Kapitel 11: Redoxreaktionen, Metallgewinnung und Energiediagramm

1 Es wurde Malachit verwendet (Cu₂(OH)₂CO₃), welches beim Erhitzen in Kupferoxid überging.

Eisen, das wichtigste Metall

• Eisen kommt nicht elementar (gediegen) vor, sondern nur vereinigt als Erz (z.B. mit Sauerstoff).
• Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich der Hauptbestandteil des Erdkerns.
• Mit einem Anteil von ca. fünf Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste.
• Eisen ist das zehnthäufigste Element im Universum.
• Eisenerz wird im Tagebau (Brasilien, Australien, China u.a.) und Untertagebau (Deutschland, Frankreich u.a.) gewonnen.
• Eisen ist mit 95% das weltweit am häufigsten genutzte Metall.
• Wenn Eisen oxidiert, bildet es keine feste Schutzschicht, sondern das spröde Eisenoxid. Der dabei entstehende Rost zerstört Eisen vollständig. So gehen jährlich viele 1000t Eisengegenstände verloren.
• Stähle sind Legierungen des Eisens, die beim Vermischen (= legieren) mit anderen Metallen und auch Nichtmetallen (insbesondere Kohlenstoff) entstehen.
• Eisen ist eines der drei ferromagnetischen Metalle (Kobalt und Nickel sind die Übrigen).
• Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen im Körper giftig sein.
• In der Natur kommt Eisen (fast) nie gediegen (d.h. als Element) vor.

Bekannte Eisenverbindungen sind:

• Fe₂O₃ sowie FeO (Eisenoxid)
• Fe₃C (Eisencarbid)
• Fe(CO)₅ (Eisencarbonyl) sowie Fe₂(CO)₉
• Fe(SCN)₃ (Eisen(III)-thiocyanat, Eisenrhodanid)

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Eisen

 

Die Eisenzeit

In Mitteleuropa begann die Eisenzeit etwa ab dem 8. Jahrhundert v. Chr. Tatsächlich begann sie aber schon vorher in Anatolien ca. 1200 v. Chr. Die Methode zur Reduktion des Eisenoxids verbreitete sich von dort nach Indien, China und den Mittelmeerraum. Über Italien gelangte das Wissen dann endlich nach Nordeuropa.

Zu dieser Zeit entdeckten die Menschen einen Weg, Eisenoxid zu reduzieren, um daraus Eisen für Werkzeuge und Waffen herzustellen. Der Vorteil gegenüber der Bronze war die bessere Verfügbarkeit des Oxids. Kupferoxid ist im Boden seltener zu finden.

Zur Eisengewinnung kann man z.B. die beiden bekannten Eisenerze FeO (grün) und Fe₂O₃ (rot) verwenden. Kohlenstoff wurde als Reduktionsmittel, genau wie bei der Kupfergewinnung, verwendet:

2FeO + C ---> CO₂ + 2Fe + E

2Fe₂O₃ + 3C ---> 3CO₂ + 4Fe + E

Die Eisenzeit ist nach der Steinzeit und der Bronzezeit die dritte wichtige Periode der Menschheitsgeschichte. In Europa und dem Mittelmeerraum folgte darauf die Epoche der Antike oder die Völkerwanderungszeit.

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Eisenzeit

 

Die Thermitreaktion

Material: Blumentopf, Alufolie, Magnesiumpulver, Magnesiumband (oder eine Wunderkerze), Aluminiumpulver, Aluminiumgrieß, totes Eisenoxid

Diese Reaktion dient dazu, Eisen aus Eisenoxid herzustellen. Der Reaktionspartner ist dabei das unedlere Aluminium. Diese Reaktion ist so stark exotherm, dass man mit höchster Vorsicht arbeiten und dringend eine feuerfeste Unterlage benutzen muss.

V: Mischen von 15g Fe₂O₃ und 5g Al-Grieß (oder Pulver). Das Gemisch gibt man in einen Blumentopf, in welchem eine Toilettenpapierrolle steht. Der Rand wird mit Sand gefüllt. Auf das Gemisch gibt man etwas Magnesiumpulver und zündet alles mit einem Magnesiumband oder einer geeigneten Wunderkerze an.

B: Heftige Reaktion mit heller Flamme, Funken, sehr heißes, rot glühendes, flüssiges Produkt, welches magnetisch ist.

S: Bei der Reaktion von Eisenoxid mit Aluminium entsteht Eisen. Dabei werden sehr große Energiemengen frei. Diese Reaktion wird z.B. zum Schweißen von Eisenbahnschienen verwendet.

Fe₂O₃ + 2Al ---> Al₂O₃ + 2Fe +E

Industrielle Eisengewinnung im Hochofen

Bei der Thermitreaktion entsteht stark verunreinigtes Eisen. Es ist durchzogen mit Resten von Aluminiumoxid. Außerdem wäre Aluminium ein sehr teurer Reaktionspartner, um Eisen herzustellen. Großtechnisch gibt es deshalb einen anderen (besseren und vor allem preiswerteren) Weg, große Eisenmengen herzustellen. Die dazu notwendige Industrieanlage nennt sich Hochofen. Ein solcher Hochofen ist ein ca. 30 m hoher Schacht, in dem Eisen durch Reduktion aus Eisenoxid gewonnen wird.

Die eigentliche Reduktion findet vor allem im unteren Teil statt, deshalb muss der Hochofen von oben, schichtweise mit Koks und Möller (dem Gemisch aus Eisenoxid und Kalk) gefüllt werden. Diese Ausgangsstoffe werden in Förderkübeln (sogenannten Hunten) über einen Schrägaufzug zur oberen Öffnung des Hochofens befördert und entleert.

 

Im unteren Teil finden nun die folgenden Redoxreaktionen statt:

1. Verbrennung des Koks (liefert Verbrennungsenergie): C + O₂ ---> CO₂ + E

2. Erzeugung des Reduktionsmittels (=Kohlenstoffmonoxid): CO₂ + C ---> 2CO + E

3. Reduktion des Eisenoxids zu elementarem Eisen: Fe₂O₃ + 3CO ---> 3CO₂ + 2 Fe + E

Das entstandene Roheisen fließt durch eine Öffnung im unteren Teil aus dem Hochofen (=Abstich). Das sehr heiße und flüssige Roheisen fließt nun durch Rinnen im Boden zur Weiterverarbeitung.

Im Hochofen befindet sich nun noch die etwas leichtere Schlacke (diese hat eine geringere Dichte als Eisen und schwimmt im Hochofen darüber). Sie ist ein recht wertvoller Rohstoff und kann für weitere Produkte verwendet werden.

 

Mögliche Eisenerze als Ausgangsstoffe:

• FeO Eisenoxid, auch Magnetkies genannt
• Fe₂O₃ Hämatit (=Roteisenstein)
• Fe₃O₄ Magnetit
• FeCO₃ Siderit (=Eisenspat oder auch Spateisenstein genannt)
• FeS₂ Pyrit (Eisenkies bzw. Katzengold genannt)

 

Wozu ist eine so große Anlage notwendig? Brauchen wir alle denn soviel Eisen?

Ja, man kann leicht den Jahresverbrauch eines Landes durch die Anzahl der Einwohner teilen und stellt fest, dass jeder Mensch in Deutschland pro Jahr mehr als 100 kg Eisen „benötigt“. Dies wird natürlich nicht nur für Dinge des Haushalts verwendet, sondern auch für Autos, Brücken, Autobahnleitplanken usw.

 

Veredelung des Roheisens

Im Hochofen entsteht Roheisen. Der Reaktionspartner des Eisenoxid ist hierbei Koks (ausgeglühte Steinkohle). Als Konsequenz enthält das entstehende Roheisen 4-5 Prozent Kohlenstoff als Verunreinigung und ist dadurch recht spröde. Will man eine bessere Qualität erreichen, muss man das Roheisen veredeln.

Gusseisen enthält 2 - 6,5% Kohlenstoff und weitere Legierungselemente, wie beispielsweise Silizium und Mangan. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff im Gusseisen als Carbid oder elementar als Graphit vor. Gusseisen ist sehr hart und spröde. Es lässt sich gewöhnlich nicht verformen. Es wird z.B. verwendet für Gullideckel.

Durch das Windfrischen, einen Vorgang zur Veredlung mit Sauerstoff. In das flüssige - sehr heiße - Roheisen wird heißer Sauerstoff geblasen. Durch die hohen Temperaturen oxidiert das Roheisen nicht! Stattdessen oxidiert der restliche Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid, welches als Gas entweicht.

Das Roheisen enthält nun nur noch ca. 0,1% - 2% Kohlenstoff und wird nun Stahl genannt. Stahl ist qualitativ wesentlich hochwertiger und haltbarer und im Vergleich zu Gusseisen ist er biegsamer und verformbarer. Meist werden noch weitere Zusätze aus Chrom und Nickel zugefügt (Cr-Ni-Stahl-Legierung („Nirosta“)), um ihn noch härter und vor allem Rostfrei zu machen.

 

Aufgaben zum Thema Hochofen:

1. Die Außenwand des Hochofens muss durch eine Wasserkühlung permanent gekühlt werden.
Die Arbeiter in der Hochofenhalle müssen Schutzanzüge tragen, da es dort heißer als 50°C ist.

a) Warum ist der Hochofen so heiß?

b) Welche Konsequenzen hat das für die Arbeiter?

c) Warum wird der Hochofen nicht Nachts abgeschaltet?

2. Erkläre, warum der Hochofen eine nach oben auslaufende Form hat.

 

3. Mittlere Hochöfen haben eine Tagesproduktion von ca. 6.000t Roheisen, große Hochöfen schaffen sogar mehr das Doppelte. Ein Hochofen ist mindestens 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb.

a) Berechne die Menge an Roheisen, die in 10 Jahren entsteht.

b) Wozu braucht man soviel Roheisen?

 

Zusatzinformationen:

Übersicht über die Vorgänge im Hochofen: https://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Hochofenprozess.PNG

• https://de.wikipedia.org/wiki/Hochofen
• https://de.wikipedia.org/wiki/Hochofen
• https://de.wikipedia.org/wiki/Koks
• https://de.wikipedia.org/wiki/Gicht_%28Hochofen%29
• https://de.wikipedia.org/wiki/Eisen
• https://de.wikipedia.org/wiki/Stahl

 

Im Labor kann man den Hochofenversuch simulieren:

V: In einem Glasrohr werden Eisenoxid (pulvriges Eisen) und gekörnter Aktivkohle gefüllt. Das Rohr wird von außen erhitzt und mit einem Fön durchgepustet.

B: Aufglühen, das rote Eisenoxid wird dunkel.

S: Die Kohle verbrennt unvollständig. Es entsteht das giftige Gas Kohlenmonoxid. Das Eisenoxid reagiert mit dem Kohlenmonoxid zu Eisen.

Zusammenfassende Reaktion: Fe₂O₃ + 3 CO ---> 2 Fe + 3 CO₂ + E

 

Der Hochofen von Hattingen

Der Hochofen von außen, die Anlage zum Windfrischen, der obere Abschnitt zur Füllung des Hochofens

 

Warnschild für Mitarbeiter und Besucher, äußere Umbauung mit Kühlsystem

Der Abstich

Wenn genügend Eisen entstanden ist, muss in den unteren Verschluss des Hochofens per Abstich ein Loch gestoßen werden, durch das das heiße Roheisen in einer Rinne hinaus fließt. Die Temperaturen vor dem Ofen sind in dem Moment über 1000°C heiß. Für Menschen, selbst in gekühlten Schutzanzügen, unerträglich.

Hochofen am Hafen von Piombino

 

Der Hochofenprozess

Quelle Bild: GNU Free Documentation License, Version 1.2 by Wikipediauser Maksim, Andreas Schmidt - https://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Hochofenprozess.PNG

 

Der Aufbau und die Temperaturzonen im Hochofen

Ein Hochofen ist eine bis zu 40m hohe Industrieanlage, in der Eisen aus Eisenoxid gewonnen wird. Er wird von oben mit Förderbändern oder mit so genannten „Hunten“, das sind Metallwagen auf Schienen, gefüllt. Dazu wird ein Gemisch Eisenoxid und Koks (dem Reduktionsmittel) und Kalk zur Auflockerung gebildet. Dieses Gemisch wird auch Möller genannt.

In oberen kälteren Regionen reagiert Fe₂O₃ in geringer Hitze zu dem Zwischenprodukt Fe₃O₄, welches aufgrund seiner höheren Dichte weiter absinkt. Weiter unten ist es durch die ablaufenden Redoxreaktionen und durch zugeführte heiße Luft viel heißer. Hier findet die Umwandlung von Fe₃O₄ zu einem weiteren Zwischenprodukt satt (FeO). Dies hat eine noch höhere Dichte und es sinkt noch weiter ab. Im heißesten Bereich finden dann die Hauptreaktion statt, bei der aus Kohlenmonoxid und Eisenoxid dann Kohlenstoffdioxid und Roheisen entstehen. Aufgrund seiner hohen Dichte sammelt sich das Roheisen am Boden des Hochofens (darauf schwimmt nur noch die Schlacke aus Kalk und Erzresten, welche alle eine geringere Dichte als Roheisen haben).

Das Roheisen wird dann durch eine Keramiköffnung regelmäßig entnommen. Man lässt es über Rinnen im Boden der Abstichhalle fließen.

Die als Abfallprodukt entstehende Schlacke ist ein wichtiger und auch wertvoller Rohstoff. Sie dient beispielsweise als einfacher Zement, auch Hüttenzement genannt.

 

Genaue chemische Reaktionen im Hochofen

1. Schritt: Vorbereitung - Herstellung des CO

a) C + O₂ ---> CO₂ + E

b) C + CO₂ ---> 2CO + E

 

2. Schritt:

Fe₂O₃ + CO ---> 2FeO + CO₂ + E

 

3. Schritt

FeO + CO ---> Fe + CO₂ + E

 

2. und 3. Schritt zusammengefasst: Fe₂O₃ + 3CO ---> 3CO₂ + 2 Fe + E

 

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Hochofen

https://de.wikipedia.org/wiki/Gichtgas

 

Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen

V: Zink reagiert mit Schwefel in einer Zinkrinne.

B: - Selbstständiges, heftiges Durchglühen des Reaktionsgemisches

- Rauchbildung

- Das Produkt ist ein weißer Feststoff

S: Zink vereinigt sich mit Schwefel zu Zinksulfid unter Energiefreisetzung.

 _{0      0       +II -II}
Zn + S ---> ZnS + E

Bei jeder chemischen Reaktion spielt die Umwandlung von Energie eine Rolle. Entweder wird Energie freigesetzt, die z.B. vorher in den Ausgangsstoffen enthalten war, oder Energie wird zum Ablauf der Reaktion benötigt und somit dem System entzogen.

 

Als Beispiel dient uns nun die Verbrennung von Zucker, bzw. die Bildung von Zucker in der Photosynthese, die eigentlich genau die gleiche Reaktion ist, nur genau rückwärts. Man nennt solche Reaktionen „Rückreaktion“.

a) Energiediagramm der exothermen Reaktion

Energiediagramm exotherme Reaktion

 

Aktivierungsenergie (ΔH_A), notwendig zum Auslösen der Reaktion (manchmal auch ΔE_A genannt).

Reaktionsenthalpie (ΔH_R), Energieüberschuss, der bei exothermen Reaktionen frei wird (= ΔE_G).

Gesamt freiwerdende Energie (ΔH_G)

 

Traubenzucker (Glucose) ist ein sehr energiereicher Stoff. Wenn wir ihn essen gibt er uns diese Energie ab und wir atmen Kohlenstoffdioxid und Wasser aus.

Genauso energiereich reagieren Holz, Erdgas und Benzin bei der Oxidation mit Sauerstoff (z.B. beim Verbrennen).

 

b) Energiediagramm der endothermen Reaktion

 

Energiediagramm endotherme Reaktion

 

Wie man sieht, ist der Verlauf bei energiearmen Stoffen umgekehrt. Es startet mit energiearmen Verbindungen, die durch die Reaktion Energie aufnehmen und so zu energiereichen Verbindungen werden.

Ein Beispiel wäre hierfür die Photosynthese. Bei dieser wird durch energiereiches Sonnenlicht aus Kohlenstoffdioxid und Wasser energiereicher Traubenzucker (Glucose) gebildet.

Ein anderes Beispiel, welches Du schon kennst, ist die Wasserzersetzung in Wasserstoff und Sauerstoff. Wasser ist sehr energiearm, der entstehende Wasserstoff aber sehr energiereich. Diese Reaktion benötigt als besonders viel Energie!

Generell sind alle Elektrolysen endotherme Reaktionen.

 

Merke: Endotherme Reaktionen laufen oft nicht freiwillig ab.

 

Chemische Reaktionen, die unter Energieabgabe ablaufen heißen exotherme Reaktionen.
Die freiwerdende Energie kann dabei als Wärme, Licht oder in anderen Formen vorliegen.

Chemische Reaktionen, bei denen ständig Energie zugeführt werden muss,
damit sie überhaupt ablaufen nennt man endotherme Reaktionen.

 

Beispiele für endo- und exotherme Reaktionen

 

exotherme Reaktionen	endotherme Reaktionen
Verbrennungen (Kohle, Magnesium usw.)	Erhitzen von Kaliumnitrat
Entzündung von Schwefel-Eisen-Gemisch	Zersetzung von Quecksilberoxid
Neutralisation	Zersetzung von Wasser
Magnesium mit Salzsäure
Neutralisation

 

Der Katalysator

V: Verbrennung von Zucken mit und ohne Braunstein (Asche)

 

V	B	S
Entzünden von Zucker	Karamellisation	=> Änderung des Aggregatzustandes
Entzünden von Zucker-Braunstein Gemisch	Zucker brennt	Aufstellen der Gleichung mit Wertigkeiten / Oxidationszahlen:   0 +I -II        0         IV -II        I -II C6H12O6 + 6O2 ---> 6CO2 + 6 H2O +E

 

Energiediagramm einer Katalyse

 

Energiediagramm, mit und ohne Katalysator

 

Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzt (er hilft sozusagen über den Energieberg). Er nimmt an der Reaktion teil, geht aber am Ende unverändert aus ihr hervor (er nimmt dann von neuem an der Reaktion teil).
Die Reaktionsenergie wird nicht verändert.

Dadurch wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Zusatzinformationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Katalyse

 

Entscheide bei folgenden Reaktionen, ob es sich um einen exo- oder endothermen Vorgang handelt!

1. Beim Entladungsvorgang einer Autobatterie werden Bleiverbindungen verändert, und elektrische Energie wird abgegeben.
2. Holz wird zum Heizen von Häusern verwendet.
3. Der Mensch und viele Wirbeltiere sind gleichwarm: Die Körpertemperatur bleibt aufgrund der chemischen Umsetzung von Nährstoffen (hauptsächlich Kohlenhydrate) und Sauerstoff bei der Atmung konstant.
4. Die Explosionen in Verbrennungsmotoren werden in mechanische Energie umgewandelt.
5. Bauxit enthält einen großen Prozentsatz an Aluminiumoxid. Die Gewinnung von Aluminium wird stets dort durchgeführt, wo billige elektrische Energie zur Verfügung steht.
6. Quecksilberoxid lässt sich durch Erhitzen in Quecksilber und Sauerstoff zerlegen. (Zersetzung)
7. Pflanzen speichern bei der Photosynthese Sonnenenergie in chemischer Form in energiereichen Verbindungen (Traubenzucker, Sauerstoff).
8. Eine starke Säure einer Autobatterie wird zum Entsorgen neutralisiert

 

Übung: Reduktions- und Oxidationsvermögen von Metallen I

Material: je Gruppe: Bunsenbrenner, Reagenzglasklammer, 2 Reagenzgläser

Führe diese Versuche nicht außerhalb des Chemieunterrichts durch!
Sie sind sehr gefährlich und unberechenbar!

Kann man eigentlich durch das pure stattfinden von Reaktionen beurteilen, ob ein Metall edler oder unedler als ein anderes ist? Führe dazu die folgenden beiden Versuche durch und entscheide, welches der beiden Elemente edler ist.

 

V	B	S
Mische 1,6 g schwarzes CuO-Pulver und 0,8 g Fe-Pulver. Erhitze das Gemisch im Reagenzglas bis zum ersten Aufglühen und entferne das Reagenzglas sofort aus der Brennerflamme!] SCHUTZBRILLE	Das Gemisch glüht nach dem Reaktionsstart selbständig durch, Farbänderung des Reaktionsgemisches von schwarz zu rot, Magnettest negativ	3CuO + 2Fe ---> 3Cu + Fe2O3 +E Kupfer ist edler als Eisen und deshalb gibt CuO leicht seinen Sauerstoff ab => Cu ist ein gutes Oxidationsmittel
Erhitzen von Cu mit Fe2O3 (Durchführung wie oben) (In welchem Verhältnis müssen die Chemikalien abgewogen werden?)	(keine Reaktion)	Da Kupfer edel ist, wird es nicht so leicht oxidiert - schon gar nicht von einem Oxid eines unedleren Elements!

 

Oxidationsmittel: CuO (wird bei Redoxreaktion reduziert)

Reduktionsmittel: Fe (wird bei Redoxreaktion oxidiert)

 

Eisen ist Reduktionsmittel für Kupferoxid, Eisenoxid aber nicht für Kupfer¹.

=> CuO ist Ox-Mittel für Eisen, Cu aber nicht für FeO

=> Der edlere Stoff lässt sich „schwerer“ oxidieren und ist eher bereit seinen Sauerstoffabzugeben

=> Kupfer ist edler als Eisen

 

Red-Vermögen nimmt zu

<-------------------------------

Fe Cu

Fe₂O₃ CuO

------------------------------->

Ox-Vermögen nimmt zu

 

Reduktions- / Oxidationsvermögen einiger Metalle und Nichtmetalle II

Wie kann man nun weitere Metalle/ Metalloxide in diese Reihe von edlen und unedlen Metallen einordnen (und wie geht man experimentell dabei am einfachsten vor?).

Führe diese Versuche nicht außerhalb des Chemieunterrichts durch!
Sie sind sehr gefährlich und unberechenbar!

 

V	B	S
ZnO + Cu	keine Reaktion	Kupfer ist edler als Zn. Aus diesem Grund kann Kupfer nicht das Zinkoxid reduzieren.
CuO + Zn (2g CuO/ 1,6g Zn in Reagenzglas erhitzen]	heftige Reaktion, Kupferbildung, Funken	Das unedle Zn entreißt dem Kupfer den Sauerstoff CuO + Zn ---> ZnO + Cu + E
CuO + Mg (nie im Reagenzglas, explodiert! Auf feuerfester Unterlage mit Glimmspan zünden (evtl. mit Brenner - Augen schützen - Lichtblitz!))	sehr heftige Reaktion	Mg ist sehr unedel und entreißt dem CuO augenblicklich den Sauerstoff CuO + Mg ---> MgO + Cu + E
Fe2O3 + Mg (genauso heftig!)	sehr heftige Reaktion	Fe2O3 + 3Mg ---> 3MgO + 2Fe + E
Mg mit ZnO (genauso heftig!)	sehr heftige Reaktion	ZnO + Mg ---> MgO + Zn + E
Vorherige Stunden: Fe2O3 + Al	heftige Reaktion	Fe2O3 + 2Al ---> 2Fe + Al2O3 + E
CuO + Fe	mittelstarke Reaktion	3CuO + 2Fe ---> 3Cu + Fe2O3 +E
Bonus-Experiment zur Hilfe: Mg + Al2O3	mittelstarke Reaktion	3Mg + Al2O3 ---> 3Al + 3MgO + E

 

Aufgaben:

1. Stelle zuerst die kompletten Reaktionsgleichungen auf und bestimme dann die Reihenfolge der Metalle nach edlem und unedlem Charakter.

Reduktionsvermögen nimmt zu

<-------------------------------------------------------------

Reduktionsmittel: Mg Zn Al Fe Cu

Oxidationsmittel: MgO ZnO Al₂O₃ Fe₂O₃ CuO

------------------------------------------------------------->

Oxidationsvermögen nimmt zu

 

Aufgabe:

1. Ordnen Au, Ag in diese Reihenfolge ein. Da Du keine Messwerte hast, überlege Dir aus Deinen Erfahrungen, wo sie stehen könnten.

Reduktionsvermögen verschiedener Metalle

Folgende Reaktionen finden durch einfaches Entzünden statt. Ihre Umkehrreaktionen hingegen lassen sich auf diesem Wege nicht durchführen!

 

 

Aufgaben:

1. Stelle zuerst die kompletten Reaktionsgleichungen auf, kennzeichne dann Oxidation und Reduktion.

2. Vervollständige: unedle Metalle reagieren mit Oxiden edler Metalle als …...............................

3. Bestimme die Reihenfolge der Metalle nach edlem und unedlem Charakter: Notiere Deine Lösung dann in diesem Schema:

 

Reduktionsvermögen nimmt zu

<-------------------------------------------------------------

Reduktionsmittel:

Oxidationsmittel:

------------------------------------------------------------->

Oxidationsvermögen nimmt zu

 

Wiederholungsfragen für Zuhause & das Schwimmbad

Verschwenderisch leichte Wiederholungsfragen zum Aufwärmen

1. Wiederhole die Elementsymbole. Erstelle dann eine Übersicht über alle Elemente, die auf „-stoff“ enden.
2. Beschreibe, was man erhält, wenn man Säure und Lauge gleicher Konzentration mischt. Wie nennt man diese Reaktion? Was ist bei deren Durchführung zu beachten?
3. Nenne sechs Säuren und drei Laugen mit Formel und nenne deren Säurereste.
4. Was sagt der Massenerhaltungssatz aus? Was sagt der Energieerhaltungssatz aus?
5. Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung folgender Stoffe auf: Fe₂O₃ ; Schwefeldioxid ; Schwefeltrioxid ; P₄O₁₀. Welcher Stoff entsteht, wenn man Phosphoroxid und Wasser mischt?
6. Welcher Stoff entsteht, wenn man Kohlenstoffdioxid und Wasser mischt?
7. Stickstoffdioxid reagiert mit Wasser zu Salpetersäure und Salpetriger Säure. Erstelle die Reaktionsgleichung.
8. Welche Aussagen treffen folgende Reaktionsgleichungen?
9. N₂ + 3 H₂ + E ---> 2 NH₃
10. CH₄ + 3 O₂ ---> CO₂ + 2 H₂O + E
11. Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von Fe₂O₃ auf.
12. Was sagt das Gesetz der vielfachen Massenverhältnisse aus? Worin liegt die Erweiterung des Gesetzes der vielfachen Massenverhältnisse im Vergleich zu den konstanten Massenverhältnissen?
13. Stelle die Reaktionsgleichung der Bildung von SO₃ auf.
14. Welcher Stoff entsteht, wenn man Stickstoffdioxid (bzw. Kohlenstoffdioxid) und Wasser mischt?
15. Was sagt der Massenerhaltungssatz / Energieerhaltungssatz aus?
16. Was ist der Unterschied zwischen Sauerstoff und Luft?
17. Was versteht man unter Edelgaskonfiguration.
18. Was bedeutet ⁷₃Li ?
19. Stelle die folgenden Gleichungen auf:

Salzsäure	+	Calciumlauge	--->	Wasser	+	Calciumchlorid	+	E
Zink	+	Salzsäure	--->	Zinkchlorid	+	Wasserstoff	+	E
Magnesium	+	Salzsäure	--->	Magnesiumchlorid	+	Wasserstoff	+	E
Stickstoffdioxid	+	Wasser	--->	Salpetersäure	+	Stickstoffmonoxid	+	E
Kohlenstoffmonoxid	+	Wasserstoff	--->	Methan (CH4 )	+	Wasser	+	E
Benzin (C8H18)	+	Sauerstoff	--->	Wasser	+	Kohlenstoffdioxid	+	E

1. Fe verbrennt mit Schwefel unter hohem Druck im Massenverhältnis 7/6. Bestimme das Atomverhältnis.
2. Schwefel verbrennt an der Luft mit blassblauer Flamme, wenn der Schwefel in reinem Sauerstoff verbrennt, leuchtet er blau und es entsteht ein weißer Feststoff. Stelle die zwei Reaktionsgleichungen auf und bestimme die Massenverhältnisse.
3. Die Gase Stickstoff und Sauerstoff verbinden sich im Automotor im Massenverhältnis N:O = 7/8. Bestimme die Formel des entstehenden Gases.
4. Auch Gase haben ein Gewicht. 2g Wasserstoff und 16g Sauerstoff vereinigen sich beim Entzünden mit einem lauten Knall. Stelle die Reaktionsgleichung auf und bestimme das Massenverhältnis. Wie viel Gramm Wasserstoff braucht man für 12g Sauerstoff?
5. Bei einem Versuch reagieren 140g Eisen mit 80g Schwefel. Stelle die Reaktionsgleichung auf und bestimme das Massenverhältnis. Wie viel Schwefel braucht man für 105g Eisen?
6. Eisen verbrennt mit Schwefel unter hohem Druck im Massenverhältnis 7/6. Bestimme das Atomverhältnis.

Tipp: schau Dir noch einmal gut alle Inhalte des ersten Halbjahres und die wichtigen Themen der 8. Klasse an! Vor allem, wenn Du unsicher mit Reaktionsgleichungen bist, löse noch einmal einige Gleichungen von den 3 Reaktionsgleichungs-Arbeitsblättern.

Kapitel 10: Metalle und Redoxreaktionen& Energiediagramm

1. Die Reaktion von Kupferoxid mit Wasserstoff ist eine typische Redoxreaktion. Erkläre sie genau und definiere dann Redoxreaktion und erkläre ihre Kennzeichen.
2. Vergleiche diese Kupferoxidreduktion mit der historischen Kupfergewinnung.
3. Was versteht man unter Oxidation, Reduktion und Redoxreaktion? Erkläre mit einem Beispiel.
4. Liegt bei dem Luftballon-Explosionsversuch eine Redoxreaktion vor? Begründe mit einer Reaktionsgleichung.
5. Nenne drei Wege (mit Reaktionsgleichung) aus CuO das metallische Element zu gewinnen.
6. Was ist der Hochofenprozess? Erkläre umfassend.
7. Beschreibe das Thermitverfahren.
8. Wie unterscheidet sich der Hochofenprozess vom Thermitverfahren, wo liegen Gemeinsamkeiten?
9. Wie kann aus Bleioxid (PbO) Sauerstoff und Blei gewonnen werden?
10. Ist die Zersetzung von Wasser eine Redoxreaktion? Wiederhole den Versuchsaufbau und begründe.
11. Kann man zu Kohlenstoffdioxid verbrannten Kohlenstoff wieder zurückgewinnen?
12. Zum Knobeln: Benzin (C₈H₁₈) verbrennt an der Luft zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Erstelle die Reaktionsgleichung und dass passende Energiediagramm. Liegt eine Redoxreaktion vor?
13. Erkläre die Begriffe „endotherme Reaktion“ und „exotherme Reaktion“ mit je einer Beispielreaktion und zeichne das passende Energiediagramm. (Vergisst Du die Achsen zu beschriften, schreibe alle Fragen 17mal ab! *g* ).
14. Entscheide bei folgenden Reaktionen, ob es sich um einen exo- oder endothermen Vorgang handelt:
    a) Beim Entladungsvorgang einer Autobatterie werden Bleiverbindungen umgewandelt und elektrische Energie wird abgegeben.
    b) Holz wird zum Heizen von Häusern verwendet.
    c) Der Mensch und viele Wirbeltiere sind gleichwarm: Die Körpertemperatur bleibt aufgrund der chemischen Umsetzung von Nährstoffen (hauptsächlich Kohlenhydrate) und Sauerstoff bei der Atmung konstant.
    d) Die Reaktion in Verbrennungsmotoren.
    e) Bauxit der Ausgangstoff der Aluminiumherstellung enthält einen großen Prozentsatz an Aluminiumoxid. Die Gewinnung von Aluminium wird stets dort durchgeführt, wo billige elektrische Energie zur Verfügung steht.
    f) Quecksilberoxid lässt sich durch Erhitzen in Quecksilber und Sauerstoff zersetzen.
    g) Pflanzen speichern bei der Photosynthese Sonnenenergie in chemischer Form in energiereichen Verbindungen (Traubenzucker, Sauerstoff).
    h) Eine starke Säure einer Autobatterie wird zum Entsorgen neutralisiert.
15. Was ist ein Katalysator? Nenne Aufgaben und beschreibe sein Verhalten z.B. bei der Verbrennung von Zucker. Erstelle die Reaktionsgleichung [Zucker: C₆H₁₂O₆] und zeichne anschließend ein Energiediagramm der katalytischen Zuckerverbrennung.
16. Vergleiche das Thermitverfahren mit dem Hochofenverfahren.
17. Vergleiche Kupfer und Eisen hinlänglich ihrer Eigenschaften und Verwendung.
18. Nenne Eigenschaften von Aluminium? Wie wird es herstellt?
19. Vergleiche die Reaktion von ZnO + Cu mit der Reaktion von CuO + Zn. Welches der beiden Metalle ist edler?
20. CuO reagiert mit Mg explosionsartig. Stelle eine Reihung (edel/ unedel) der Metalle Au, Ag, Cu, Mg, Na und Zn auf.
21. In der Natur kommen die meisten Metalle als Oxid vor (also nicht als Element). Gold, Silber und Kupfer hingegen auch in gediegener Form (= als Element). Was vermutest Du als Ursache?
22. Warum hat die „Erfindung“ der Eisenherstellung länger gedauert als die der Kupferherstellung?
23. Ist Bronze ein Element? Was weißt Du eigentlich über die Bronzezeit?
24. Beschreibe eine Möglichkeit, wie man Silber aus dem Erz gewinnt.
25. Nenne Eigenschaften von Wasserstoff und erkläre die Nachweisreaktion (Knallgasprobe). Ist es eine Redoxreaktion?
26. Erstelle die folgenden Reaktionsgleichungen und bestimme, ob Redoxreaktionen vorliegen:
    a) Magnesiumoxid reagiert mit Schwefel zu Magnesium und Schwefeldioxid.
    b) Magnesiumoxid reagiert mit Schwefel zu Magnesium und Schwefeltrioxid.
    c) Aluminiumoxid reagiert mit Kohlenstoff zu Aluminium und Kohlenstoffdioxid.
27. Gönn‘ Dir eine Pause ;-)