Metallgewinnung, Recycling und Metallbrände
Im Ruhrgebiet prägen Hochöfen und Stahlwerke seit über 150 Jahren die Landschaft, zum Beispiel in Duisburg. Doch in der Natur liegt kaum Eisen als Metall vor. Wie kommt man an das Metall, und warum darf man einen Magnesiumbrand nicht einfach mit Wasser löschen? Das klärst du auf dieser Seite.
Metalle in der Natur: edel und unedel
Gold glänzt als kleines Körnchen im Flussbett. Eisen findest du dagegen nie als blanken Brocken im Boden, sondern als rotbraunes Gestein. Der Grund liegt in der Sauerstoffaffinität, also der Neigung eines Metalls, sich mit Sauerstoff zu verbinden.
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Edle Metalle (z. B. Gold, Silber) reagieren kaum mit Sauerstoff. Sie kommen gediegen vor, das heißt als reines Element.
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Unedle Metalle (z. B. Eisen, Aluminium, Magnesium) reagieren leicht mit Sauerstoff. Sie liegen in der Natur fast nur als Verbindungen vor, meist als Oxide oder Sulfide.
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Kupfer ist ein Grenzfall (halbedel): Es kommt auch gediegen vor, wird aber meist aus Erzen gewonnen.
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Ein Gestein, aus dem man ein Metall wirtschaftlich gewinnen kann, heißt Erz. Beispiele: Eisenerz (Eisenoxid), Bauxit (Aluminiumoxid), Kupfererz.
Aluminium, Eisen, Gold und Kupfer kommen unterschiedlich in der Natur vor. a) Welche dieser Metalle findet man gediegen (als Element)? b) Begründe, warum die anderen nur…
Aluminium, Eisen, Gold und Kupfer kommen unterschiedlich in der Natur vor.
- a) Welche dieser Metalle findet man gediegen (als Element)?
- b) Begründe, warum die anderen nur als Verbindungen (Erze) vorkommen.
Der Hochofen: Eisen aus Eisenerz
Um aus Eisenoxid Eisen zu erhalten, muss man dem Oxid den Sauerstoff entziehen. Das ist eine Sauerstoffübertragungsreaktion: Das Eisenoxid gibt Sauerstoff ab (Donator), ein anderer Stoff nimmt ihn auf (Akzeptor). Das Eisenoxid gibt Sauerstoff ab (Donator); es wird reduziert und wirkt als Oxidationsmittel. Der Stoff, der den Sauerstoff aufnimmt (Akzeptor), ist das Reduktionsmittel. Im Hochofen ist das Kohlenstoffmonoxid.
Im Hochofen geschieht das in großem Maßstab. Oben werden Eisenerz und Koks (aus Kohle hergestellter, fast reiner Kohlenstoff) eingefüllt, dazu Zuschläge. Von unten wird Heißluft eingeblasen.
Wichtige Reaktionen (Reaktionsschemata in Worten):
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Kohlenstoff + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid (exotherm, liefert die Hitze)
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Kohlenstoffdioxid + Kohlenstoff → Kohlenstoffmonoxid
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Eisenoxid + Kohlenstoffmonoxid → Eisen + Kohlenstoffdioxid
Im letzten Schritt ist Eisenoxid der Sauerstoff-Donator (Oxidationsmittel), Kohlenstoffmonoxid der Akzeptor (Reduktionsmittel). Reines Eisen schmilzt erst bei ca. 1540 °C. Das Eisen im Hochofen enthält aber gelösten Kohlenstoff (Roheisen) und schmilzt schon bei etwa 1150 bis 1300 °C. Im unteren Ofenbereich ist es deshalb flüssig. Das Roheisen wird bei etwa 1500 °C abgestochen. Es hat eine größere Dichte als die Schlacke, sammelt sich unten und wird abgestochen. Die Schlacke schwimmt darauf und wird getrennt abgelassen.
Eisen wird in Deutschland im Hochofen aus Eisenerz gewonnen, zum Beispiel in Duisburg. a) Nenne zwei Stoffe, die oben in den Hochofen gegeben werden. b) Welche Aufgabe…
Eisen wird in Deutschland im Hochofen aus Eisenerz gewonnen, zum Beispiel in Duisburg.
- a) Nenne zwei Stoffe, die oben in den Hochofen gegeben werden.
- b) Welche Aufgabe hat der Koks bei der Gewinnung?
Im Hochofen wird Eisenoxid mit Kohlenstoffmonoxid zu Eisen umgesetzt. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid. a) Formuliere das Reaktionsschema in Worten. b) Gib…
Im Hochofen wird Eisenoxid mit Kohlenstoffmonoxid zu Eisen umgesetzt. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid.
- a) Formuliere das Reaktionsschema in Worten.
- b) Gib Sauerstoffdonator, Sauerstoffakzeptor, Oxidationsmittel und Reduktionsmittel an.
- c) Erkläre, warum das Eisen im Hochofen flüssig vorliegt und unten abgestochen werden kann.
Im Hochofen laufen in mehreren Zonen Reaktionen ab. Zunächst verbrennt Koks mit Heißluft zu Kohlenstoffdioxid, dieses reagiert mit weiterem Koks zu Kohlenstoffmonoxid,…
Im Hochofen laufen in mehreren Zonen Reaktionen ab. Zunächst verbrennt Koks mit Heißluft zu Kohlenstoffdioxid, dieses reagiert mit weiterem Koks zu Kohlenstoffmonoxid, und dieses reduziert das Eisenoxid.
- a) Formuliere die drei Reaktionsschemata in Worten.
- b) Erkläre, warum man Koks und nicht direkt Kohlenstoffmonoxid einfüllt.
- c) Begründe, warum sich Wasserstoff als Reduktionsmittel in der Stahlerzeugung als klimafreundlichere Alternative diskutieren lässt, und nenne eine Herausforderung.
Gewinnung und Sauerstoffaffinität
Je unedler ein Metall ist, desto fester hält es seinen Sauerstoff. Man braucht dann ein stärkeres Reduktionsmittel oder viel Energie.
| Metall | Reduktion des Oxids | Zeitalter |
|---|---|---|
| Kupfer | Holzkohle genügt | Kupfer-/Bronzezeit |
| Eisen | Koks / Kohlenstoffmonoxid, hohe Temperatur | Eisenzeit |
| Aluminium | Kohlenstoff reicht nicht, Elektrolyse mit sehr viel Strom | seit dem 19. Jahrhundert |
Kohlenstoff ist ein Akzeptor, der Sauerstoff vom Kupferoxid wegnehmen kann. Aluminium bindet den Sauerstoff aber stärker als Kohlenstoff. Deshalb gelingt die Reduktion von Aluminiumoxid mit Kohle nicht. Das erklärt die Reihenfolge, in der die Menschen die Metalle nutzbar machten.
Wasserstoff kann statt Kohlenstoff als Reduktionsmittel dienen: Eisenoxid + Wasserstoff → Eisen + Wasser. Es entsteht kein Kohlenstoffdioxid, sondern Wasserdampf. Das wäre klimafreundlicher, wenn der Wasserstoff aus Ökostrom stammt. Herausforderungen sind der große Bedarf an Wasserstoff, die Kosten und der Umbau der Anlagen.
Die frühe Menschheit gewann zuerst Kupfer und Bronze, später Eisen, und erst im 19. Jahrhundert Aluminium im technischen Maßstab. a) Erkläre diese zeitliche Reihenfolge…
Die frühe Menschheit gewann zuerst Kupfer und Bronze, später Eisen, und erst im 19. Jahrhundert Aluminium im technischen Maßstab.
- a) Erkläre diese zeitliche Reihenfolge mit der Sauerstoffaffinität der Metalle.
- b) Begründe, warum Holzkohle als Reduktionsmittel für Kupferoxid ausreicht, für Aluminiumoxid aber nicht.
- c) Beurteile, welche Folgen die Metallgewinnung für Umwelt und Gesellschaft hat, und nenne dabei je zwei Argumente.
Recycling von Metallen
Metalle lassen sich einschmelzen und wiederverwenden, ohne dass sie ihre Eigenschaften verlieren. Das nennt man Recycling.
| Neugewinnung aus Erz | Recycling | |
|---|---|---|
| Energie | hoch (bei Aluminium sehr hoch) | deutlich geringer |
| Rohstoffe | Erz wird abgebaut, Landschaft verändert | Ressourcen werden geschont |
| Abfall | Schlacke, Abgase, Kohlenstoffdioxid | weniger Müll und Abgase |
| Aufwand | Erzabbau, Transport | Sammeln, Sortieren, Reinigen |
Vorteile: Energie sparen, Rohstoffe schonen, weniger Kohlenstoffdioxid, weniger Müll. Schwierigkeiten: Metalle liegen oft vermischt oder fest mit anderen Stoffen verbunden vor (Verbundstoffe, Legierungen, Lacke). Sie müssen sortiert werden. Dabei helfen Magnete (Eisen) oder die Dichte.
Aluminium profitiert besonders: Weil seine Gewinnung aus Bauxit extrem viel Energie braucht, spart das Einschmelzen den größten Teil davon. Verbraucher helfen, indem sie Dosen und Metallteile sauber getrennt in den Wertstoffcontainer geben oder zum Wertstoffhof bringen und Pfandsysteme nutzen.
In Deutschland werden jährlich viele Millionen Tonnen Stahlschrott wieder eingeschmolzen. Eine Gemeinde in Nordrhein-Westfalen plant einen Wertstoffhof für Altmetalle.…
In Deutschland werden jährlich viele Millionen Tonnen Stahlschrott wieder eingeschmolzen. Eine Gemeinde in Nordrhein-Westfalen plant einen Wertstoffhof für Altmetalle.
- a) Nenne zwei Vorteile des Metallrecyclings gegenüber der Neugewinnung aus Erz.
- b) Nenne eine Schwierigkeit beim Recycling.
- c) Erkläre, warum Aluminium besonders vom Recycling profitiert, wenn man weiß, dass seine Gewinnung aus Erz sehr viel Energie benötigt.
Ein Unternehmen vergleicht für die Herstellung von Dosen zwei Verfahren: Neugewinnung von Aluminium aus Bauxit oder Recycling gebrauchter Dosen. a) Stelle in einer…
Ein Unternehmen vergleicht für die Herstellung von Dosen zwei Verfahren: Neugewinnung von Aluminium aus Bauxit oder Recycling gebrauchter Dosen.
- a) Stelle in einer Tabelle zwei ökologische und zwei ökonomische Kriterien gegenüber.
- b) Bewerte beide Verfahren und triff eine begründete Entscheidung.
- c) Nenne, was Verbraucherinnen und Verbraucher beitragen können, damit das Recycling gelingt.
Metallbrände löschen
Magnesium brennt mit gleißend weißer Flamme: Magnesium + Sauerstoff → Magnesiumoxid. Ein solcher Brand lässt sich mit den üblichen Mitteln nicht löschen.
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Wasser: Das heiße Magnesium entzieht dem Wasser den Sauerstoff (Wasser ist der Donator): Magnesium + Wasser → Magnesiumoxid + Wasserstoff. Dieser bildet mit Luft ein explosives Gemisch (Knallgas). Der Brand wird heftiger.
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Kohlenstoffdioxid: Magnesium ist ein starker Sauerstoff-Akzeptor und nimmt den Sauerstoff auch dem Kohlenstoffdioxid weg. Es entstehen Magnesiumoxid und Kohlenstoff (Ruß). Das Magnesium brennt weiter.
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Geeignet: trockener Sand, Metallbrandpulver (Klasse-D-Löscher). Sie decken die Glut ab, entziehen ihr den Sauerstoff und kühlen.
Aus dem Verbrennungsdreieck wird so klar: Man muss Sauerstoff fernhalten und darf keinen Stoff verwenden, der dem Metall Sauerstoff liefert.
Eine brennende Magnesiumprobe darf nicht mit Wasser oder Kohlenstoffdioxid gelöscht werden. a) Nenne ein geeignetes Löschmittel für Metallbrände. b) Erkläre kurz, warum…
Eine brennende Magnesiumprobe darf nicht mit Wasser oder Kohlenstoffdioxid gelöscht werden.
- a) Nenne ein geeignetes Löschmittel für Metallbrände.
- b) Erkläre kurz, warum Wasser hier gefährlich sein kann.
Auf einem Schrottplatz fängt ein Haufen Magnesiumspäne Feuer. Ein Mitarbeiter will mit dem Wasserschlauch löschen, ein anderer greift zum Kohlenstoffdioxid-Löscher. a)…
Auf einem Schrottplatz fängt ein Haufen Magnesiumspäne Feuer. Ein Mitarbeiter will mit dem Wasserschlauch löschen, ein anderer greift zum Kohlenstoffdioxid-Löscher.
- a) Beurteile beide Vorschläge.
- b) Nenne ein geeignetes Löschmittel und erkläre, wie es wirkt.
- c) Begründe mithilfe der Sauerstoffübertragung, warum Magnesium sogar in Kohlenstoffdioxid weiterbrennen kann.
Zurück zum Anfang: Im Hochofen in Duisburg wird Eisenoxid mit Kohlenstoffmonoxid reduziert, und Wasser verschlimmert einen Magnesiumbrand, weil Magnesium dem Wasser Sauerstoff entzieht.