie das Erz. Stellen Sie unter Elektrolyse Al₂O₃ die Stromstärke ein und klicken Sie auf Start. Klicken Sie unter Biogewinnung auf Start und vergleichen Sie die Kurven. Wählen Sie im Ellingham-Diagramm Metalloxid, Reduktionsmittel und Temperatur, klicken Sie auf Ablesung notieren und lösen Sie die Aufgaben. Wählen Sie unter Anreicherung und Raffination ein Verfahren und klicken Sie auf Start.

Einstellbare Parameter

  • Bildschirm Reduktion mit C, Hochofen, Elektrolyse Al₂O₃, Biogewinnung, Ellingham-Diagramm, Anreicherung und Raffination
  • Metalloxid Kupfer(II)-oxid CuO, Blei(II)-oxid PbO, Zinkoxid ZnO, Eisen(III)-oxid Fe₂O₃, Aluminiumoxid Al₂O₃
  • Erhitzungstemperatur 200–1600 °C
  • Masse des Oxids 1–10 g
  • Eisenerzzufuhr in den Hochofen 50–400 t/h
  • Fe₂O₃-Gehalt des Erzes 50–95 %
  • Stromstärke in der Elektrolysezelle 50–500 kA
  • Spannung je Zelle 3,8–5 V
  • Stromausbeute 80–100 %
  • Aluminiumoxid in Kryolith gelöst
  • Kupfergehalt des armen Erzes 0,1–2 %
  • Masse des armen Erzes 100–10000 t
  • Letzter Schritt zur Kupfergewinnung aus der Lösung Verdrängung mit Eisenschrott, Elektrolyse der Lösung
  • Metalloxid im Ellingham-Diagramm Kupfer(I)-oxid Cu₂O, Eisen(II)-oxid FeO, Zinkoxid ZnO, Chrom(III)-oxid Cr₂O₃, Aluminiumoxid Al₂O₃, Magnesiumoxid MgO
  • Reduktionsmittel im Ellingham-Diagramm Kohlenstoff (zu CO), Kohlenstoff (zu CO₂), Kohlenstoffmonoxid CO, Aluminium Al, Magnesium Mg
  • Temperatur im Ellingham-Diagramm 0–2000 °C
  • Anreicherungs- oder Raffinationsverfahren Schaumflotation, Laugung (Bauxit), Destillation, Seigern, Elektrolytische Raffination, Zonenschmelzen, Van-Arkel-Verfahren

Fragen zum Erkunden

  1. Warum kann Kohlenstoff Kupfer(II)-oxid reduzieren, aber nicht Aluminiumoxid?
  2. Welcher Stoff wird im Hochofen oxidiert und welcher reduziert, wenn Eisen(III)-oxid reagiert?
  3. Warum reduziert im Hochofen im kühleren Teil Kohlenstoffmonoxid das Eisenoxid, im heißeren Teil aber Kohlenstoff?

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