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Metallgewinnung – Reduktion mit Kohlenstoff, Hochofen, Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid und Biogewinnung

ChemieAnorganische ChemieAlter 17–18

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Vier 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 zu Eisen, Kalkstein, Schlacke und CO₂; eine Hall-Héroult-Zelle, die Aluminium aus in Kryolith gelöstem Aluminiumoxid gewinnt, mit der Masse m = MIt/(nF) und dem Energiebedarf; sowie Phytomining im Vergleich zum Bioleaching armer Kupfererze über die Zeit.

Lektion: Metallgewinnung: Reduktion mit Kohlenstoff, Hochofen, Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid, Phytomining und Bioleaching

Was sie zeigt

Wie ein Metall gewonnen wird, hängt von seiner Reaktivität ab. Metalle unterhalb des Kohlenstoffs in der Reaktivitätsreihe, etwa Kupfer, Blei, Eisen und Zink, erhält man durch Erhitzen ihrer Oxide mit Kohlenstoff: Das Oxid gibt Sauerstoff ab und wird reduziert, der Kohlenstoff nimmt Sauerstoff auf und wird oxidiert. Im Hochofen reduziert Kohlenstoffmonooxid das Eisen(III)-oxid, und Kalkstein entfernt Sand als Schlacke. Metalle oberhalb des Kohlenstoffs wie Aluminium erfordern die Elektrolyse einer Schmelze, die sehr viel Energie braucht. Kupfer aus armen Erzen lässt sich langsam mit Pflanzen (Phytomining) oder Bakterien (Bioleaching) gewinnen.

So funktioniert es

Wählen Sie unter Reduktion mit C ein Oxid, stellen Sie Erhitzungstemperatur ein und klicken Sie auf Erhitzen; beobachten Sie Feststoff und Kalkwasser und lesen Sie die Massen ab. Wählen Sie im Hochofen eine Zone und ändern Sie Erzzufuhr und Fe₂O₃-Gehalt. Stellen Sie unter Elektrolyse Al₂O₃ Stromstärke I, Spannung U und Stromausbeute η ein, schalten Sie Kryolith um und klicken Sie auf Start. Ändern Sie unter Biogewinnung Kupfergehalt und Masse armen Erzes, klicken Sie auf Start und vergleichen Sie beide Kurven.

Einstellbare Parameter

  • Bildschirm Reduktion mit C, Hochofen, Elektrolyse Al₂O₃, Biogewinnung
  • 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

Fragen zum Erkunden

  1. Warum kann Kohlenstoff Kupfer(II)-oxid reduzieren, Aluminiumoxid aber nicht?
  2. Welcher Stoff wird im Hochofen oxidiert und welcher reduziert, wenn Eisen(III)-oxid reagiert?
  3. Warum wird bei der Aluminiumgewinnung Kryolith verwendet, und warum ist sie so energieaufwendig?

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