Metalle

Abbildung rechts unten:

Aus dieser Grafik kann man entnehmen, in welcher Menge Eisen und Aluminium jeweils in der Erdkugel vorkommt. Dabei „verstecken“ sich die Reinstoffe in Verbindungen wie Gesteinen oder Erzen und sind vermengt mit anderen Bestandteilen der Erdoberfläche. Wenn die unterschiedliche Reaktivität der Metalle bereits besprochen wurde, können die Schülerinnen und Schüler schon aus dem unedlen Charakter der Metalle schließen, dass diese nur in gebundener Form und nicht wie die Edelmetalle gediegen in der Natur vorkommen können. Die metallhaltigen Verbindungen müssen also zuerst mit physikalischen Methoden von den anderen Ge­mengebestandteilen getrennt und anschließend die Metalle auf chemischem Wege aus der Verbindung reingewonnen werden. Der Name „Magnetit“ für eines der Eisenerze weist auf die magnetischen Eigenschaften hin und führt so zu Überlegungen, mit welchen Trennverfahren man die Me­tallverbindungen von den übrigen Beimengungen trennen kann, was natürlich aus Gründen der Kos­tenersparnis direkt vor Ort geschieht. Hier wird nur an allgemeine Verfahren gedacht: Sieben, Ausschütteln (hohe Dichte von Eisenverbindungen) etc.

Folie 2 zeigt die chemische Gewinnung und Aufbe­reitung sowie einige technische Bearbeitungsverfahren der Metalle.

Der Kohlenstoff oxidiert zu Kohlenstoffdioxid:

C + O₂ → CO₂

Diese exotherme Reaktion erzeugt Temperaturen bis zu 2.000 °C. Die darüber liegende Koksschicht reduziert bei dieser Temperatur das Kohlenstoffdioxid zu Kohlenstoffmonoxid:

2C + O₂ → 2 CO

Kohlenstoffmonoxid ist ein starkes Reduktions­mittel, das das darüber liegende Eisenerz (Eisenoxid) zu Eisen reduziert:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Das flüssige Roheisen sickert in den untersten Teil des Hochofens und wird dort etwa alle 6 Stunden abgestochen, d. h. es wird über Sandrinnen in Spezialbehälter und von dort zu den Stahlwerken geleitet. Die ebenfalls flüssige Schlacke schwimmt wegen ihrer geringeren Dichte auf dem Eisen und wird separat abgezogen. Nach dem Durchströmen der verschiedenen Reak­tionszonen verlässt die Heißluft nun als Gichtgas den Ofen. Ihre Zusammensetzung hat sich durch die beschriebenen und einige zusätzliche Reaktionen erheblich verändert. Neben Stickstoff und Kohlen­stoffdioxid enthält das Gichtgas etwa 30 % brennbare Gase, Kohlenstoff­monoxid, Wasserstoff und Methan. Es wird durch einen Staubabscheider geleitet und unter Luft­zufuhr verbrannt. Die frei werdende Wärmeenergie wird zum Erhitzen der Heißluft verwendet (Kreislauf). Wichtig ist v. a. die Unterscheidung zwischen den Verfahren: Eisenoxid wird durch Kohlenstoff (bzw. Kohlenstoffmonoxid) reduziert, Aluminiumoxid durch Schmelzflusselektrolyse. Das Prinzip der Reduktion eines Metalloxides mit dem Nichtmetall Kohlenstoff lässt sich im Schulversuch nur mit Kupferoxid statt Eisenoxid durchführen, weil die zur Reduktion des Eisenoxids nötige Energie zu hoch ist (siehe Kopiervorlage 2, Versuch 1). Man kann in Analogie zu diesem Versuch die Reduktion des Eisenoxids vereinfacht beschreiben:

2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

Im Zusammenhang mit Eisen bzw. Stahl als Werkstoff kommt es hier in erster Linie darauf an, deutlich zu machen, dass das entstehende Roheisen mit Kohlenstoff und anderen Begleitstoffen aus der Kohle oder dem Erz, wie Silicium, Phosphor, Mangan und Schwefel, verunreinigt ist.

Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung

Abbildung oben rechts:

Bei der Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid ist die Grafitwanne des Elektrolyseofens als Kathode geschaltet, sodass sich hier das flüssige Aluminium sammelt, das von Zeit zu Zeit abgezogen wird. Die mit 2.045 °C sehr hohe Schmelztemperatur des Aluminiumoxids wird durch Zugabe von Kryolith (Na₃AlF₆) auf 950 °C verringert. Die in die Schmelze tauchenden anodischen Grafitblöcke reagieren mit dem hier entstehenden Sauerstoff zu Koh­lenstoffmonoxid und -dioxid, sie werden also verbraucht. Aus 2 kg Alu­miniumoxid (für dessen Gewin­nung 4 kg Bauxit nötig sind) gewinnt man etwa 1 kg Primär­alu­minium, außerdem werden 0,5 kg Anoden-Grafit verbraucht. Der Prozess ist sehr energieaufwendig und deshalb teuer. Voraussetzung für das chemische Verständnis der Prozesse ist die Ionenbindung. Die Reduktion von Eisenoxid im Hochofen lässt sich mit dem eingeengten Begriff der Reduktion als Sauerstoffabgabe erklären, im Vergleich mit der Schmelzelektrolyse aber erweitern auf die Beschreibung als Elektronenaufnahme.

Abbildungen Mitte rechts und links:

Die Härte von Eisen und Aluminium (wenn man sie für die Reinstoffe überhaupt findet, siehe Kopiervorlage 1, Aufgabe 1) wird als ziemlich gering angegeben. Hieraus ergibt sich die Frage, wie aus den eigentlich ungeeigneten Metallen so leistungsfähige Werkstoffe werden. Die Stoffeigenschaften der Metalle werden durch Legierungsbestandteile erheblich beeinflusst. Das Roheisen aus dem Hochofen enthält noch Mangan, Phosphor, Silicium und Schwefelbeimengungen sowie 3 – 4 % Kohlenstoff. Es kann nur als Gusseisen verwendet werden, indem es geschmolzen und in Formen gegossen wird. Bei der Stahlherstellung werden die Beimengungen entfernt, insbesondere Kohlenstoff durch Oxidation („Frischen“). Die Verfahren werden im Kapitel „Altfahrzeug-Recycling“ beschrieben. Die unterschiedlichen Eigenschaften des Stahls werden durch Beimengung verschiedener Legierungs­bestandteile erzielt. Stahl enthält definitionsgemäß weniger als 1,7 % Kohlenstoff. Im Wesentlichen beeinflussen bestimmte Metalle wie Chrom, Nickel, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Mangan das Verhalten des Stahls. Nickelzusatz erhöht z. B. die Zähigkeit von Stahl, Chrom macht ihn härter.
Der genaue Kohlenstoffgehalt spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Aus Gusseisen wurden im Autobau klassischerweise Motorblöcke gegossen, wenngleich auch hier heute Leichtmetalle auf dem Vormarsch sind. Wegen der hohen Vibrations- und Schalldämpfung ist Guss­eisen bei Dieselmotoren, besonders im LKW-Bereich, nicht so leicht zu ersetzen. Für die einzelnen Bauteile der Karosserie verwendet man heute verschiedene Stahlsorten (s. Folie 1, Abb. links unten). Durch Kombination der verschiedenen Stahlsorten kann eine Autokarosserie bei geringst möglichem Gewicht optimal den mechanischen und chemischen Belastungen standhalten. So muss z. B. bei einem Zusammenstoß das Material einerseits dehnbar sein, um einen möglichst großen Anteil der Aufprall­energie in Verformung umwandeln zu können, andererseits muss es fest genug sein, um die Fahr­gastzelle zu stabilisieren. Zunehmend kommen hoch- und höchstfeste Stähle zum Einsatz, die hohe Festigkeit mit relativ guten Umformeigenschaften verbinden. So können einzelne Bauteile ohne Einbußen bei der Sicherheit dünner, also leichter (Kraftstoffeinsparung) gebaut werden. Aluminium wird überwiegend mit Eisen, Kupfer, Magnesium, Mangan, Zink oder Silicium legiert. Kupfer erhöht die Festigkeit, verringert aber die Kor­rosionsbeständigkeit. Magnesium und Mangan erhöhen die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Nickel erhöht die Festigkeit bei höheren Temperaturen. Sili­cium erniedrigt den Schmelzpunkt (bessere Gieß­bar­keit), beeinträchtigt aber das Umformen.

Abbildungen links unten:

Rostlöcher, wie man sie an sehr alten Autos findet, kommen bei modernen PKW kaum noch vor, obwohl Eisen erfahrungsgemäß rostet. Erst recht erstaunt es, dass das noch erheblich unedlere Aluminium so schön glänzend aussieht, wie bei der in Folie 1 abgebildeten Felge (oder bei der Haushaltsfolie).

Abbildungen unten links und rechts:

Stahl ist unverändert das preiswerteste Material zur Karosserieherstellung, hat aber den großen Nachteil, dass es rosten kann. Darum spielen Korrosionsschutzmaßnahmen im Karosseriebau eine wichtige Rolle. Durch weitgehenden Luft- und Feuchtigkeitsabschluss der Eisenteile kann man die Korrosion deutlich vermindern. Dazu dient eine dichte Zinkschicht ebenso wie die darüber aufgebrachte Lackierung. Für die Verzinkung gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder werden die Karosserien durch Feuerverzinkung vollständig verzinkt. Dabei werden beispielsweise ganze PKW-Karosserien oder Anhängerfahrgestelle von LKWs in ein Bad geschmolzenen Zinks getaucht und dadurch rundum mit metallischem Zink überzogen (s. Abb. unten links). Oft werden aber nur einzelne, besonders beanspruchte Fahrzeugkomponenten zur Erzeugung besonders haltbarer Überzüge am Stück feuerverzinkt.

Im größerem Stil ist heute inzwischen die kontinuierliche Bandverzinkung (s. Abb. unten rechts) in der Anwendung, bei der Stahlblech vor der Verarbeitung zu Karosserieteilen mit einer Zinkschicht überzogen wird. Bei der Bandverzinkung wird das Stahlband in einer Schutzatmosphäre aus 5 % Wasserstoff und Stickstoff kontinuierlich geglüht, um die mechanischen Eigen­schaften des Stahls zu optimieren, danach wird es durch das 460 °C heiße Zinkbad geleitet. Spezielle Abblas­düsen („Air Knifes“) streifen überschüssiges Zink ab, sodass die Überzugsdicke weniger als 7 µm beträgt. Auch die häufig angewendete elektrolytische Verzinkung erfolgt heute überwiegend in Bandver­zinkungsanlagen. Diese überziehen das gereinigte Stahlband in einem meist sulfatsauren Elektrolyten mit einer Zinkschicht (siehe Kopiervorlage 5, Versuche 3a und 3b), die in der kontinuierlich arbeitenden Anlage anschließend auf verschiedene Weisen nachbehandelt wird.