Elemente und Moleküle, Schulbuch

101 5.7 MeTalle 5.7 MEtALLE Gewinnung • Eisen und Stahl • Aluminium • Hartmetalle Betrachtet man die Häufigkeit der Metalle in der festen Erdrinde, so fällt auf, dass die Menschen nicht die häufigsten Metalle, sondern als Erstes das extrem seltene Gold entdeckten (Abb. 101.1). Der Grund ist natürlich, dass das edle Gold in der Na- tur bereits im metallischen Zustand vorliegt. Für fast alle anderen Metalle mussten erst chemische Verfahren entwickelt werden, um sie aus den Verbindungen in den metallischen Zustand überzuführen. Dies ist umso schwieriger, je unedler ein Metall ist. Daher war das erste wichtige Werkzeugmetall Bronze , eine Legierung aus den relativ edlen Metallen Kupfer und Zinn. Erst viel später wurden Verfahren zur Erzeu- gung des viel häufigeren Eisens entwickelt. Das sehr unedle Aluminium, das häu- figste Metall in der festen Erdrinde, kann erst seit etwa 150 Jahren hergestellt wer- den. Methoden zur Metallgewinnung Mineralien, deren Metallgehalt (als Element oder Verbindung) so hoch ist, dass sich die Gewinnung wirtschaftlich lohnt, nennt man Erze . Bei den Erzen variiert der Me- tallgehalt natürlich sehr stark. Die relativ häufigen Eisenerze müssen 40 % und mehr Eisen enthalten, um abbauwürdig zu sein. Bei Gold oder Platin ge - nügen Bruchteile von Promillen. Bei der Erzförderung im Bergbau erhält man neben dem Erz immer taubes Gestein, das man Gangart nennt. Die Anreicherung des Erzes und somit die möglichst voll- ständige Abtrennung der Gangart ist daher der erste Schritt zur Metallgewinnung. Eine vollständige Trennung ist auf dieser Stufe des Gewinnungsweges natürlich unmöglich (Abb. 101.2). Bei der Erzanreicherung wird meist die unterschiedliche Dichte und/oder Benetz- barkeit von Erz und Gangart zur Trennung benutzt. Vor allem Schwermetallerze werden so angereichert. Bei der Trennung mit Spiralscheidern schwemmt man das fein gemahlene Gemisch aus Erz und Gangart mit viel Wasser über spiralförmige Rinnen. Die leichtere Gangart wird nach außen geschwemmt, das dichtere Erz zieht man in den Spiralen innen ab. Mittels Flotation trennt man Erz und Gangart auf Grund ihrer unterschiedlichen Benetzbarkeit (Siehe Seite 9). Auch spezielle Eigenschaften von Erzen werden zur Anreicherung herangezogen (zB Magnetit – ferromagnetischer Stoff – mit starken Elektromagneten). Das angereicherte Erz ist meist eine Verbindung. Daher sind zur Metallgewinnung chemische Reaktionen erforderlich. Auch hier lassen sich allgemeine Prinzipien für die unterschiedlichsten Metalle angeben. Ein Großteil der Erze gehört nur drei Ver- bindungsklassen an: Sulfide , Carbonate , Oxide . Sulfide und Carbonate werden meist im ersten Verfahrensschritt in Oxide umgewandelt (Abb. 101.3). Sulfide werden im Luftstrom oxidiert. In der Hüttentechnik nennt man dies Rösten. Die Metallsulfide werden dabei in Metalloxide umgewandelt und der Schwefel des Sulfids entweicht als Schwefeldioxid. Dieses kann dann zur Produktion von Schwe- felsäure eingesetzt werden (Abb. 88.1). Carbonate werden gebrannt, dh. stark erhitzt (T > 900 °C), wie dies schon vom Kalk - brennen bekannt ist. Dabei spaltet sich Kohlenstoffdioxid ab. Der zweite Schritt der Metallgewinnung ist die Reduktion des Metalloxids zu Metall. Die verwendeten Reduktionsmittel müssen dabei stark genug sein, damit die Redox- Reaktion – zumindest bei hoher Temperatur – abläuft. Bevorzugt verwendet man möglichst billige Reduktionsmittel. Dies sind Kohle, Koks oder Kohlenstoffmonoxid. Auch Erdgas lässt sich hier einsetzen. In Fällen, in denen diese Reduktionsmittel nicht ausreichen oder die Metalle sich mit Kohlenstoff zu Carbiden verbinden, muss man auf teurere Reduktionsmittel wie Wasserstoff oder Aluminium zurückgreifen. Sehr unedle Metalle lassen sich nur durch Elektrolyse von Salzschmelzen gewinnen. (Katodische Reduktion: siehe Kap. 4.3, Elektrolyse) Bergbauprodukt Anreicherung Erz Taubes Gestein = Gangart Oxide Sulfide Carbonate MeO MeS MeCO 3 M e t a l l o x i d e Brennen Rösten Reduktion Reduktions- mittel elektr. Strom M E T A L L Brennen von Carbonaten: MeCO 3 → MeO + CO 2 Rösten von Sulfiden: MeS + 1,5 O 2 → MeO + SO 2 Al (32 %) Fe (20 %) Ca (14 %) Na (11 %) K (10 %) Mg (8 %) Ti (2 %) Rest Abb. 101.3: Brennen und Rösten von Erzen Abb. 101.2: Vom Bergbauprodukt zum Erz Abb. 101.1: Häufigkeit der Metalle in der Erdkruste in Massenprozent 5.6 halBleiTer Nur zu Prüfzwecken – Eig ntum des Verlags öbv