Reduktionen
 
 
 
Stoffe: 
Eisen(III)-oxid, Aluminiumgrieß, Magnesiumpulver; Wunderkerze; alternativ: fertiges Thermitpulver und Zündstäbchen z.B. von Hedinger; Aktivkohle gekörnt, Sauerstoff, Kupfer(II)-oxid
Geräte:
2 Tontöpfe, Stativ, 2 Brenner, Schale mit Sand, Porzellanschale, Tiegelzange, Magnet, Papierstreifen, Hammer, Verbrennungsrohr aus Quarzglas mit zwei durchbohrten Stopfen, 2 Winkelrohre, großes Reagenzglas 30x200mm, Schutzscheibe, Schutzbrillen (Klassensatz), Waage
Der Thermitversuch darf nur im Freien mit genügend Sicherheitsabstand durchgeführt werden! Bei allen Versuchen ist eine Schutzbrille zu tragen und für ausreichend Brandschutz zu sorgen!
 
Inhalt:
Didaktische Bemerkungen
Demonstration 1: Thermitversuch
Demonstration 2: Hochofen-Modellversuch
Demonstration 3: Reduktion von Kupfer(II)-oxid mit Aluminiumpulver

 
Didaktische Bemerkungen:
Beim Thema Oxidation lernten die Schüler verschiedene chemische Reaktionen kennen, bei denen Stoffe mit Sauerstoff reagierten. Bereits bei der Synthese und Analyse von Wasser (>Arbeitsblatt) zeigte sich, dass Oxide wieder zerlegt werden können. Metalloxide kommen in der Natur oft als Erze vor. Die entsprechenden Metalle können nicht mit einfachen Mitteln, z.B. durch bloßes Erhitzen, erhalten werden. Es wird ein Stoff benötigt, der den Erzen die Sauerstoffatome wegnehmen kann. Daran knüpft der Einstieg in das Thema Reduktion an.
 
 
Demonstration 1: Thermitversuch

Zum Einstieg wird ein Stück Eisenerz und gemahlenes Eisen(III)-oxid gezeigt und die chemische Formel dafür genannt. Der Begriff "Erz" wird besprochen und die Schüler sollen den Begriff in einfacher Form definieren, z.B.: "Erze sind Rohstoffe für Gebrauchsmetalle". Im folgenden wird demonstriert, dass das bloße Mahlen und Erhitzen von Eisenerz nicht zum gewünschten Eisen führt. Das rote Pulver (aus der Flasche) färbt sich beim Erhitzen zwar dunkel, erhält aber nach dem Abkühlen seine ursprüngliche Farbe wieder zurück. Außerdem lässt sich kein nennenswerter Magnetismus vor und nach dem Erhitzen feststellen. (Hinweis: Hier soll vernachlässigt werden, dass Eisenerze durchaus magnetisch sein können)
  

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Um das Prinzip der Metallgewinnung durch Reduktion zu verdeutlichen, wird den Schülern eine (fiktive) Geschichte erzählt:
 
"Stellt euch vor, Ihr hättet einen Schäferhund und der ist besonders verspielt. Am liebsten mag er Schuhe. Man darf also keinen Schuh herumliegen lassen, sonst fasst er ihn mit seiner Schnauze und lässt ihn nicht mehr los. Nun passiert folgendes: Ihr müsst morgens in drei Minuten an der Bushaltestelle sein und habt aufgrund der Eile nicht aufgepasst. Der Hund hat sich die Turnschuhe geschnappt, die ihr heute unbedingt in der Schule braucht. Je mehr ihr an den Schuhen zieht, umso mehr vertieft der Hund sich in sein Spiel und fasst die Schuhe nur noch fester. Was ist also zu tun? Ihr braucht die Schuhe so schnell wie möglich und möchtet euerm Hund auch keinen Schaden zufügen."
 
Die Lösung wird sicherlich genannt: Man hält dem Hund etwas hin, was er noch lieber hat als Schuhe, z.B. einen Knochen oder Hundefutter. In den meisten Fällen wird dies auch gelingen. Nun überträgt man die Geschichte auf das Eisenerz: Der Hund mit dem Schuh entspricht dem Eisenoxid. Man möchte den Schuh (das Eisen) und gibt dem Hund (dem Sauerstoff) einen Knochen (ein Stoff, mit dem Sauerstoff noch besser reagiert als mit Eisen). Aufgrund schon durchgeführter Experimente im vorangegangenen Unterricht kennen die Schüler vielleicht solche Stoffe und benennen sie: Magnesium, Aluminium oder Wasserstoff. Nun wird eine chemische Reaktionsgleichung an der Tafel hergeleitet:
 
Eisenoxid  +  Aluminium  ----->  Eisen  +  ?
 
Über das zweite Reaktionsprodukt dürfen die Schüler spekulieren. Manche nennen vielleicht schon das Aluminiumoxid ("Hund mit Knochen"). Nun wird der eigentliche Thermitversuch vorbereitet. Für diesen Versuch sind eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen unbedingt einzuhalten: Eigene Herstellung des Thermitgemisches:
60g fein gemahlenes Eisen(III)-oxid, 20g Aluminiumgrieß und 2,5g Aluminiumpulver werden in einem großen Reagenzglas durch Schütteln durchmischt. Auf die Mischung gibt man im Tontopf noch 5 Spatel Magnesiumpulver und steckt dann eine Wunderkerze umgekehrt hinein. Alles Weitere entspricht den folgenden Anweisungen:
 
Demonstration mit Fertigmischung:
Zwei kleine Tontöpfe mit Loch werden ineinander gestellt und an einem Stativ in etwa 30cm Höhe befestigt. Das Loch des inneren Topfes wird mit einer Lage Papier bedeckt und mit der Thermitmischung gefüllt. Nun begibt man sich an einen geeigneten Ort im Freien und sorgt für den notwendigen Sicherheitsabstand der Zuschauer. Unter die Tontöpfe stellt man eine große Schale mit reichlich Sand und steckt dann ein Zündstäbchen in das Gemisch. Nach dem Zünden des Zündstäbchens am äußersten Ende mit einem Brenner ist eine rasche Entfernung des Experimentators geboten.
 
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Thermitreaktion
 
Beobachtungen:
Nach dem Hineinbrennen des Zündstäbchen glüht das Thermitgemisch unter heftiger Funkenbildung hell auf. Sodann ergießt sich ein gleißend heller Strahl einer heißen Flüssigkeit durch die Löcher der Tontöpfe in die Schale. Dabei fliegen Funken weit umher. Nach der Reaktion findet sich ein schwerer, teilweise metallisch glänzender Brocken auf dem Sand, der immer noch glüht und so heiß ist, dass er selbst ein feuchtes Holzstöckchen rasch zum Brennen bringt.
  
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Glühendes Produkt
Eisenkern (Kugel) mit Schlackeschicht
 
Nach dem Abkühlen des Produktes in kaltem Wasser wird es näher untersucht. Schlägt man mit einem Hammer darauf, platzt die äußere Schicht des Brockens schnell ab. Teilweise zeigen sich auch weißliche Schichten (Hinweis auf Aluminiumoxid). Innen findet sich eine kompakte, metallische Masse, die einen deutlichen Magnestismus zeigt (Eisen). Durch stärkere Schläge lässt sich jedoch auch diese Masse zerschlagen. Das entstandene Roheisen ist relativ spröde.
 
Theorie:
Die theoretische Erklärung für diesen Versuch kann nun von den Schülern selbst hergeleitet werden: Eisenoxid reagiert mit Aluminium zu Roheisen und Aluminiumoxid. Damit ist das Prinzip einer Stoffumsetzung erarbeitet (vgl. >Chemische Reaktion). Bei einer Stoffumsetzung werden Atome oder Atomgruppen ausgetauscht. Die Reaktion eines Stoffes mit einem anderen unter Sauerstoffabgabe nennt man Reduktion. Findet wie im geschilderten Beispiel gleichzeitig eine Reduktion (Eisenoxid) und eine Oxidation (Aluminium) statt, handelt es sich um eine Redox-Reaktion:
 
 
Die Thermitreaktion dient in der Technik aufgrund der hohen, entstehenden Temperatur von ca. 2400°C zum schnellen Verschweißen von großen Eisenstücken, z.B. zum schnellen Verbinden von Bahngleisen.
 
 
Demonstration 2: Hochofen-Modellversuch
 
Zunächst wird mit den Schülern die Wirtschaftlichkeit des Thermitverfahrens zur Eisengewinnung diskutiert. Jährlich werden weltweit über 500 Millionen Tonnen Roheisen hergestellt. Beim Thermitverfahren würden riesige Mengen an metallischem Aluminium benötigt. Aluminium kann ebenfalls nur unter hohem Energieaufwand (vgl. >Schmelzflusselektrolyse) aus Aluminiumerzen hergestellt werden. Außerdem würde die Thermitreaktion im großtechnischen Verfahren zu viel Wärme freisetzen (vgl. >Eisen(III)-oxid).
 
Für eine billigere, geregelte Reaktion eignen sich Kohlenstoff (Koks) oder Wasserstoff als Reduktionsmittel. Das bedeutendste Verfahren findet im Hochofen mit Hilfe von Koks statt, einem Zersetzungsprodukt der Stein- oder Braunkohle.
 
Die Apparatur wird gemäß der Zeichnung aufgebaut. Zur Isolierung nach unten und oben muss unbedingt Glaswolle aus Quarzglas verwendet werden, da gewöhnliche Glaswolle bei den hohen Temperaturen schmilzt. Außerdem sollten die Büschel ohne Spielraum satt sitzen. In der Mitte werden zwei Doppelschichten aus 2cm gekörnter Aktivkohle und 1cm Eisen(III)-oxid fest fixiert.
 
 
Grafik erstellt mit Labormaker
 
Die unterste Schicht Aktivkohle wird mit zwei Brennern von beiden Seiten kräftig erhitzt. Dann gibt man einen schwachen Sauerstoffstrom durch das Verbrennungsrohr und wartet ab, bis die Aktivkohle zu glühen beginnt. Nun erhitzt man das Eisen(III)-oxid und stellt den Sauerstoffstrom so ein, dass die Glutzone nicht zu heiß wird. Der Vorgang dauert mehrere Minuten, wobei man später auch die oberen Schichten erhitzt. Nach dem Abkühlen gibt man das Gemisch in eine Porzellanschale und untersucht es mit einem Magneten.
 
Beobachtungen:
Bei der Sauerstoffzugabe glüht die Kohle hell auf. Dabei entstehen beträchtliche Temperaturen, die möglicherweise auch das Quarzglas springen lassen. Das Reaktionsprodukt ist deutlich magnetisch.
 
Theorie:
Im Verbrennungsrohr laufen verschiedene Reaktionen ab, die den Hochofenreaktionen entsprechen. Beim Verbrennen der Kohle mit Sauerstoff in der unteren Schicht entsteht Kohlenstoffmonoxid, das das darüber liegende Eisen(III)-oxid zu Eisen reduziert und selbst zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird:
 
Oxidation:
Kohlenstoff  +  Sauerstoff  ----->  Kohlenstoffmonoxid

Redoxreaktion:
Kohlenstoffmonoxid  +  Eisen(III)-oxid  ----->  Eisen  +  Kohlenstoffdioxid
 
In den höheren, weniger heißen Schichten wird das entstehende Kohlenstoffdioxid wieder zu Kohlenstoffmonoxid reduziert (Boudouard-Gleichgewicht):
 
Gleichgewichts-Reaktion:
Kohlenstoffdioxid  +  Kohlenstoff    Kohlenstoffmonoxid
 
Das neu entstehende Kohlenstoffmonoxid reduziert dann wieder erneut Eisenoxid zu Eisen, usw. (vgl. auch >Der Hochofenprozess).
     

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Hochofen in Dillingen/Saarland
Gicht des Hochofens
     
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Hochofenabstich in Torpedo-Waggon
Das Roheisen wird zum Stahlwerk transportiert
     
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Sauerstoffblasverfahren im Konverter
Walzstraße bei der Stahlverarbeitung
 
 
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