Reduktionen
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Stoffe:
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Eisen(III)-oxid,
Aluminiumgrieß, Magnesiumpulver;
Wunderkerze; alternativ: fertiges Thermitpulver und Zündstäbchen
z.B. von Hedinger; Aktivkohle gekörnt, Sauerstoff,
Kupfer(II)-oxid |
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Geräte:
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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 |
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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:
-
Beim Mischen der Stoffe darf keine allzugroße
Reibung ausgeübt werden.
-
Selbst hergestellte Thermitgemische sollten
nicht aufbewahrt werden.
-
Eine Schutzbrille (für alle Beteiligten)
und eine feuersichere Umgebung im Freien ist notwendig und mindestens
5 Meter Sicherheitsabstand!
-
Zündet das Gemisch nicht, sollte man
sich erst nach 5 Minuten nähern, um sicher zu gehen, dass es nicht
plötzlich doch noch losgeht!
-
Es wird empfohlen, fertige, käufliche
Gemische zu verwenden.
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.
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.
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).
