Gewinnung und Reinigung der Übergangsmetalle

Von Sebastian Kreft

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ÜbersichtGewinnung und Raffination von:

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

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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.)

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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

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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

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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

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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

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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)

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3. Vanadium VRaffination

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

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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

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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

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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

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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“

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7. Cobalt CoGewinnung und Reinigung

Reduktion mit Kohlenstoff (s. Eisen)

Aluminothermische Reduktion (s. Vanadium)

Reinigung durch Elektrolyse (s. Kupfer)

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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

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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

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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)

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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

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9. Kupfer CuReinigung

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

Kupfer von 99,95 % Reinheit)

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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)

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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

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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

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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

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ENDE

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!