Verfahren zur Reindarstellung von Metallen

Metalle sind aufgrund ihrer Eigenschaften eine der wichtigsten Werkstoffe, eine Welt ohne Metalle wäre nur schwer vorstellbar. In der Natur kommen zwar einige Metalle in elementarem Zustand (=gediegen) vor, wie z:B. Gold (Au) oder Silber (Ag). Die meisten Metalle kommen in der Natur aber nicht elementar vor, sondern in Metallverbindungen wie Oxiden, Sulfiden, Sulfaten und Chloriden.

Verfahren zur Reindarstellung von Metallen aus Metallverbindungen

In diesem Kapitel werden nun die wichtigsten Verfahren beschrieben, dies sind die Reduktion von Metalloxiden, elektrolytische Verfahren und spezielle Verfahren.

Reduktion von Metalloxiden

Da einige der Metallverbindungen nicht als Oxide vorliegen, muss man diese erstmal in Oxide umwandeln. So führt man Sulfide durch Erhitzen an Luft (= Röstverfahren) in die Oxide über.

• Reduktion mit Kohlenstoff oder Kohlenstoffmonoxid: Dieses Verfahren ist geeignet für Metalle wie Eisen, Cadmium, Mangan, Magnesium, Zinn, Blei und Tantal. Die meisten Nebengruppenelemente können mit diesem Verfahren nicht rein dargestellt werden, da diese Metalle mit Kohlenstoff sog. Carbide bilden. MO + CO -> M + CO₂

• Reduktion mit Metallen:

Reduktion mit Aluminium (aluminothermisches Verfahren): Dieses Verfahren ist geeignet für Metalle wie Chrom, Mangan, Vanadium und Titan: 3MO + 2Al -> Al₂O₃ + 3 MReduktion mit Alkali- oder Erdalkalimetallen: Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei der Reindarstellung  von Lanthaniden verwendet, aber auch andere Metalle wie Titan. So erhält man Titan aus der Reaktion von  TiCl₄ mit Na oder Magnesium.

• Reduktion mit Wasserstoff:  Dieses Verfahren ist geeignet für Molybdän, Wolfram, Germanium und Titan.  MO + H₂ -> M + H₂O (Anstelle von Wasserstoff können auch Hydride verwendet werden, z.B. CaH₂)

Elektrolytische Verfahren

• Schmelzelektrolyse: Dieses Verfahren ist geeignet für Aluminium (aus Al₂O₃) und den Alkali- und Erdalkalimetallen (aus deren Halogeniden MHal bzw. MHal₂)
• Elektrolyse wässriger Metallsalzlösungen: Dieses Verfahren ist geeignet für die Metalle Kupfer, Cadmium, Zink, Nickel und Silber. Dabei werden diese Metalle aus schwefelsauren Lösung der Metallsulfate (z.B. CuSO₄) gewonnen.

Spezielle Verfahren

• Mond-Verfahren: Ni(CO)₄ -> Ni + 4 CO (bei 180°C)
• Erhitzen: So kann man Arsen durch Erhitzen von FeAsS und Quecksilber durch Erhitzen unter Luftzutritt aus HgS gewinnen.

Verfahren zur Reindarstellung von Metallen – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter dem Begriff “Reindarstellung von Metallen”?

Unter der “Reindarstellung von Metallen” versteht man die Gewinnung von Metallen in ihrer reinsten Form, frei von anderen Metallen oder Verunreinigungen.

2. Was sind die Verfahren zur Reindarstellung von Metallen?

Die Verfahren zur Reindarstellung von Metallen sind u.a. Pyrometallurgie, Hydrometallurgie und Elektrolyse.

3. Was ist Pyrometallurgie?

Pyrometallurgie ist ein Prozess, bei dem Metalle mit Hilfe von Hitze und chemischen Reaktionen aus ihrer Erzform extrahiert werden.

4. Was ist Hydrometallurgie?

Hydrometallurgie ist ein Prozess, bei dem Metalle durch den Einsatz von Lösungsmitteln extrahiert werden, im Gegensatz zur Pyrometallurgie, die sich auf Hitze verlässt.

5. Welche Rolle spielt die Elektrolyse bei der Reindarstellung von Metallen?

Die Elektrolyse nimmt eine wichtige Rolle bei der Reindarstellung von Metallen ein, da viele Metalle erst durch Elektrolyse von Verunreinigungen befreit werden können.

6. Welche Stoffe werden in der Regel während des Prozesses der Metallreindarstellung entfernt?

Verunreinigungen, die während der Reindarstellung von Metallen entfernt werden, können andere Metalle, Nichtmetalle oder Gase sein.

7. Warum ist die Reindarstellung von Metallen wichtig?

Die Reindarstellung von Metallen ist wichtig, da nur so die spezifischen Eigenschaften eines Metalls optimal genutzt werden können, beispielsweise für industrielle Anwendungen oder in der Forschung.

8. Was ist das Ziel der Pyrometallurgie?

Das Ziel der Pyrometallurgie ist die Gewinnung von reinem Metall aus einem Gemisch oder Erz durch chemische Reaktionen unter Einfluss hoher Temperaturen.

9. Wie funktioniert der Prozess der Elektrolyse zur Metallreindarstellung?

Die Elektrolyse zur Metallreindarstellung funktioniert, indem ein Strom durch eine Lösung oder Schmelze geleitet wird, um ein Redoxverhalten zu erzeugen, das das gewünschte Metall absondert.

10. Was sind die Vorteile der hydrometallurgischen Methode im Vergleich zur pyrometallurgischen?

Ein Vorteil der hydrometallurgischen Methode ist, dass sie oft umweltfreundlicher ist als die pyrometallurgischen Verfahren, da weniger Schadstoffe emittiert werden. Außerdem können bei bestimmten Erzen höhere Reinheitsgrade erreicht werden.