gewinnung und reinigung der Übergangsmetalle(sebastiankreft) · gewinnung und reinigung der...
TRANSCRIPT
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle
Von Sebastian Kreft
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 2
ÜbersichtGewinnung und Raffination von:
1. Scandium2. Titan3. Vanadium4. Chrom5. Mangan6. Eisen7. Cobalt8. Nickel9. Kupfer10. Zink
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 3
1. Scandium ScIn der Natur sehr fein verteilt => seltengrößeres Vorkommen nur in „Thortveitit“ (Y, Sc)2[Si2O7]Gewinnung:
Schmelzelektrolyse von ScCl3 + KCl + LiCl an einer ZinkkathodeReduktion von ScF3 + Ca in Gegenwart von Zn +LiF bei 1100 °C (in Tantaltiegel + He-Atm.)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 4
1. Scandium Sc⇒ In beiden Fällen entsteht eine Zn/Sc-
Legierung⇒ Unterhalb des Siedepunkts von Sc lässt
sich Zn abdestillieren⇒ Weitere Reinigung durch Destillation im
Hochvakuum bei 1700 °C
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 5
2. Titan TiGewinnung
Kroll-Prozess:1. TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) TiCl4(g) +
2 CO(g)2. TiCl4(g) + 2 Mg(l) Ti(s) + MgCl2(l)
Reines TiCl4 wird bei 700 °C unter Argon-Atmosphäre in flüssiges Mg oder Na geleitet⇒ Es entsteht ein Ti-Schwamm mit 55-65 % Ti⇒ Weitere Reinigung
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 6
2. Titan TiRaffination
van-Arkel-de-Boer-Verfahren:Unreines Ti + etwas Jod in Vakuumgefäßbeim Erhitzen auf 200 °C entsteht gasförmiges TiI4
an einem 1300 °C heißem Glühdraht zersetzt TiI4 sich wieder unter Abscheidung von hochreinem Titan, I2kehrt wieder in den Prozess zurück
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 7
2. Titan TiRaffination
Sehr teures Verfahren=>Nutzung nur zur Herstellung
begrenzter Mengen hochreinen Metalls
Verfahren wird Transportreaktion gennannt:Ti(s) + 2 I2(g) TiI4(g) bei 200 °CTiI4(g) Ti(s) + 2 I2(g) bei 1300 °C
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 8
3. Vanadium VGewinnung
Gewinnung von V2O5:Rösten der V-Erze mit Alkalisalzen
⇒ Alkalivanadate werden mit Wasser ausgelaugt⇒ Fällen von V2O5*x H20 mit H2SO4
Aluminotherisches Verfahren zur Darstellung von metall. Vanadium:
3 V2O5 + 10 Al 6 V + 5 Al2O3
Reduktion von VCl3 (aus V2O5) mittels Mg (s. Titan)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 9
3. Vanadium VRaffination
Van-Arkel-de-Boer-Verfahren (s. Titan)Elektrolytische Raffination (s. Kupfer)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 10
4. ChromGewinnung
Bei der Abtrennung des Eisenanteils aus dem Chromeisenstein FeCr2O4 entsteht Na2CrO4:
2 Cr2O3 + 3 O2 + 4 Na2CO34 Na2CrO4 + 4 CO2
⇒NaCrO4 + H2SO4 Na2Cr2O7 + H2O
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 11
4. ChromGewinnung
Reduktion mit Koks zum Chrom(III)-oxid:Na2Cr2O7 + 2 C Cr2O3 + NaCO3 +CO
Durch aluminothermische Reaktion enstehtmetallisches Chrom von ca. 99%er Reinheit:
Cr2O3 + 2 Al 2 Cr + Al2O3
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 12
5. Mangan MnGewinnung und Reinigung
Aluminothermisches Verfahren:3 MnO2 + 4 Al 3 Mn + 2 Al2O3
Silicothermische Reaktion:MnO2 + Si Mn + SiO2
Reinigung durch Elektrolyse einer MnSO4-Lösung
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 13
6. Eisen FeGewinnung
Oxid wird durch C bzw. CO zum Element oxidiert:
2 C + O2 2 COFe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2
CO2 + C 2 CODas Erz wird mit Koks bei hohen Temperaturen
durch Lufteinblasen ins Element überführt.=> Siehe auch Vortrag „Vom Eisenerz zum Stahl“
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 14
7. Cobalt CoGewinnung und Reinigung
Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen)
Aluminothermische Reduktion (s. Vanadium)
Reinigung durch Elektrolyse (s. Kupfer)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 15
8. Nickel NiGewinnung
Ni kommt oft in Erzen als NiS vermischt mit Cu2S, FeS und Fe2O3 vor
⇒ Nach Abtrennung des Fe bleibt „Kupfer-Nickel-Feinstein“ zurück (80 % Cu+Ni, 20 % S)
⇒ 2 Möglichkeiten der Weiterverarbeitung
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 16
8. Nickel NiGewinnung
1. Röstung (zum Nickel-/Kupferoxidgemisch) und Reduktion mit C zu einer Ni-Cu-
Legierung (70 % Ni, 30 % Cu, Monelmetall)2. Verschmelzen mit Na2S⇒ Bildung von zwei getrennten Schichten
„Kopf“: Kupfersulfidschmelze„Boden“: Nickelsulfidschmelze
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 17
8. Nickel NiGewinnung und Reinigung
⇒ Boden wird geröstet und mit C zu metallischem Nickel reduziert
Reinigung:Mond-Verfahren (Transportreaktion):Ni(s) + 4 CO(g) [Ni(CO)4](g)(vgl. van-Arkel-de-Boer-Verfahren)
Elektrolyse (s. Kupfer)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 18
9. Kupfer CuGewinnung
Angereicherter Kupferkies (CuFeS2) wird vorgeröstet => Eisenanteil wandelt sich ins Oxid um„Verblasen“ mit Zuschlägen (Sand, Kalk)
⇒ Eisenoxid wird zu Eisensilikat-Schlackeund fließt ab
Rückstand: Kupferstein (Hauptteil: Cu2S)geschmolzener „Kupferstein“ wird mit Luft
durchblasen
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 19
9. Kupfer CuReinigung
Das entstandene Rohkupfer wird weiterbehandelt durch⇒ Raffinationsschmelzen (zu Garkupfer)⇒ Elektrolytische Raffination (zu reinem
Kupfer von 99,95 % Reinheit)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 20
9. Kupfer CuReinigung
Elektrolytische Raffination:An einer Garkupferanode in CuSO4-Lösung gehen bei der Elektrolyse Cu und unedlere Metalle in Lösung, Edelmetalle fallen als Anodenschlamm ab(=> Edelmetallgewinnung)Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während die gelösten unedleren Metalle dies nicht tun
Anode: Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e-
Kathode: 2 e- + Cu2+(aq) Cu(s)
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 21
10. Zink Zn Gewinnung
Bildung von ZnO durch:Rösten von Zinkblende (ZnS)2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + 2 SO2
Brennen von Zinkspat (ZnCO3):ZnCO3 ZnO + CO2
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 22
10. Zink ZnGewinnung und Reinigung
Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen)Sehr reines Zink durch Elektrolyse von ZnSO4-Lösung=> keine weitere Reinigung mehr nötigWeiteres Reinigungsverfahren:
Destillation aufgrund des niedrigen Siedepunkts von Zink
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 23
QuellenC. E. Mortimer. U. Müller: Chemie. Das Basiswissen der ChemieA. F. Hollemann, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemiehttp://www2.uni-siegen.de/~anchem/lehre/ac1/vortraegews0405/liedke.htm
Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 24
ENDE
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!