verbinden depolarisation
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Wiederholung der letzten Vorlesungsstunde: Thema: Die 3., 2. und 1. Hauptgruppe Bor: Vorkommen und Eigenschaften, Borverbindungen, ElektronenMangelverbindungen, 3-Zentren-2-Elektronenbindungen, Borane, Bor-StickstoffVerbindungen, hexagonales und kubisches Bornitrid, Vergleich Borazin-Benzol, Leichtmetall Aluminium, Gewinnung durch Schmelzflusselektrolyse von Korund und Kryolith Erdalkalimetalle Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium: Metalle, bilden 2-wertige Kationen, gesteinsbildende Mineralien, Zement, Klinker, Kalk, Wasserhärte, Die Alkalimetalle Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, bilden einwertige Kationen, Metalle sehr reaktiv, gute Reduktionsmittel, Gewinnung der Metalle überwiegend elektrochemisch, Schmelzflußelektrolyse, Halogenide, Hydroxide, Schmelzflusselektrolyse Thema heute: Ausgewählte Übergangsmetalle Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 423 Die Übergangsmetalle, d- und f-Metalle Besetzung der d-Orbitale Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 424 Die Übergangsmetalle: Seltenerdmetalle Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 425 Bevorzugte Bildung halb- und vollbesetzte Teilschalen Besetzung der 3d-Orbitale erfolgt nach der Besetzung des 4s-Orbitals (innere Schale !) Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 426 Die Übergangsmetalle: Die 3d-Reihe Zinc Zn d10s2 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, +2 427 Allgemeine Eigenschaften und Trends • • • • • • Meistens harte und spröde Metalle im Gegensatz zu vielen Hauptgruppenmetallen Hohe Schmelzpunkte, z.B. W, Nb, Ta, Mo > 2000oC Einige ÜG-Metalle: Sehr gute elektrische Leitfähigkeiten (Cu, Ag, Au) Metalle können in verschiedenen Oxidationsstufen auftreten (siehe vorhergehende Folie) Es existieren sehr viele sog. Koordinationsverbindungen (Komplexverbindungen) ÜG-Metallkationen sind meistens farbig Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 428 Ausgewählte Übergangsmetalle: Titan • • • Ti steht im PSE in der 4. Nebengruppe, häufigste Oxidationszahl: +4 Ex existieren aber auch Verbindungen mit Ti in niedrigeren Oxidationsstufen, z.B. TiCl3 oder TiCl2 Ti ist das 10. häufigste Element in der Erdkruste • Vorkommen: TiO2 (Rutil, Brookit, Anatas), FeTiO3 (Ilmenit), CaTiO3 (Perowskit), CaTiO[SiO4] (Titanit) • Gewinnung des Ti: 1) Reduzierende Chlorierung: TiO2 + 2 C + 2 Cl2 → TiCl4 + 2 CO 2) Kroll-Verfahren: TiCl4 + 2 Mg → Ti + 2 MgCl2 Alternativ: TiCl4 + 4 Na → Ti + 4 NaCl • Reinigung von Ti (auch Zr, Hf): van Arkel-de Boer-Verfahren Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 429 Ausgewählte Übergangsmetalle: Titan Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 430 Unterschiedliche Oxidationsstufen bei den Elementen der 4. Nebengruppe Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 431 Ausgewählte Übergangsmetalle: Mangan • • 3. häufigstes Übergangsmetall, 12. häufigstes Element Vorkommen: 1) Manganknollen (10-15% Mn + Fe, Ni, Co, Cu..) 2) in Form verschiedener Verbindungen, z.B. MnO2 (Braunstein), MnS (Manganblende) oder MnCO3 (Manganspat, Himbeerspat) Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 432 Ausgewählte Übergangsmetalle: Mangan • Darstellung: 3 Mn3O4 + 8 Al → 9 Mn + 4 Al2O3 reines Mangan durch Elektroreduktion von Mn(II) • Anwendung als Ferromangan - Mn/Fe 60-90% Mn; 40-10% Fe Mn-Metall vergleichbar dem Eisen - Mn etwas härter und spröder 95 % des gewonnenen Mn geht in die Stahlindustrie Verwendung als "Fänger" in fast allen Stahlsorten - Bildg. von MnS anstelle von FeS, was die Bildung von Blasen und Rissen verhindert. Mangan-Stähle enthalten bis zu 13% Mn, 1.25% C, nichtmagnetisch - hohe Verschleiß und Schlagfestigkeit gut für Baumaschinen, Bagger, Eisenbahnweichen u. v. a. - "Schwedische Gardinen" , "Schwedenstahl" -Kaltverfestigung- zunächst relativ weich, beim Bearbeiten wird er hart Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 433 Ausgewählte Übergangsmetalle: Mangan • • Mangan steht in der 7. Nebengruppe: höchste Oxidationsstufe: +7 realisiert z.B. in Permanganaten, MnO4Das chemische "Chamäleon" Permanganat, tief violett, Mn(VII) Manganat(VI), tief grün, Mn(VI) Manganat(V), leuchtend blau, Mn(V) Manganat(IV), orange-gelb, Mn(IV) MnO2, Braunstein Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 434 Ausgewählte Übergangsmetalle: Mangan MnO2- Verwendung: 1) Mengenmäßig größte Anwendung nach der Stahlproduktion 2) Depolarisation in Trockenbatterien MnO2 + H+ + e- → MnO(OH) ; keine Wasserstoffentwicklung, sehr reines MnO2 erforderlich 3) Pigment 4) Glasherstellung 5) Elektronik - keramische Ferrite - M(II)Fe2O4 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 435 3d-Elemente der 8. Nebengruppe: Fe, Co, Ni Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 436 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 437 Eisenmodifikationen Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 438 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess Eisen wird aus Eisenoxid-haltigen Erzen gewonnen. In einem Hochofen laufen im wesentlichen zwei Prozesse ab: 1. 2. Die Reduktion der Eisenoxide zu Eisen Die Verflüssigung der Gangart zu Schlacke Um die dem Eisenerz anhaftende Gangart zu entfernen, werden dem Erz Zuschläge zugesetzt. Gangart und Zuschläge verbinden sich zu einer flüssigen Schlacke mit niedrigem Schmelzpunkt. Die Zuschläge hängen vom der dem Eisenerz anhaftenden Gangart ab. Dieses Gemisch schmilzt zwischen 1130 und 1280°C. Der Hochofen wird von oben schichtweise mit der Mischung aus Erz und Zuschlägen (Möller) und Koks beschickt. Von unten wird Heißluft in den Hochofen eingeblasen wodurch der Koks teilweise zu Kohlendioxid und Kohlenmonoxid verbrannt wird. 2 C + O2 → 2 CO 2 CO + O2 → 2 CO2 CO2 + C → 2 CO Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 439 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 440 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess Die bei der Verbrennung freiwerdende Energie sorgt im unteren Teil des Hochofens für Temperaturen um 1500°C. Die entstandenen aufsteigenden Gase führen zu einer stufenweisen Reduktion der Eisenoxide zu metallischem Eisen. Das flüssige Roheisen sammelt sich schließlich auf dem Boden des Hochofens. Die Schlacke, die sich durch die Umsetzung der Gangart mit den Zuschlägen gebildet hat, schwimmt auf dem Roheisen. Roheisen und Schlacke werden von Zeit zu Zeit abgestochen. Das von oben nachrutschende Füllgut durchläuft immer wärmere Temperaturzonen und dehnt sich dabei zunächst aus. An der breitesten Stelle des Hochofens, dem sogenannten Kohlensack, schmelzen das Roheisen und die Schlacke, das Volumen nimmt ab. Die Hochofenform folgt dieser Entwicklung (s. Abbildung). Das bei dem Prozess oben entweichende Gichtgas wird unter anderem zur Luftvorwärmung im Winderhitzer und zum Antrieb des Gebläses verwendet. Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 441 Eisengewinnung: Der Hochofenprozess C + O2 -> CO2 -393,5 kJ/mol CO2 + Cfest -> 2 CO +172,5 kJ/mol 3 Fe2O3 -> 2 Fe3O4 + CO2 -49,5 kJ/mol Fe3O4 -> 3 FeO + CO2 +33 kJ/mol FeO + CO -> Fe + CO2 -16 kJ/mol An die Roheisengewinnung schließt sich i.d.R. eine Veredlung z.B. die Stahlerzeugung an. Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 442 Eisenoxide: Rost Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 443 Bio-Eisen: Hämoglobin Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 444 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 445 Vitamin B12 Vorlesung Allgemeine Chemie, Prof. Dr. Martin Köckerling, 446
