GRUNDLAGEN MECHANIK
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TECHNISCHE BERUFSAUSBILDUNG GRUNDLAGEN MECHANIK Materialkunde METALLURGIE Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 1 von 26 ___ Impressum Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH, 82178 Puchheim Grundlagen Mechanik, Fertigungsverfahren Modul Meallurgie In Zusammenarbeit mit kik AG, bildungswerkstatt, CH-5430 Wettingen Version 01 / 2013 Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 2 von 26 ____ MATERIALKUNDE METALLURGIE Vorwort Kenntnisse zu den Werkstoffen, die Isolierer/innen in ihrem Beruf verwenden, sind unabdingbar, um das Verhalten der Werkstoffe bei der Bearbeitung und in ihrer Dauerhaftigkeit in den verschiedenen Anwendungen richtig abschätzen zu können. Lernziele Durch diese Ausbildungseinheit soll sich der Auszubildende die erforderlichen Grundlagen der Metallurgie-Kenntnisse aneignen. Metallurgie Grundlagen Aufbau der Elemente Atom und Molekül Werkstoffe Metalle Arbeitstechnik Auswahl der richtigen Werkstoffe Arbeitsplatz zu deren Bearbeitung einrichten Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 3 von 26 ___ Atome Sichtbar gemacht mit Rastertunnelmikroskopen. GRUNDLAGEN Elemente, die unsichtbaren Bausteine unserer Welt Unüberschaubar ist die Vielfalt der in der Natur vorkommenden Stoffe. Viele davon werden als Rohstoff oder Werkstoff in der Technik genutzt. Daneben gibt es heute Tausende von künstlichen, vom Menschen erschaffenen Stoffe. Tantaldisulfid-Oberfläche (30nmx20nm) (Aufnahme: Institut für Angewandte Physik, Uni-Hamburg) Die Atome sind die kleinsten Teilchen, aus denen sich ein Grundstoff zusammensetzt. Schon vor 2500 Jahren führten die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit den Begriff Atom ein. Sie verstanden darunter die kleinsten unteilbaren Teile der Materie (atomos unteilbar). Lange war dies eine reine Theorie. Erst in unserer Zeit wurde der Beweis für die Existenz der Atome erbracht aber man entdeckte auch, dass die Atome nicht die kleinsten unteilbaren Teilchen sind. Sie bestehen vielmehr aus einer mehr oder weniger großen Zahl von Elementarteilchen. Die drei wichtigsten Elementarteilchen sind: Proton, Neutron und Elektron. Der dünnste Draht der Welt: GoldNanodrähte. Jeder "Hügel" in den Reihen entspricht einem einzelnen Atom. (Aufnahme: Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV, Universität Würzburg) Das Proton ist die kleinste Einheit positiver Elektrizität mit der Elementarladung +1 und der Masse 1. Das Elektron ist die kleinste Einheit negativer Elektrizität mit der Elementarladung -1. Seine Masse ist nur der 1840ste Teil eines Protons, also verschwindend gering. Das Neutron hat wie das Proton die Masse 1. Es ist aber, wie der Name zeigt, elektrisch neutral. Elemente und ihr unglaublicher Aufbau Elemente bestehen aus Atomen; die sich durch chemische Verfahren nicht in andere Stoffe zerlegt lassen. So gesehen hatten die beiden alten Griechen recht. Magnetische Eiseninseln auf einer nichtmagnetischen Atomlage von Eisen. (Aufnahme: Institut für Angewandte Physik, Uni-Hamburg) Jedes Atom besitzt einen Atomkern und eine ihn umgebende Elektronenhülle. Die Atomkerne enthalten mindestens 1 maximal aber bis zu 118 elektrisch positiv geladene Protonen, dazu – ausser bei Wasserstoff – eine Anzahl an elektrisch neutralen Neutronen. Aus der Anzahl der Protonen leitet sich die Kernladungszahl ab; sie ist auch die Ordnungszahl (OZ) des jeweiligen Atoms im Periodensystem. Die Elektronen tanzen in Schalen Die Atomkerne sind von einer Elektronenhülle umgeben. Die Elektronen bewegen sich meistens in mehreren Schalen um den Kern. Es können grundsätzlich bis zu sieben Schalen aufgebaut werden. Für das chemische Verhalten des Grundstoffes sind die Elektronen auf der äußersten Schale Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 4 von 26 ____ verantwortlich. Wenn die in der Hülle enthaltenen negativ geladenen Elektronen der Zahl der Protonen im Atomkern entspricht, ist das Atom elektrisch neutral. Atombau als Ordnungsprinzip (für das Periodensystem der Elemente) Alles metallisch oder was? Unsere „normale“ Welt setzt sich aus 92 natürlichen Elementen zusammen. Außer den 92 „natürlichen" Elementen existieren 11 „künstliche" Elemente, die im Labor der Atomphysiker erzeugt und nachgewiesen wurden. Heute kennt man also 103 Elemente. Davon sind 75 Metalle. Etwa ein Drittel der Metalle hat als Werkstoff technische Bedeutung; insbesondere Blei, Zink, Kupfer, Eisen, Aluminium, Silber, Zinn und Nickel. Zu den nichtmetallischen Elementen gehören z.B. Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Chlor und Helium. Die Nichtmetalle , unterscheiden sich in ihren Eigenschaften stark voneinander, im Gegensatz zu den Metallen, die sich stark gleichen. Wie aus der untenstehenden Tabelle, dem Periodensystem der Elemente, zu ersehen ist, werden die Elemente in der Chemie mit lateinischen oder griechischen Namen bezeichnet, die mit Buchstaben-Kombinationen abgekürzt und dergestalt als Symbol in Formeln chemischer Reaktionen und bei der Werkstoffkennzeichnung benutzt werden. 1. Die Anzahl der Protonen Z bestimmt die Reihenfolge der Elemente im PSE (= Ordnungszahl). 2. Die Schalenanzahl entspricht der Zeile im PSE (= Periode). 3. Die Anzahl der Außenelektronen (Ausnahme: He) entspricht den senkrechten Spalten und damit der Hauptgruppen-Nummer. In den Hauptgruppen werden Elemente mit ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften zusammengefasst 4. Die Anzahl der Neutronen ergibt sich als Differenz von Massen- und Ordnungszahl. 5. Die maximale Anzahl an Elektronen (emax) auf den jeweiligen Schalen (n) errechnet sich gemäß Niels Bohr: 2 emax = 2 · n . Das Periodensystem bezieht sich nur auf Atome in elektrisch neutralem, dem elementaren Zustand. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 5 von 26 ___ Begriffe Atomteilchen Protonen sind Elementarteilchen, neben den Neutronen Baustein des Atomkerns mit einer positiven elektrischen Elementarladung und der Ruhemasse -27 1,673 · 10 kg (1836-fache Masse des Elektrons), also etwa 1 u. Neutronen unterscheiden sich von den Protonen nur durch die Ladung und einen geringfügigen Unterschied in der Masse. Protonen und Neutronen bilden die Atomkerne der chem. Elemente. Vom WasserstoffAtom an (1 Proton im Kern) steigt die Zahl der Protonen im Atomkern von Element zu Element regelmäßig um 1 an. Elektronen sind Elementarteilchen der Atomhülle mit einer negativen elektrischen Ladung und der vernachlässigbar kleinen Ruhemasse me = -31 9 · 10 kg, also 1 etwa /2.000 der Masse eines Protons oder Neutrons. Bei elektrisch neutralen Atomen entspricht die Zahl der Protonen der Zahl der Elektronen, (siehe PSE). Schalen um den Atomkern Die aufgeteilt, zum auch der Elektronenhülle ist in Bahnen die verschiedenen Abstände Atomkern aufweisen; sie werden Schalen genannt. In jeder nur für eine Elektronen. dieser Schalen bewegen sich beschränkte Anzahl von In der innersten Schale finden nur zwei Elektronen Platz. Die Elemente von 1, H, Wasserstoff und 2, He, Helium, verfügen nur über diese innerste Elektronenschale. So befinden sich bei 2, Li, Lithium, mit drei Protonen und drei Elektronen, zwei dieser Elektronen in der inenrsten Schale und ein einzelnes Elekton allein in einer weiter außen liegenden Elektronenschale, die aber für maximal acht Elektronen Platz bieten würde. Somit haben acht Elemente, OZ 3-10, total drei bis zehn Elektronen, verteilt auf zwei Schalen. Bei 11, Na, Natrium, braucht es dann bereits eine weitere Elektronen-schale, die wiederum für maximal acht Elektronen Platz bietet. Schluss ist dann wieder bei 18, Ar, Argon, für das nächste Atom mit mehr Elektronen wird wieder eine zusätzliche Schale benötigt. Ganz regelmäsiig geht es aber nicht weiter. Es gibt bei den weiteren Schalen auch solche Elektronenschalen mit 10 oder 14 Elektronen-Plätzen (zehn: OZ 21 bis 30 und 39 bis 48; vierzehn: OZ 58 bis 71 und 90 bis 103); die hier untereinander stehenden Elemente werden als Nebengruppen bezeichnet. Auf die Außenelektronen kommt es an Vergleicht man die Elemente mit der gleichen Anzahl „Außenelektronen“ (Elektronen der jeweils äußersten Schale) oder deren chemische Verbindungen mit jeweils einem beliebigen anderen Element, so finden sich unter ihnen viele Ähnlichkeiten, die darauf beruhen, dass diese Elemente die gleiche Anzahl an Außenelektronen besitzen. Beispiele: Elemente mit 1 Außenelektron sind Alkalimetalle, solche mit 7 sind Halogene und die mit 8 sind Edelgase. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 6 von 26 ____ So bestimmen die Außenelektronen die chemischen Eigenschaften entscheidend. Diese Eigenschaften wiederholen sich den Schalen entsprechend periodisch. Darum sind die Elemente im Periodensystem der Elemente in Reihen, Perioden, aufgeführt. Ähnliche Elemente stehen untereinander und bilden jeweils eine Gruppe; die so dargestellten Spalten bilden die Elemente-Hauptgruppen. Das Periodensystem zeigt also vorallem die Elektronenkonfiguration. Jeder Atomkern, bis auf das Wasserstoff-Atom 1, H, enthält zudem elektrisch ungeladene Neutronen. Sie spielen für den Aufbau des Periodensystems keine Rolle. Wie schwer und wie groß ist ein Atom? Da die Masse der Elektronen an der Gesamtmasse der Atome nur einen geringen Anteil hat, sind die Massen von Protonen und Neutronen maßgeblich für die Atommasse (früher auch Atomgewicht genannt). Bezeichnungen im PSE Atommassen Die atomare Masseneinheit u ist eine Einheit der Masse. Sie wird bei der Angabe von Atom- und Molekülmasse verwendet. Einheitenzeichen: u oder amu (atomic mass unit). 1 u hat den Wert -27 1,6605 · 10 kg und ist gleich 1/12 der 12 Masse eines CIsotopes, d. h. 1 u entspricht in etwa der Masse eines Protons bzw. Neutrons, noch weiter vereinfachend der Masse eines Wasserstoff-Atoms. Die Werte für alle Elemente sind im Periodensystem der Elemente (PSE) gelistet. Die unterschiedliche Atomstruktur bedingt auch eine unterschiedliche Größe der Atome. Die winzigen Größenordnungen überfordern aber jedes menschliche Vorstellungsvermögen. Nur durch millionenfache Vergrößerung und modellhaften Vergleich gelangt man zu einer gewissen Anschaulichkeit. Innerhalb eines Atoms sind die Größenverhältnisse ebenso erstaunlich. Zwischen dem Kerndurchmesser und Atomdurchmesser besteht ein Verhältnis von 1:10 000 bis 1:100 000. Der Innenraum eines Atoms ist praktisch leer. Stellt man sich den Kern in der Größe eines Streichholzkopfes mit 3 mm Durchmesser vor, so muss das Atom als Kugel mit mehr als 320 m Durchmesser gesehen werden. Die Elektronen bewegen sich in einem Radius von ca. 150 m um den Kern. Ihre Bahnen um den „Streichholzkopf" lägen in einer Kugelschale, in der ein Gebäude wie der Eifelturm mit 324 m Höhe Platz fände. Beispiel: Ein Eisenatom wiegt durchschnittlich 55,845 u bzw. -26 9,27 · 10 kg (0,000 000 000 000 000 000 000 000 09 27 kg). m(Fe) = 55,845 u = 9,27 · 10 26 kg. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 7 von 26 ___ Kleinste Welt Nanoteilchen Moleküle und chemische Verbindungen Ein Molekül ist der kleinste Teil einer chemischen Verbindung. Das Wort stammt vom lateinischen Wort molecula, was übersetzt "Kleine Masse" heißt. Nur selten kommen Atome einzeln vor. Meistens schließen sich zwei oder mehrere Atome zu einem Atomverband, zu Molekülen, zusammen. Nur Millionstel Millimeter (Nanometer) große Partikel spielen eine zunehmende Rolle als Werkstoffe. Auf dieser Ebene entwickeln sie neue interessante Eigenschaften. Die Gase Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff treten zum Beispiel normalerweise nur als zweiatomige Moleküle H2, 02 bzw. N2 auf. Die Elektronen der beteiligten Atome bilden eine gemeinsame Elektronenhülle, durch die das Molekül zusammengehalten wird. Die meisten Moleküle setzen sich jedoch aus verschiedenen Elementen zusammen. Beispiele hierfür sind Wasser (H2O) und Methan (CH4). Dabei entsteht ein Stoff mit völlig neuen Eigenschaften – eine chemische Verbindung. Kunststoff mit Silberplättchen. Mit Eisenoxid überzogene Aluminiumplättchen Würfel aus Metallen und organischen Stoffen Carboneisen-KombiWerkstoff (Aufnahmen: Chemiekonzern BASF AG in Ludwigshafen) Die Ursache der gegenseitigen Bindung fremder Atome in einer chemischen Verbindung liegt in dem Bestreben der Atome, in der Anordnung ihrer Elektronenhülle einen möglichst ausgeglichenen Energiezustand zu erreichen. Dabei geben einige Grundstoffe Elektronen ab, während andere Elektronen aufnehmen, wodurch elektrisch geladene Ionen entstehen. Bei Abgabe von Elektronen wird aus dem elektrisch neutralen Atom ein positiv geladenes Ion. Nimmt ein Atom dagegen ein oder mehrere Elektronen auf, so wird es zum negativ geladenen Ion. Die Anziehung der entgegengesetzten Ladungen führt zur lonenbindung; Moleküle entstehen! Für die Eigenschaft der chemischen Verbindung ist die Anordnung der Atome in den Molekülen von elementarer Bedeutung. So unterscheiden sich trotz gleicher Anzahl von Wasserstoffatomen (H), Sauerstoffatomen (O) und Kohlenstoffatomen (C) die chemische Verbindungen Ethanol (H3C– CH2–OH) und Dimethylether (H3C–O–CH3) deutlich voneinander, denn beide Stoffe haben völlig andere Eigenschaften. Während Ethanol, in der Umgangssprache Alkohol oder Spiritus genannt, nicht nur als Genussmittel, sondern auch zur Desinfektion in der Medizin, als Lösungsmittel in der Industrie und sogar als Biokraftstoff verwendet wird, dient Dimethylether in erster Linie als Treibgas für Haarsprays und Lacksprays. Es sind also durch die unterschiedliche Anordnung der Atome in den Molekülen auch zwei völlig unterschiedliche Substanzen. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 8 von 26 ____ Was bedeutet Metallurgie? Die Metallurgie ist eine übergreifende Wissenschaft und betrifft Teile der Geologie, der Chemie und natürlich die Werkstoffwissenschaften. Sie beschäftigt sich in der Praxis mit Suche und Abbau von Rohstoffen (Mineralien und Erze), deren Aufbereitung und Verhüttung zu Metallen und deren weiteren Veredelung (Reinheit und Zusammensetzung von Legierungen) und stellt der Industrie die Werkstoffe als Halbzeuge zur Verfügung. Elemente Häufigkeit der Elemente in der Erdhülle Sauerstoff Silizium Aluminium Eisen Calcium Natrium Magnesium 49,4% 25,8% 7,57% 4,7% 3,4% 2,64% 1,94% Wasserstoff Titan Chrom Kupfer Zink Lithium Wolfram 0,88% 0,41% 0,019% 0,01% 0,01% 0,006% 0,006% Zinn Blei Nickel Quecksilber Silber Gold Platin 0,003% 0,002% 0,001% 0,00004% 0,00001% 0,0000005% 0,0000005% Die Erde ist eigentlich ein Eisenplanet. Interessant ist dabei die Verteilung des Eisens auf und in der Erde: Masse Eisenanteil (%) Eisenanteil (kg) Erde total 5,974 × 10 24 28,18% 16,8 × 10 kg Erdkruste 0,014 × 10 24 4,7% 0,66 × 10 kg Erdmatel 4,08 × 10 24 5,8% 2,37 × 10 kg Erdkern 1,88 × 10 24 79,4% 14,9 × 10 kg Fragen zum Überlegen: Was sind Grundstoffe (Elemente)? Wie viele sind bis heute bekannt? Wie viele Metalle und wie viele Nichtmetalle gibt es unter den Grundstoffen? Nennen Sie sechs Metalle und Nichtmetalle mit ihren Namen und chemischen Symbolen! Von wem und in welchem Sinne wurde der Begriff „Atom" zuerst verwendet? Wie heißen die drei wichtigsten am Atomaufbau beteiligten Elementarteilchen? Welche elektrische Ladung besitzen sie? 23 23 23 23 Nur wenige Metalle kommen in der Natur gediegen vor, also chemisch ungebunden, z.B. Gold und Silber: Sie sind Edelmetalle, die nur schwach (wenn überhaupt) mit anderen Elementen reagieren und praktisch nicht korrodieren. Um das reine Metall zu gewinnen, muss man es „nur noch“ von Verunreinigungen trennen oder ausschmelzen. Die meisten Metalle kommen in der Natur dagegen nur gebunden vor, also in Verbindung mit anderen Elementen, meistens Sauerstoff und Schwefel. Diese Verbindungen werden entweder Mineral oder Erz genannt. Zeichnen Sie ein Schema vom Aufbau des Kohlenstoffatoms C. Nennen Sie die Anzahl der beteiligten Elementarteilchen! Erklären Sie an einem Beispiel die Unterschiede zwischen einem physikalischen Gemenge und einer chemischen Verbindung! In welcher Weise sind die Elektronen für das chemische Verhalten eines Grundstoffes verantwortlich? Wodurch unterscheidet sich ein „Ion" von einem „Atom"? Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 9 von 26 ___ Metalle Edelmetalle Eine Gruppe von Metallen, die an der Luft nicht wesentlich oxidieren (sich mit Sauerstoff verbinden, rosten), nur schwer chemische Verbindungen eingehen und deshalb als Werkstoff für bestimmte technische Zwecke und für Schmuck besonders geeignet sind. Minerale und Erze Ein Mineral wird Erz genannt, wenn der Abbau und die Verarbeitung gewinnbringend erscheinen. Je nach Begleitelement kennt man oxidische, sulfidische und carbonitische Erze. Hier eine kleine Übersicht: Gruppe Oxide Sulfide Carbonate Formel Chem. Name Mineral Al2O3 × 2 H2O Aluminiumoxid Bauxit Fe3O4 Eisen (II,III)-oxid Magnetit SnO2 Zinn (IV)-oxid Zinnstein FeS2 Eisen (III)-Sulfid Pyrit ZnS Zinksulfid Zinkblende PbS Bleisulfid Bleiglanz FeCO3 Eisencarbonat Spateisenstein MnCO3 Mangancarbonat Manganspat PbCO3 Bleicarbonat Gold Schwermetalle Metalle mit einer Dichte von mehr als 4,5 Gramm pro Kubikzentimeter. Blei Leichtmetalle Metalle mit einer Dichte von weniger als 4,5 Gramm pro Kubikzentimeter. Eisenerz Magnetit Fe3O4 Aluminium Weißbleierz Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 10 von 26 ____ Erzverarbeitung am Beispiel von Eisenerz Metalle Anreichern Unter Anreichern ist das Trennen von erzhaltigen und mineralischen Gesteinen (der sogenannten Gangart) zu verstehen. Die Roheisengewinnung wird durch einen hohen Anteil an mineralischen Bestandteilen erschwert. Diese müssen mit hohem Energieaufwand gemeinsam mit dem Erz geschmolzen werden. Durch das Anreichern können auch Erze mit weniger Eisengehalt wirtschaftlich verhüttbar werden. Das Anreichern kann auf verschiedene Arten erfolgen. Zum Verständnis sind einige Methoden nachstehend beschrieben. Magnetscheidung von Eisenerzen Das erzlose taube Gestein wird bei diesem Verfahren magnetisch vom eisenhaltigen Gestein getrennt. Magnetit, auch Magneteisenstein, ist gut magnetisierbar. Verfahrenstechnisch genügen Schwachmagnetfelder von Permanentmagneten (Dauermagneten). Das Erz muss zum Trennen auf Korngrößen von 0,01 ... 2mm vermahlen werden. Hämatit, auch Roteisenstein, ist ein schwach magnetisierbares Erz. Dieses wird auf Korngrößen von 0,02 ... 1mm vermahlen und mit Starkmagnetfeldern von Elektromagneten getrennt. Sind die Magnetfelder stark genug, können auch Titan-, Chrom-, Mangan- und Nickelverbindungen von der Gangart getrennt werden. Nassaufbereitung von Eisenerzen: Die das Metall enthaltene chemische Verbindung (Oxid, Sulfid) ist schwerer als die Gangart. Zur Trennung wird eine bestimmte Flüssigkeit bereitet, in welcher die Gangart schwimmt und das schwere, haltige Erz nach unten sinkt. Magneteisenstein Aufgrund seines hohen Eisenanteils von bis zu 72,4 % und seines starken Magnetismus gehört Magnetit zu den wichtigsten Eisenerzen. Das Mineral kommt weltweit gesehen zwar eher selten vor, bildet aber bei lokaler Anhäufung große Erzlagerstätten. Roteisenstein Hämatit enthält im reinen Zustand 70 % Eisen und ist das wichtigste Eisenerz. Insgesamt konnte das Mineral auf der Erde an über 9000 Fundorten nachgewiesen werden. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 11 von 26 ___ Metalle Flotation (Schwimmaufbereitung) Eisenverhüttung Bei dieser Methode wird die Eigenschaft von Wasser ausgenutzt, dass sich nicht alle Stoffe gleich benetzen lassen. Dieses Verhalten kann durch Chemikalien noch verstärkt werden. Eisenerz wird im Tagebau und im Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Das fein gemahlene Erz wird durch das Rührwerk im Wasser in Schwebe gehalten. Von unten wird Luft eingeblasen. Die aufsteigenden Luftbläschen tragen die vom Wasser nicht benetzten Teilchen nach oben. An der Oberfläche bildet sich durch Chemikalien Schaum, welcher die Teilchen festhält. Der Schaum kann mit den Teilchen abgezogen werden. Rösten Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika, besonders Brasilien, im Westen Australiens, in der Volksrepublik China, in Osteuropa (Ukraine) und Kanada auf diese Weise abgebaut. Rösten ist das Erhitzen der gemahlenen Erze unter geregelten Luftzutritt. Je nach Erz hat das Rösten verschiedene Aufgaben: Von allen Wirtschaftssektoren setzt die Eisen- und Stahlindustrie am meisten CO2 frei. Das liegt an der Größe dieses Wirtschaftsbereichs und dem enormen Energieverbrauch beim Abbau und Transport von Eisenerz, dem Schmelzen in Hochöfen und der Verarbeitung von Eisen zu Stahl. Aufgrund seines Sulfide werden geröstet um sie in Oxide zu überführen. Der Schwefel verbrennt zu Schwefeldioxid (SO2). Dieses wird zu Schwefelsäure weiterverarbeitet. Spateisenstein wird zu Roteisenstein geröstet. Magneteisenstein und Roteisenstein werden geröstet um sie rissig zu machen. Dadurch wird der Hochofenprozess begünstigt. Durch das Rösten wird SO2, CO2 und auch Wasser ausgetrieben. Dadurch sinkt das Gewicht der Erze um bis zu 30%. Wird das Erz am Fundort geröstet können die Frachtkosten zum Hüttenwerk erheblich reduziert werden. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 12 von 26 ____ Herstellen der günstigsten Korngrösse Sieben und Brechen Das Anreichern und das Verhütten verlangen bestimmte Korngrößen. Staub und Feinerze müssen abgesiebt, große Brocken zerkleinert werden. Für den Hochofenprozess haben sich Korngrößen mit ca. 30mm als günstig erwiesen. Stückigmachen Feinerze müssen zum Verhütten, damit sie den Hochofen nicht verstopfen, auf ein bestimmte Körnigkeit gebracht werden. Metalle Eisen spezial Das durchschnittliche Eisenatom hat etwa die 56-fache Masse eines Wasserstoffatoms. Sintern Beim Sintern werden das Eisenerz und die Zuschläge, der sogenannte Möller, in unterschiedlich große Stücke zusammengebacken. Dieser Vorgang läuft im ersten Teil der Sinteranlage auf dem sogenannten Sinterband ab. Das Sinterband ist ein umlaufender, durchlässiger Ofenrost, auf dem das gemischte Sintergut in einer Höhe von ca. 0,5 m aufgeschichtet ist. Ein Zündbrenner von oben und durchgesaugte Luft von unten bewirken, dass das grobpulverige Feingut vom Mischbett bei Temperaturen von 900 ... 1350°C von oben nach unten wie beim Rauchen einer Pfeife gebrannt und zusammengebacken, eben gesintert, wird. Es entstehen poröse gasdurchlässige Stücke. Diese lassen sich sehr gut reduzieren. Pelletisieren (pellet (engl.) = Kügelchen) Pelletisieren hat sich für Feinerze mit Korngrößen unter 0,2mm als günstig erwiesen. Die Feinerze werden bei diesem Verfahren mit bindenden Stoffen gemischt und zu Pellets gerollt. Die weichen Pellet müssen in Schacht- oder Drehöfen gesintert werden, damit sie den hohen Druck des Gewichts im Hochofen standhalten. Kleiner geht es nimmer: Dieser magnetische Datenspeicher (Illustration) besteht aus nur zwölf Eisenatomen in zwei Reihen. Der Atomblock, den Forscher nun konstruiert haben, lässt sich durch einen Stromstoß zwischen zwei Magnetzuständen umschalten (+/-). Stahlproduktion Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 13 von 26 ___ Metalle Aufbau des Hochofens Dimensionen Eisenverhüttung Der Hochofen ist ein "Schachtofen" mit einer Höhe von 25-30 m, einem Durchmesser von rund 15 Metern und einer Höhe von bis zu 80 m. Der Ofen ist mit feuer-festem Steingut ausge-kleidet wird permanent mit Wasser gekühlt. Hochreines (99,97 %+) elektrolytisch hergestelltes Eisen. Mittlere Öfen haben eine Tagesleistung von 6000 t, große bis zu 14000 t Roheisen pro Tag. Impressionen der Eisenverhüttung Die Ofenreise Der Hochofen ist 10 Jahre ununterbrochen in Betrieb und während dieser Zeit setzt er sich mehr und mehr mit Asche und Schlacke zu. Am Ende der "Ofenreise" sind umfangreiche Reparatur- und Modernisierungsmaßnahmen fällig - die feuerfeste Verkleidung wird komplett erneuert, und der Hochofen auf den neuesten Stand der Technik gebracht. Reduktion Die Hauptaufgabe des Hochofenprozesses besteht in der Reduktion der Eisenerze. Die Reduktion ist eine chemische Reaktion, bei welcher der im Erz gebundene Sauerstoff entfernt wird. Als Reduktionsmittel dient zum einen der Koks, zum anderen das Kohlenstoffmonoxid, das im Hochofen bei der Verbrennung des Kokses entsteht. Man unterscheidet zwischen der direkten Reduktion und der indirekten Reduktion des Erzes. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 14 von 26 ____ Eisengewinnung Bei der direkten Reduktion existiert ein direkter Kontakt zwischen der Koksund Erzbeschickung in den heißen Zonen des unteren Hochofenschachtes. Bei der indirekten Reduktion erfolgt die Reduktionsreaktion durch Kohlenstoffmonoxid, einem Gasbestandteil im Hochofen. Es entsteht bei der Verbrennung des Kokses mit heißer Luft, dem sogenannten Heißwind. Der Heißwind aus den Winderhitzern wird mit Hilfe von gekühlten Düsen, die als "Blasformen" bezeichnet werden, in den oberen Bereich des Gestells unterhalb der Rast eingeblasen. Der Hochofen arbeitet nach einem Gegenstromprinzip. Von unten wird zunächst Heißluft in den Ofen eingeblasen. Diese reagiert mit dem Koks, wobei Reduktionsgase entstehen, die im Hochofen nach oben strömen. Das Gas wird als Gichtgas bezeichnet. Elektroofen Dillinger Stahlwerke Die Beschickung des Hochofens mit den Einsatzstoffen (Erz, Möller und Koks) läuft dem Gasstrom von oben nach unten entgegen. Bei Temperaturen zwischen 1200 °C und 1400 °C tropft zunächst das reduzierte, metallische Roheisen aus den Lagen der Beschickung in den Unterofen. Bei erhöhten Temperaturen folgen die Kalkschlackenanteile. Das erschmolzene Roheisen und die spezifisch leichtere Schlacke, die auf dem Roheisen schwimmt, sammeln sich dann dort unten im Hochofengestell. Will man aus Eisenerz (Eisenoxid) reines Eisen gewinnen, benötigt man einen Stoff, der dem Eisenoxid die chemisch gebundenen SauerstoffAtome wegnimmt. Hierfür eignet sich jeder Stoff, der sich lieber mit Sauerstoff verbindet. Dies sind alle Metalle, die bei der Oxidation mit Sauerstoff ein geringeres Normalpotenzial als das Eisen besitzen. Aber auch Kohle besitzt diese Eigenschaft. Nach dem heutigen Verständnis der Chemie ist jede chemische Reaktion, bei der Elektronen aufgenommen werden, eine Reduktion. Als Rohstoffe eignen sich Eisenerze, die Hämatit, Limonit oder Magnetit enthalten, sie sind stets mit Begleitmineralien, der Gangart, verunreinigt. Beim Pelletieren werden Erze wie das Roteisenerz mit einem Bindemittel versetzt und zu kleinen Pellets geformt. Beim Sintern nimmt man bereits eine Vorreduktion vor. Das Erz wird teilweise auch mit Kalk vermischt und beim Verbrennen von Koks zu porenreichem Sinter verarbeitet. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 15 von 26 ___ Eisengewinnung Der Hochofen wird oben immer abwechselnd mit einem Gemisch aus Erz und Kalk (= Möller) und mit Koks beschickt. Im äußeren Mauerwerk befinden sich Hohlräume, durch die ständig Wasser zur Kühlung fließt. Im unteren Bereich münden Düsen in den Hochofen. Durch diese wird unter Druck bis zu 1200°C heiße Luft in den Hochofen geblasen. Die heißen Abgase verlassen den Hochofen im oberen Teil. Dieser wird auch Gicht genannt. Durch die leicht nach unten verbreiterte Form kann das oben zugegebene Material ständig nachrutschen. Je höher die Temperatur ist, umso mehr dehnt sich das Material aus. Die über die Ringleitungen zugeblasene Heißluft strömt im Gegenstromprinzip an dem nachrutschenden Möller und Koks vorbei. In der Schmelz- und Verbrennungszone reagiert der zugefügte Koks mit der Heißluft. Bei dieser exothermen Reaktion wird auch Wärme freigesetzt, die zum Aufheizen des Ofens genutzt wird. Es entstehen Temperaturen von bis zu 2000°C. Veredelung des Roheisens nach dem Sauerstoffblasverfahren Roheisen aus dem Hochofen ist mit bis zu 10% an Fremdstoffen verunreinigt und besitzt einen viel zu hohen Kohlenstoffgehalt. Außerdem ist es spröde und nicht schmiedbar. Zu reines Eisen wäre aber wieder zu weich, daher wird bei der Stahlherstellung nur ein Teil der Verunreinigungen entfernt. Hochofen-Produkte Ein riesiger Behälter, der sogenannte Konverter, wird zu etwa 70% mit flüssigem Roheisen und zu 30% mit Stahlschrott befüllt. Ein einziger Konverter kann bis zu 400 Tonnen an Material fassen. Beim Frischen bläst man bis zu 20 Minuten lang reinen Sauerstoff auf die Schmelze. Dabei wird der Kohlenstoffgehalt auf etwa 2% gesenkt, wobei der Sauerstoff mit den Verunreinigungen reagiert: Schwefel Phosphor Kohlenstoff Silicium + + + + Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff Sauerstoff Schwefeldioxid Phosphorpentoxid Kohlenstoffdioxid Siliciumdioxid Nach dem Blasvorgang wird die weißglühende Schmelze von der Schlacke getrennt und in Formen gegossen. In einem Ofen lässt man den Stahl bis zur Rotglut abkühlen. Der rotglühende Stahl wird in einem Walzwerk in mehreren Arbeitsgängen zu Schienen, Blechen oder Stahlträgern gewalzt. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 16 von 26 ____ Die Metalle - Das Wichtigste in Kürze Wir unterscheiden drei Hauptgruppen, nämlich: Edelmetalle Schwermetalle Leichtmetalle. Edelmetalle Edelmetalle sind besonders korrosionsbeständig. Gold und Silber, sind deswegen seit dem Altertum zur Herstellung von Schmuck und Münzen in Gebrauch. Im Laufe der letzten vier Jahrhunderte wurde Platin entdeckt, das eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie Gold zeigt. Metall Bild Zeichen Eigenschaften Verwendung Gold wird als Schmuckmetall sowie in der Elektronik und in der Zahnmedizin verwendet. Darüber hinaus hat es als Währungsmetall große Bedeutung. Gold Au, 79 Gelb glänzendes, ziemlich weiches und sehr dehnbares Edelmetall. Iridium Ir, 77 Silberweißes, sprödes und sehr hartes Edelmetall. Wird zur Herstellung von Elektroden, elektrischen Kontakten und Füllfederspitzen sowie von Schalen und Tiegeln für chemische Zwecke verwendet. Os, 76 Das schwerste aller Metalle und das schwerste natürlich vorkommende Element auf der Erde. Kommt in Industriekatalysatoren und als Kontrastmittel für die Arbeit mit Elektronenmikroskopen zum Einsatz. Es wird in Legierungen mit Platin für elektrische Kontakte und mit Iridium für Füllfederspitzen verwendet. Palladium Pd, 46 Silberweißes, schmiedbares Edelmetall mit der ausgeprägten Eigenschaft, Wasserstoff aufzunehmen. Palladium wird als Katalysator bei Hydrierungen, zur extremen Reinigung von Wasserstoff, als Überzugsmetall auf Schmuck sowie als Legierungsmetall verwendet. Platin Pt, 78 Grauweiß glänzendes, ziemlich weiches und dehnbares Edelmetall. Platin wird für Schmuck, für elektrische und medizinische Geräte sowie für Katalysatoren verwendet. Hg, 80 Silberglänzend, bei 20° C flüssig, Dämpfe sehr giftig. Es gehört zu den seltensten Elementen der Erde. Quecksilber wird zur Füllung von Thermometern und Manometern, als Sperrflüssigkeit für Gase sowie zur Gewinnung von Gold verwendet. Rh, 45 Silberweißes, dehnbares Edelmetall, das in allen Säuren unlöslich ist. Rhodium wird wegen seiner chemischen Resistenz für Spezialtiegel, für hauchdünne Überzüge von Spiegeln, für medizinische Geräte sowie als Katalysator verwendet. Ru, 44 Silberweißes, sehr hartes und sprödes Edelmetall, das sehr selten ist. Ruthenium wird zur Herstellung feuerfester keramischer Farbstoffe und als Legierungsbestandteil für Füllfederspitzen und Spinndüsen verwendet. Ag, 47 Weiß glänzend, polierfähig, weich und sehr dehnbar. Bester metallischer Wärme- und elektrischer Stromleiter. Silber wird zur Herstellung von Schmuck, Münzen und Bestecken sowie von wissenschaftlichen und chirurgischen Instrumenten verwendet. Außerdem kommt es als Katalysator und in der Fotochemie zum Einsatz. Osmium Quecksilber Rhodium Ruthenium Silber Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 17 von 26 ___ Fragen zum Überlegen: In welche Wertschöpfungsstufe gehören die folgenden 5 Fertigungsverfahren: Gießen, Walzen, Strangpressen, Schmieden, Sintern? Welches waren die entscheidenden Voraussetzungen für die Entwicklung des Formgießens im Altertum? In welchen Ländern und Kontinenten, in welcher Reihenfolge, wurden erstmals Gießereitechnologien eingesetzt? Welcher metallischer Werkstoff wurde als erster vergossen. Warum? Welche Gießverfahren wurden zuerst in der Vergangenheit genutzt? Warum? Von flüssig nach fest; Gießen wird in jedem Anwendungsbereich eingesetzt. Überlegen Sie sich, wo Gussteilarten in unterschiedlichen Lebens- und Industriebereichen zur Anwendung kommen. Was sind die drei wesentlichen Kristallorientierungen (Gitterformen) von Metallen? Schwermetalle In der Technik fallen unter den Begriff Schwermetall alle NE-Metalle und deren Legierungen mit einer Dichte über 5 g/cm³. Zu den „Schwermetallen“ werden üblicherweise unter anderem die Edelmetalle sowie Bismut, Eisen, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Nickel, Cadmium, Chrom und Uran gerechnet. Der Abbau von „Schwermetallen“ geht häufig mit einer hohen Belastung der Böden einher. Pechblende (Uraninit) mit farbigen, uranhaltigen Verwitterungsprodukten. Leichtmetalle Als Leichtmetalle werden allgemein Metalle und Legierungen bezeichnet, deren Dichte unter 5 g/cm³ liegt. Alle anderen Metalle sind Schwermetalle, von denen Europium mit einer Dichte von 5,244 g/cm³ das leichteste ist. Im technischen Bereich sind vor allem Aluminium, Magnesium, Titan sowie in geringem Umfang Beryllium und Lithium im Gebrauch - sowie weitere Elemente als Legierungselemente in geringer Konzentration. Die Verarbeitung metallischer Werkstoffe erfolgt bei Leichtmetallen grundsätzlich wie bei anderen Metallen auch. Siebzig der 94 natürlich in der Erdkruste vorkommenden Elemente sind Metalle. Die meisten Metalle sind von silbern-weißgrauer Farbe, einige wie z.B. Gold oder Messing zeigen gelbliche Farbe, Kupfer kommt rötlich daher. Den meisten Menschen unbekannt ist, dass Metalle auch von ganz anderer Farbe sein können Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 18 von 26 ____ Wichtige Stoffe, die Metalle beeinflussen Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff Wasser Für alle Lebewesen ist das Wasser eine lebensnotwendige Voraussetzung. Von den 510 Millionen km2 Erdoberfläche sind 360 Millionen km2 vom Wasser bedeckt. Das sind 70% der Erdoberfläche. Die Lebewesen bestehen durchschnittlich zu 70% aus Wasser. Außer dem Salzwasser der Meere ist auch das Wasser auf dem Festland nicht rein, sondern enthält aufgelöste Mineralien. Es sind hauptsächlich Kalzium- und Magnesiumsalze, durch die das Wasser seine Härte bekommt. Chemisch reines Wasser muss in besonderen Verfahren hergestellt werden. Das älteste Verfahren ist die Destillation. Dabei wird Wasser verdampft und in einem Kühler wieder kondensiert. Es hat die lateinische Bezeichnung aqua destillata = destilliertes Wasser. Wasser ist eine chemische Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff: Ein Molekül Wasser besteht aus 2 Atomen Wasserstoff und 1 Atom Sauerstoff. Es hat die chemische Formel: H2O. Wasser Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 19 von 26 ___ Fragen zum Überlegen: Aus welchen Grundstoffen besteht ein Wassermolekül? Wie lautet die chemische Formel! Durch welche Stoffe erhält das Wasser seine „Härte"? Welche Eigenschaften hat Sauerstoff? Woher stammt der Sauerstoff in der Erdatmosphäre? Wie viel Prozent Sauerstoff hat die Erdatmosphäre? Was ist der größte Anteil der Luft, die wir atmen? Was ist eine Oxidation? Erklären Sie den chemischen Vorgang einer Verbrennung! Welcher chemische Vorgang wird als Reduktion bezeichnet? Was sind Reduktionsmittel? Welcher Stoff dient im Hüttenprozess als Reduktionsmittel? Was ist schwerer: Wasserstoff oder Sauerstoff? Wie viel Prozent der Erdoberfläche sind mit Wasser bedeckt? Was ist Rost? Was ist ein Metalloxid? Wasserstoff (Hydrogenium, H). Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Bei der Verbrennung an der Luft bildet er mit Sauerstoff Wasser Er ist das leichteste Gas. 1 Liter H, wiegt rund 0,09 g, er ist 14%mal leichter als die Luft. Infolge dieser Leichtigkeit hat Wasserstoff großen Auftrieb, und man verwendet ihn daher zum Füllen von Ballons. Wasserstoff bildet einen Hauptbestandteil des normalen Stadtgases. Reiner Wasserstoff kommt wie Sauerstoff in Stahlflaschen in den Handel; Kennfarbe: rot. Entzündet man ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft), so erfolgt die Verbrennung mit lautem Knall. Daher nennt man ein solches Gemisch Knallgas. Die heftige Reaktion beruht darauf, dass eine größere Gasmenge in kürzester Zeit schlagartig verbrennt. Sauerstoff (Oxygenium, 0). Sauerstoff kommt in der Natur nicht nur als chemischer Bestandteil des Wassers, sondern in Verbindung mit fast allen übrigen Elementen und als wichtiger Bestandteil der Luft vor. Auf Sauerstoff entfallen ca. 21% und auf Stickstoff ca. 79% des Luftvolumens. Noch größer ist der Anteil des Sauerstoffes an der Zusammensetzung der Erdrinde, die bis etwa 16 km Tiefe zur Hälfte aus chemisch gebundenem Sauerstoff besteht. Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, 1,1mal so schwer wie Luft- Sauerstoff ermöglicht und fördert die Verbrennung, ist aber selbst unbrennbar. Der Mensch atmet Luft ein, um leben zu können. Eigentlich benötigen wir aber nur den Sauerstoff (als Moleküle, O2), der — zusammen mit viel mehr Stickstoff (N2) und kleinsten Mengen weiterer Gase — in der Luft enthalten ist. Die technische Gewinnung des Elements erfolgt meistens im Linde-Verfahren. Dabei wird Luft durch starke Abkühlung verflüssigt. Erwärmt sie sich wieder, so verdampft bei -196 °C der Stickstoff, und reiner Sauerstoff bleibt flüssig zurück, er siedet erst bei -183 °C. Der Sauerstoff kommt in druckfesten Stahlflaschen (gasförmig) in den Handel. Kennfarbe für Sauerstoff: blau. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 20 von 26 ____ Oxidation und Reduktion Oxidation und Reduktion Oxidation Bei normaler Temperatur verlieren viele Metalle an der Luft ihren Glanz: Blei läuft dunkelgrau an, Kupferblech wird bräunlich, Zinkblech bildet eine grauweiße Schicht, und Eisen überzieht sich bei gleichzeitiger Einwirkung von Feuchtigkeit mit rotem Rost. Schema Die Metalle haben sich an ihrer Oberfläche mit Sauerstoff chemisch verbunden. Die chemische Vereinigung eines Stoffes mit Sauerstoff nennt man Oxidation. Der neugebildete Stoff heißt Oxid. Glüht man ein Metall oder schmilzt es, so vollzieht sich die Oxidation wesentlich schneller. Das beim Glühen entstandene Oxid nennt man bei Stahl und Kupfer Zunder oder Hammerschlag. Kupferne Lötkolben überziehen sich mit einer dicken dunklen Oxidschicht, die bei Abkühlung abplatzt und zu Metallverlust führt. Bei Blei, Zink und Aluminium sind die Oxidschichten sehr dicht und haften fest auf der Metalloberfläche. Sie halten den Sauerstoff fern und schützen dadurch das darunterliegende Metall vor weiterer Oxidation und Zerstörung. Eine Oxidation, die schnell und unter Feuer- und Lichterscheinung verläuft, nennt man Verbrennung. Die festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Damit die Verbrennung vollständig ist, muss immer genügend Sauerstoff herangeführt werden, Kohlenstoff (Carboneum, C) verbrennt bei ausreichender Luftzufuhr zu Kohlendioxid: CO2. Fehlt der nötige Sauerstoff, so ist die Verbrennung unvollständig, und es entsteht das sehr giftige Kohlenmonoxid: CO. Da das CO-Gas noch brennbar ist, ist eine Verbrennung mit höherem CO-Gehalt der Abgase ein Zeichen für einen ungünstigen Wirkungsgrad der Verbrennungsanlage. Außerdem stellt das entweichende CO-Gas eine gesundheitliche Gefahr dar. Brennstoffe aus Kohlenwasserstoffverbindungen oxidieren zunächst den leicht brennbaren Wasserstoffanteil der Verbindungen zu Wasser. Bei Sauerstoffmangel bleibt der Kohlenstoff unverbrannt übrig und führt zum Rußen. Bei vollständiger Verbrennung darf nur Wasserdampf und CO2-Gas entstehen. Rost (Eisen) Rost (Eisen) Kupfer-Patina Oxidiertes Silber Schutz vor Oxidation durch Oberflächenbehandlung Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 21 von 26 ___ Van Gogh Farbprobe vom Vincent van GoghBild „Bank der Seine“. UV-Licht verwandelt sattes Gelb relativ schnell in ein Schokobraun. Reduktion Die Metalle werden in der Natur meistens als Oxide (Erze) gefunden. Um das reine Metall zu gewinnen, muss man aus dem Metalloxid den Sauerstoff ausscheiden. Die Entziehung von Sauerstoff aus einer Sauerstoffverbindung bzw. aus einem Oxid nennt man Reduktion (Zurückführung). Oxidation und Reduktion sind entgegengesetzte Vorgänge. Um das chemische Rätsel zu lösen, griff man zunächst auf die Reste fast 200 Jahre alter Chromgelb-Farbtuben zurück. Bei Bestrahlung der Farbe mit UV-Licht zeigte sich, dass sie sich an der Oberfläche relativ schnell in ein Schokobraun verwandelte. Das wiederum war einer chemischen Reduktion von Cr(VI) in CR(III) geschuldet, wie die Forscher im Fachblatt Analytical Chemistry berichten. Van Gogh hat solche giftigen Chromfarben noch verwendet und sie außerdem noch mit Weiß gemischt, was zusammen mit Lichteinwirkung zur Verdunkelung führte. Einige Metalloxide lassen sich mit Hilfe anderer Metalle, die leicht Sauerstoff an sich binden reduzieren; dies sind meist aufwändige und teure Prozesse. Eindrucksvolles Beispiel einer Redoxreaktion zu Beginn des Starts eines Space Shuttle mit der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff in den Haupttriebwerken. Etliche Metalloxide lassen sich auch unter Beimischung von Kohlenstoff reduzieren. Dieses Reduktionsmittel hat eine so große Affinität (Verwandtschaft) zum Sauerstoff, dass dieser bei hoher Temperatur das Metall verlässt, um sich mit dem Kohlenstoff zu verbinden. Bei der technischen Gewinnung von Eisen, Kupfer, Zink, Blei und Zinn aus ihren Erzen verwendet man Koks als Reduktionsmittel. Säuren und Laugen Säuren Säuren entstehen, wenn sich die Oxide von Nichtmetallen in Wasser auflösen. So liefert Schwefel die Schwefelsäure, Phosphor die Phosphorsäure, Kohlenstoff die Kohlensäure und Stickstoff die Salpetersäure. Chlor macht insofern eine Ausnahme, als es unmittelbar mit Wasserstoff die Salzsäure bildet. Säuren haben einen sauren Geschmack, einige sind sehr giftig! Man erkennt sie daran, dass sie das (mit dem Pflanzenfarbstoff Lackmus gefärbte) blaue Lackmuspapier rot färben. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 22 von 26 ____ In Wasser gelöst leiten Säuren den elektrischen Strom. Hierbei erfolgt eine Elektrolyse, bei der sich an der Kathode (dem Minuspol) Wasserstoff und an der Anode (dem Pluspol) der neutralisierte Stoff des Säureanions bilden, bei der Salzsäure z. B. Chlor. An der Kathode erfolgt eine Reduktion (Elektronenaufnahme) und an der Anode erfolgt eine Oxidation (Elektronenabgabe). Starke Säuren, wie z. B. Salz- und Schwefelsäure, verwendet man, um oxidierte Metalle blank zu beizen. Andererseits können diese aber auch durch Säuren zerstört werden. Daher muss man nach dem Beizen oder Löten auf dem Metall verbliebene Säurereste gründlich abwaschen. In Werkstätten freiwerdende Säuredämpfe verursachen schnelles Rosten der Werkzeuge und Maschinen. Säuren sind chemische Verbindungen, die in der Lage sind, Protonen (H+) an einen Reaktionspartner zu übertragen. Säuren greifen besonders unedle Metalle und Kalk an, aber auch alle organischen Materialien (Kleidung, Haut und Augen). Waschanlage für Bänder/Bleche Wässrige Lösungen von Säuren bewirken eine Farbveränderung von Indikatoren, zum Beispiel färben sie blaues Lackmuspapier rot. Die „Gegenspieler der Säuren“ sind die Basen (Basenlösung = Lauge). Sie können Säuren neutralisieren. Auch Basen sind ätzend und greifen viele andere Stoffe an, die mit Säuren nicht unbedingt reagieren. Schwefelsäure, H2SO4. Sie wird aus der schwefligen Säure H2S03 durch Oxidation in großen Mengen technisch hergestellt. Schwefelsäure ist für die Chemie so wichtig wie das Eisen für die Industrie. Die farb- und geruchlose Säure löst schon in verdünntem Zustand fast alle Metalle unter Entwicklung von Wasserstoff auf. Sie ist ein vorzügliches Beizmittel für Bleche und Gegenstände, die mit metallischen Überzügen versehen werden sollen. Verdünnt dient sie u. a. zum Füllen von Akkumulatoren (z.B. Autobatterien). Konzentrierte Säure erhitzt sich beim Mischen mit Wasser sehr stark. Man darf deshalb beim Verdünnen nie das Wasser zur Säure geben. Die einzelnen Wassertropfen erhitzen sich so stark, dass sie plötzlich verdampfen und mit Säureteilchen explosionsartig herausgeschleudert werden. Es gibt starke und schwache Säuren. Chlorwasserstoff ist eine starke Säure und vermischt sich mit Wasser vollständig. Die wässrige Lösung nennt man Salzsäure. Essigsäure ist eine schwächere Säure und vermischt sich mit Wasser nur zum Teil. Säuren kann man mit Wasser verdünnen, dabei wird ihre Wirkung je nach Verdünnung deutlich schwächer. Beim Verdünnen entsteht Wärme. Vor allem beim Verdünnen von konzentrierter Schwefelsäure kann die Säurelösung wegspritzen. Daher gilt: „Zuerst das Wasser, dann die Säure, sonst geschieht das Ungeheure.“ Säuren sind nicht immer Flüssigkeiten sind (z.B. fest: Vitamin C, und Citronensäure; gasförmig: Chlorwasserstoff. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 23 von 26 ___ Kenntnisse der Säuren Wohl die älteste bekannte Säure (lat. acidum) ist Essig (lat. acetum), eine etwa fünfprozentige wässrige Lösung der Verbindung Essigsäure. Salpetersäure, HNO Sie ist gleichfalls eine farblose, an der Luft rauchende Flüssigkeit. Salpetersäure ist nächst der Schwefelsäure die stärkste Mineralsäure. Nur wenige Metalle (Gold und Platin) widerstehen der oxidierenden und lösenden Wirkung dieser Säure. Man kann diese Edelmetalle daher von anderen, z. B. Silber und Kupfer, mit Salpetersäure scheiden, weshalb man die Salpetersäure auch Scheidewasser nennt. Sehr häufig benutzt man Salpetersäure zum Ätzen von Kupfer und Stahl, zum Gelbbrennen von Bronze und Messing. Königswasser 1 Teil konzentrierte Salpetersäure und 3 Teile konzentrierte Salzsäure lösen sogar Gold und Platin, die Könige der Metalle, auf. Säuren waren etwas Essigartiges (oxos od. acidus). In der Alchemie galt Säure als ein Urstoff. Die sauren Eigenschaften basierten auf einer einzigen Ursäure, die in verschiedenen Substanzen zur Wirkung kam. Salzsäure, HCI Salzsäure ist eine saure, ätzende, giftige Flüssigkeit. Rohe Salzsäure (handelsrein) ist von den eisernen Bereitungsgefäßen her durch Eisensalze etwas verunreinigt und dadurch schwach gelb gefärbt. Reine Salzsäure ist wasserklar. Die Salzsäure ist eine Lösung des Gases Chlorwasserstoff (HCl) in Wasser. Konzentrierte Salzsäure ist mit Chlorwasserstoff gesättigt; sie ist etwa 38%ig; 100 g Säure enthalten 38 g Chlorwasserstoff. Salzsäure löst die meisten Metalle auf. Säuren lassen Kalk bzw. Carbonate aufschäumen, haben eine ätzende Wirkung und einen sauren Geschmack. Bis Ende des 13. Jh. waren wohl neben Essig und anderen Pflanzensäften keine Säuren bekannt. Salzsäure auf Kalkstein Man verwendet sie zum Blankbeizen von Metallen- Konzentrierte Salzsäure „raucht": Chlorwasserstoff verdunstet und bildet mit der Luftfeuchtigkeit Nebeltröpfchen. Die Dämpfe riechen stechend, verursachen Atemnot und greifen Metalle an. Kohlensäure (H2CO3) Reaktionsprodukt Kohlenstoffdioxid (CO2) mit Wasser. Die Salze der zweiprotonigen Säure heißen Carbonate bzw. Hydrogencarbonate. Das Gas CO2 ist im Vergleich zu O2 und N2 relativ gut löslich in Wasser und reagiert zu einem geringen Anteil (etwa 0,2 %, je nach Temperatur) zu Kohlensäure. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 24 von 26 ____ Das Gas CO2 wird umgangssprachlich oft ungenau als Kohlensäure bezeichnet. Tatsächlich ist die eigentliche Säure das H2CO3. Sie spielt eine wichtige Rolle im Säure-Basen-Haushalt sowohl des Wassers als auch des Blutes und der Körperflüssigkeiten. Laugen Metalloxide oder die Metalle selbst bilden mit Wasser Laugen (Basen). So liefert das Natrium Natronlauge (NaOH), das Kalium Kalilauge (KOH), das Kalzium Löschkalk (Ca(OH)2). Auch Sodalösung und Salmiakgeist sind Laugen. Heiße Lauge löst Fett und verbindet sich mit ihm zu Seife; diese ist wiederum in Wasser löslich. Daher benutzt man Laugen zum Reinigen und zur Seifenherstellung. Frischer (noch feuchter) Kalk- und Zementmörtel enthält Lauge und greift Kupfer, Zink, Blei und Aluminium an. Gefährdete Metalle müssen durch Bitumenanstrich oder durch Umhüllung mit Bitumenpappe geschützt werden. Bestimmen des Säure- oder Laugengehalts Bestimmte Farbstoffe (Lackmus, Kongorot, Phenolphthatein) reagieren durch Farbänderung auf Anwesenheit von Säure oder Lauge und werden deshalb als Erkennungsmittel (Indikator) verwendet. Je mehr Wasserstoffionen (H+) eine Säure enthält, desto stärker ist sie. Andererseits ist die Zahl der Hydroxidionen (OH-) ein Maß für die Stärke einer Lauge. Zur genauen Angabe des Säure- bzw. Laugengrades bedient man sich des sog. pH-Wertes. Der pH-Wert sagt etwas aus über den Gewichtsanteil der Wasserstoffionen in der untersuchten Lösung. Laugen (Basen) Laugen finden vor allem als Reinigungs- und Waschmittel Verwendung. Sie sind ätzend und haben auf organische Stoffe zerstörende Wirkung (oft stärker als Säuren). Laugen (Base) nehmen von anderen Stoffen Protonen auf. Basen reagieren mit Säuren unter Bildung von Wasser und Salzen. Viele Basen sind in Wasser löslich (z. B. Natriumhydroxid, Ammoniak), jedoch nicht alle. Aus Ölen und Fetten bilden sie Seifen und Glycerin. Es gibt starke und schwache Basen. Basen kann man mit Wasser verdünnen, dabei wird ihre Wirkung je nach Verdünnung deutlich schwächer. Die basischen Lösungen führen zu einer Rötung von Phenolphthalein und färben rotes Lackmus-Papier blau. Es gibt verschiedene Methoden zur Messung des pH-Wertes. Einfach in der Handhabung ist pH-Indikatorpapier, das man in die Lösung eintaucht. Der entstandene Farbumschlag wird mit einer mitgelieferten Farbskala verglichen und der zugehörige pH-Wert abgelesen. Neutrales Wasser hat den pH-Wert 7, unter 7 sind die Lösungen sauer, über 7 sind sie alkalisch. Kleidung, Haut und Augen sind bei Kontakt in Gefahr. Es ist darauf zu achten, eine Schutzbrille zu tragen, da Verätzungen immer vorkommen können. Bilfinger OKI Isoliertechnik GmbH Lehrgang Isolierer – Modul Metallurgie Seite 25 von 26 ___ Portrait: Eisen(III)-oxid Fe2O3 Vorkommen Mineralien Roteisenerz (Hämatit) und Maghemit Molmasse: 159,688 g/mol AGW: 3mg/m3 (TRGS 900) Dichte: 5,25 g/cm3 Schmelzpunkt: +1539 °C Wasserlöslichkeit: unlöslich Deutscher Name Englischer Name Eisen(III)-oxid Iron(III) oxide Rotes Pulver Eigenschaften Eisen(III)-oxid ist nicht wasserlöslich, es ist sehr licht- und wetterfest und beständig gegen Salzsäure. Beim offenen Erhitzen auf über 1200 °C geht es unter Sauerstoffabgabe in Eisen(II,III)-oxid (Fe3O4) über. Mit unedlen Metallen (Aluminium, Magnesium) und mit Wasserstoff erfolgt in einer heftigen Reaktion Reduktion zu elementarem Eisen. Ein Beispiel dafür ist die exotherme Thermitreaktion: Fe2O3 + 2 Al 2 Fe + Al2O3 ΔHR = -852 kJ/mol Herstellung Eisen(III)-oxid wird durch das Mahlen von Roteisenerz und einem anschließenden Reinigungsprozess gewonnen. Man erhält es auch durch das Glühen von Eisen(III)-nitrat oder Eisensulfat und beim Rösten von Pyrit. Verwendung Große Bedeutung hat das Eisen(III)-oxid zur Herstellung von Roheisen im Hochofen. Als Eisenoxidrot wird es als beständiges Pigment für Rostschutzanstriche, Anstrichfarben und zum Färben von Keramik verwendet. Thermitmischungen für das Thermitschweißen enthalten ebenfalls Eisen(III)-oxid. Es ist als Lebensmittelzusatzstoff (E 172) zugelassen und eignet sich zum Anfärben von Wurstwaren.
