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Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle

Von Sebastian Kreft

Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle 2

ÜbersichtGewinnung und Raffination von:

1. Scandium2. Titan3. Vanadium4. Chrom5. Mangan6. Eisen7. Cobalt8. Nickel9. Kupfer10. Zink

1. Scandium ScIn der Natur sehr fein verteilt => seltengrößeres Vorkommen nur in „Thortveitit“ (Y, Sc)2[Si2O7]Gewinnung:

Schmelzelektrolyse von ScCl3 + KCl + LiCl an einer ZinkkathodeReduktion von ScF3 + Ca in Gegenwart von Zn +LiF bei 1100 °C (in Tantaltiegel + He-Atm.)

1. Scandium Sc⇒ In beiden Fällen entsteht eine Zn/Sc-

Legierung⇒ Unterhalb des Siedepunkts von Sc lässt

sich Zn abdestillieren⇒ Weitere Reinigung durch Destillation im

Hochvakuum bei 1700 °C

2. Titan TiGewinnung

Kroll-Prozess:1. TiO2(s) + 2 C(s) + 2 Cl2(g) TiCl4(g) +

2 CO(g)2. TiCl4(g) + 2 Mg(l) Ti(s) + MgCl2(l)

Reines TiCl4 wird bei 700 °C unter Argon-Atmosphäre in flüssiges Mg oder Na geleitet⇒ Es entsteht ein Ti-Schwamm mit 55-65 % Ti⇒ Weitere Reinigung

2. Titan TiRaffination

van-Arkel-de-Boer-Verfahren:Unreines Ti + etwas Jod in Vakuumgefäßbeim Erhitzen auf 200 °C entsteht gasförmiges TiI4

an einem 1300 °C heißem Glühdraht zersetzt TiI4 sich wieder unter Abscheidung von hochreinem Titan, I2kehrt wieder in den Prozess zurück

2. Titan TiRaffination

Sehr teures Verfahren=>Nutzung nur zur Herstellung

begrenzter Mengen hochreinen Metalls

Verfahren wird Transportreaktion gennannt:Ti(s) + 2 I2(g) TiI4(g) bei 200 °CTiI4(g) Ti(s) + 2 I2(g) bei 1300 °C

3. Vanadium VGewinnung

Gewinnung von V2O5:Rösten der V-Erze mit Alkalisalzen

⇒ Alkalivanadate werden mit Wasser ausgelaugt⇒ Fällen von V2O5*x H20 mit H2SO4

Aluminotherisches Verfahren zur Darstellung von metall. Vanadium:

3 V2O5 + 10 Al 6 V + 5 Al2O3

Reduktion von VCl3 (aus V2O5) mittels Mg (s. Titan)

3. Vanadium VRaffination

Van-Arkel-de-Boer-Verfahren (s. Titan)Elektrolytische Raffination (s. Kupfer)

4. ChromGewinnung

Bei der Abtrennung des Eisenanteils aus dem Chromeisenstein FeCr2O4 entsteht Na2CrO4:

2 Cr2O3 + 3 O2 + 4 Na2CO34 Na2CrO4 + 4 CO2

⇒NaCrO4 + H2SO4 Na2Cr2O7 + H2O

4. ChromGewinnung

Reduktion mit Koks zum Chrom(III)-oxid:Na2Cr2O7 + 2 C Cr2O3 + NaCO3 +CO

Durch aluminothermische Reaktion enstehtmetallisches Chrom von ca. 99%er Reinheit:

Cr2O3 + 2 Al 2 Cr + Al2O3

5. Mangan MnGewinnung und Reinigung

Aluminothermisches Verfahren:3 MnO2 + 4 Al 3 Mn + 2 Al2O3

Silicothermische Reaktion:MnO2 + Si Mn + SiO2

Reinigung durch Elektrolyse einer MnSO4-Lösung

6. Eisen FeGewinnung

Oxid wird durch C bzw. CO zum Element oxidiert:

2 C + O2 2 COFe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3 CO2

CO2 + C 2 CODas Erz wird mit Koks bei hohen Temperaturen

durch Lufteinblasen ins Element überführt.=> Siehe auch Vortrag „Vom Eisenerz zum Stahl“

7. Cobalt CoGewinnung und Reinigung

Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen)

Aluminothermische Reduktion (s. Vanadium)

Reinigung durch Elektrolyse (s. Kupfer)

8. Nickel NiGewinnung

Ni kommt oft in Erzen als NiS vermischt mit Cu2S, FeS und Fe2O3 vor

⇒ Nach Abtrennung des Fe bleibt „Kupfer-Nickel-Feinstein“ zurück (80 % Cu+Ni, 20 % S)

⇒ 2 Möglichkeiten der Weiterverarbeitung

8. Nickel NiGewinnung

1. Röstung (zum Nickel-/Kupferoxidgemisch) und Reduktion mit C zu einer Ni-Cu-

Legierung (70 % Ni, 30 % Cu, Monelmetall)2. Verschmelzen mit Na2S⇒ Bildung von zwei getrennten Schichten

„Kopf“: Kupfersulfidschmelze„Boden“: Nickelsulfidschmelze

8. Nickel NiGewinnung und Reinigung

⇒ Boden wird geröstet und mit C zu metallischem Nickel reduziert

Reinigung:Mond-Verfahren (Transportreaktion):Ni(s) + 4 CO(g) [Ni(CO)4](g)(vgl. van-Arkel-de-Boer-Verfahren)

Elektrolyse (s. Kupfer)

9. Kupfer CuGewinnung

Angereicherter Kupferkies (CuFeS2) wird vorgeröstet => Eisenanteil wandelt sich ins Oxid um„Verblasen“ mit Zuschlägen (Sand, Kalk)

⇒ Eisenoxid wird zu Eisensilikat-Schlackeund fließt ab

Rückstand: Kupferstein (Hauptteil: Cu2S)geschmolzener „Kupferstein“ wird mit Luft

durchblasen

9. Kupfer CuReinigung

Das entstandene Rohkupfer wird weiterbehandelt durch⇒ Raffinationsschmelzen (zu Garkupfer)⇒ Elektrolytische Raffination (zu reinem

Kupfer von 99,95 % Reinheit)

9. Kupfer CuReinigung

Elektrolytische Raffination:An einer Garkupferanode in CuSO4-Lösung gehen bei der Elektrolyse Cu und unedlere Metalle in Lösung, Edelmetalle fallen als Anodenschlamm ab(=> Edelmetallgewinnung)Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während die gelösten unedleren Metalle dies nicht tun

Anode: Cu(s) Cu2+(aq) + 2 e-

Kathode: 2 e- + Cu2+(aq) Cu(s)

10. Zink Zn Gewinnung

Bildung von ZnO durch:Rösten von Zinkblende (ZnS)2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + 2 SO2

Brennen von Zinkspat (ZnCO3):ZnCO3 ZnO + CO2

10. Zink ZnGewinnung und Reinigung

Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen)Sehr reines Zink durch Elektrolyse von ZnSO4-Lösung=> keine weitere Reinigung mehr nötigWeiteres Reinigungsverfahren:

Destillation aufgrund des niedrigen Siedepunkts von Zink

QuellenC. E. Mortimer. U. Müller: Chemie. Das Basiswissen der ChemieA. F. Hollemann, E. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemiehttp://www2.uni-siegen.de/~anchem/lehre/ac1/vortraegews0405/liedke.htm

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!

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