Erz liefert das Eisen
Eisenoxide werden schrittweise reduziert. Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe ist ein vereinfachtes Schema für geeignete Temperaturbereiche.
Chemie · Verstehen und üben
Metallgewinnung und Hochofen
Verfolge den Weg vom Eisenoxid zum Metall: Stoffströme, Redoxreaktionen, Schlacke und die berechenbare Eisenausbeute.
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Erz → Reduktion → Roheisen
Vom Eisenoxid zum Metall
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Viele Metalle kommen in Erzen als Verbindungen vor. Eisen(III)-oxid Fe₂O₃ enthält Eisen in der Oxidationsstufe +III. Für metallisches Eisen muss es zu Fe mit der Oxidationszahl 0 reduziert werden. Im Hochofen übernimmt vor allem Kohlenstoffmonoxid CO die Rolle des Reduktionsmittels.
Erz ist ein natürliches Stoffgemisch mit nutzbaren Metallverbindungen. Fe₂O₃ ist eine Verhältnisformel des Feststoffs, keine Formel eines einzelnen Eisenoxid-Moleküls.
Koks liefert Wärme und CO
Koks besteht überwiegend aus Kohlenstoff. Er dient außerdem als tragfähiges, gasdurchlässiges Gerüst im Ofen.
Zuschläge binden Begleitstoffe
Kalkstein liefert beim Erhitzen CaO. Dieses bindet zum Beispiel SiO₂ in der Schlacke.
Heißwind liefert Sauerstoff
Vorgewärmte Luft wird unten eingeblasen. Ihr Sauerstoff reagiert mit dem Koks.
Hochofen-Labor: Stoffströme und Reaktionen
Wähle einen Funktionsbereich und verfolge, was mit den Stoffen geschieht.
Heißes Gas gibt Wärme an den Einsatz ab.
Erz, Koks und Zuschläge werden von oben aufgegeben. Das aufsteigende Gas erwärmt die absinkenden Feststoffe.
Vereinfachtes Funktionsschema: Die Bereiche gehen ineinander über. Positionen sind keine festen Temperaturgrenzen; nicht alle Hochofenreaktionen sind eingezeichnet.
Die wichtigsten Reaktionen zusammenführen
C + O₂ → CO₂
Die stark exotherme Verbrennung setzt Wärme frei.
CO₂ + C ⇌ 2 CO
Bei hohen Temperaturen wird die CO-Bildung begünstigt. Diese Reaktion benötigt Energie.
Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
Bei der indirekten Reduktion entsteht Eisen. Das CO wird zu CO₂ oxidiert. In heißeren Bereichen trägt auch Kohlenstoff zur Reduktion bei.
CaCO₃ → CaO + CO₂
CaO + SiO₂ → CaSiO₃
Die letzte Gleichung zeigt die Schlackenbildung vereinfacht an einem Silicat. Reale Schlacke enthält mehrere Komponenten. Schlackenbildung und Schmelzen sind nicht die Reduktion des Eisenoxids.
Warum CO das Reduktionsmittel ist
2 Fe: jeweils +III → 0 ⇒ formal insgesamt 6 e⁻ aufgenommen
3 C: jeweils +II → +IV ⇒ formal insgesamt 6 e⁻ abgegeben
Das Reduktionsmittel wird selbst oxidiert. Sauerstoff behält in Fe₂O₃, CO und CO₂ die Oxidationszahl −II. Die Elektronenbilanz beschreibt die Änderung der Oxidationszahlen; sie behauptet nicht, dass freie Fe³⁺-Ionen im Ofengas vorliegen.
Ausbeute-Labor: Wie viel Eisen steckt im Erz?
Berechne den Eisenanteil aus der enthaltenen Fe₂O₃-Masse. Andere eisenhaltige Mineralien werden im Modell nicht berücksichtigt.
m(Fe) = m(Erz) · w(Fe₂O₃) · [2 M(Fe) / M(Fe₂O₃)] · η
M(Fe) ≈ 55,85 g/mol; M(Fe₂O₃) ≈ 159,70 g/mol. Die berechnete Masse ist die Masse des gewonnenen Eisens, nicht die gesamte Roheisenmasse mit Kohlenstoff und Begleitelementen.
Die drei Faktoren haben unterschiedliche Bedeutungen
w(Fe₂O₃) ist der Massenanteil des Eisenoxids im Erz: 80 % werden als 0,80 eingesetzt. 2 M(Fe)/M(Fe₂O₃) ist der Eisenanteil in reinem Fe₂O₃. η (Eta) ist die Ausbeute bezogen auf die theoretisch enthaltene Eisenmasse: 90 % werden als 0,90 eingesetzt.
Beispiel: 1 000 kg Erz mit 80 % Fe₂O₃
m(Fe₂O₃) = 1 000 kg · 0,80 = 800 kg
m(Fe), theoretisch =800 kg · 111,70 g/mol159,70 g/mol≈ 559,5 kg
Bei 90 % Ausbeute: m(Fe) ≈ 559,5 kg · 0,90 ≈ 503,6 kg
Die Faktoren 0,80 und 0,90 beschreiben verschiedene Dinge: den Erzgehalt und den Anteil des theoretisch gewinnbaren Eisens, der tatsächlich erhalten wird.
Roheisen ist noch kein Stahl
Roheisen → Stahl
Roheisen enthält viel Kohlenstoff und weitere Begleitelemente. Bei der Weiterverarbeitung, etwa im Sauerstoffkonverter, wird vor allem der Kohlenstoffgehalt durch Oxidation gesenkt.
Nicht jedes Metall gewinnt man so
Sehr unedle Metalle wie Aluminium werden nicht einfach im Hochofen mit CO gewonnen. Für Aluminium nutzt man die Elektrolyse von Aluminiumoxid in einer Salzschmelze.
Fe₂O₃ + 3 H₂ → 2 Fe + 3 H₂O
Bei der Direktreduktion kann Wasserstoff Eisenoxide reduzieren. Dabei entsteht Wasser statt CO₂ aus dem Reduktionsmittel. Die gesamte Klimabilanz hängt aber unter anderem von Wasserstoffherstellung und Energieversorgung ab; es handelt sich nicht bloß um einen beliebigen Austausch im unveränderten Hochofen.
Selbstcheck: Redoxbilanz und Eisenausbeute
1 · Welcher Stoff wird in Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂ reduziert?
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Verfolge die Oxidationszahl des Eisens.
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Eisen im Fe₂O₃ wird von +III zu 0 reduziert.
2 · Warum ist CO das Reduktionsmittel?
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Was passiert mit dem Kohlenstoff im CO?
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CO wird selbst oxidiert: C wechselt von +II zu +IV. Es reduziert dabei das Eisenoxid.
3 · Gleiche Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂ aus.
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Beginne mit Fe, dann O und C.
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Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂. Links und rechts: 2 Fe, 3 C und 6 O.
4 · Nenne drei Aufgaben des Kokses.
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Denke an Energie, Gas und Aufbau.
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Er liefert Wärme durch Verbrennung, bildet das Reduktionsmittel CO und hält den Einsatz gasdurchlässig.
5 · Warum werden Feststoffe oben und Heißwind unten zugeführt?
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Welche Ströme bewegen sich entgegen?
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Feststoffe sinken ab, heiße Gase steigen auf. Der Gegenstrom ermöglicht Wärmeübertragung und Kontakt zwischen CO und Eisenoxid.
6 · Welche Aufgabe hat CaO?
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Es reagiert mit Begleitstoffen wie SiO₂.
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CaO bindet solche Begleitstoffe in der Schlacke, vereinfacht CaO + SiO₂ → CaSiO₃.
7 · 500 kg Erz enthalten 80 % Fe₂O₃. Berechne die Eisenmasse bei 90 % Ausbeute.
Tipp anzeigen
500 · 0,80 · 111,70/159,70 · 0,90.
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Es entstehen rechnerisch etwa 251,8 kg Eisen. Die Roheisenmasse wäre wegen weiterer Bestandteile anders.
8 · Warum ist Wasserstoffreduktion nicht automatisch klimaneutral?
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Woher kommen Wasserstoff und Prozessenergie?
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Ihre Herstellung kann Emissionen verursachen. Die Reaktionsgleichung allein ist keine vollständige Klimabilanz.
Kurzer Begriffscheck
Welcher Satz stimmt?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Vom Schema zur Bilanz
Einstieg: Eisenoxid und metallisches Eisen unterscheiden.
Partnerarbeit: Ofenbereiche auswählen, Stoffströme und Reaktionen zuordnen.
Sicherung: Oxidationszahlen erklären und Erzgehalt von Ausbeute unterscheiden.
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Zum Nachschlagen: Reduktion, Oxidation und Elektronenübertragung.
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