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 Die Rolle des Sauerstoffs bei Reduktionen
Vorführungen nur für Lehrkräfte geeignet

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Stoffe  Eisen(III)-oxid, Aluminium Grieß und Pulver phlegmatisiert, fertiges Thermit und Zündstäbchen z.B. von Hedinger, (evt. Magnesium Pulver phlegmatisiert, Kaliumpermanganat, Wunderkerze);
Aktivkohle gekörnt, Holzkohle Stücke, Pressluft, feuchter Ton, Sauerstoff
Geräte  2 Tontöpfe, Stativ, Brenner und Lötlampe, Schale mit Sand, Wassereimer, Eimer mit Sand, Porzellanschale, Tiegelzange, Magnet, Papierstreifen, Hammer, Verbrennungsrohr aus Quarzglas mit zwei durchbohrten Stopfen, 2 Winkelrohre, großes Reagenzglas 30x200mm, Schutzscheibe, Schutzbrillen (Klassensatz), Waage, Weißblechbüchse 0,5-1l, Eisenrohr 10cm (Innendurchmesser ca. 5mm)
Sicherheit   Der Thermitversuch darf nur im Freien mit genügend Sicherheitsabstand durchgeführt werden! Bei allen Versuchen ist eine Schutzbrille zu tragen und für ausreichend Brandschutz zu sorgen! (siehe Sicherheitsempfehlung Thermitversuch) Beim Hochofen-Modellversuch entsteht toxisches Kohlenstoffmonooxid, daher darf dieser Versuch nur im Abzug oder im Freien durchgeführt werden.

Schutzbrille anziehen!  Schutzhandschuhe anziehen!  Lueftungsmassnahmen erforderlich  Abzug verwenden
GefährdungsBU Thermitversuch    pdf

Zum Experimentieren im eigenen Unterricht wird eine editierbare GBU benötigt.
 
 


Didaktische Bemerkungen
 
Beim Thema Oxidation lernten die Schüler verschiedene chemische Reaktionen kennen, bei denen Stoffe mit Sauerstoff reagierten. Bereits bei der Synthese und Analyse von Wasser (>Arbeitsblatt) zeigte sich, dass Oxide wieder zerlegt werden können. Metalloxide kommen in der Natur oft als Erze vor. Die entsprechenden Metalle können nicht mit einfachen Mitteln, z.B. durch bloßes Erhitzen, erhalten werden. Es wird ein Stoff benötigt, der den Erzen die Sauerstoffatome wegnehmen kann. Daran knüpft der Einstieg in das Thema Reduktion an.
 
 
Demonstration 1  Thermitversuch

Zum Einstieg wird ein Stück Eisenerz und gemahlenes Eisen(III)-oxid gezeigt und die chemische Formel dafür genannt. Der Begriff "Erz" wird besprochen und die Schüler sollen den Begriff in einfacher Form definieren, z.B.: "Erze sind Rohstoffe für Gebrauchsmetalle". Im folgenden wird demonstriert, dass das bloße Mahlen und Erhitzen von Eisenerz nicht zum gewünschten Eisen führt. Das rote Pulver (aus der Flasche) färbt sich beim Erhitzen zwar dunkel, erhält aber nach dem Abkühlen seine ursprüngliche Farbe wieder zurück. Außerdem lässt sich kein nennenswerter Magnetismus vor und nach dem Erhitzen feststellen. (Hinweis: Hier soll vernachlässigt werden, dass Eisenerze durchaus magnetisch sein können)
  
 
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Um das Prinzip der Metallgewinnung durch Reduktion zu verdeutlichen, wird den Schülern eine (fiktive) Geschichte erzählt:
 
"Stellt euch vor, Ihr hättet einen Schäferhund und der ist besonders verspielt. Am liebsten mag er Schuhe. Man darf also keinen Schuh herumliegen lassen, sonst fasst er ihn mit seiner Schnauze und lässt ihn nicht mehr los. Nun passiert folgendes: Ihr müsst morgens in drei Minuten an der Bushaltestelle sein und habt aufgrund der Eile nicht aufgepasst. Der Hund hat sich die Turnschuhe geschnappt, die ihr heute unbedingt in der Schule braucht. Je mehr ihr an den Schuhen zieht, umso mehr vertieft der Hund sich in sein Spiel und fasst die Schuhe nur noch fester. Was ist also zu tun? Ihr braucht die Schuhe so schnell wie möglich und möchtet euerm Hund auch keinen Schaden zufügen."
 
Die Lösung wird sicherlich genannt: Man hält dem Hund etwas hin, was er noch lieber hat als Schuhe, z.B. einen Knochen oder Hundefutter. In den meisten Fällen wird dies auch gelingen (siehe Grafiken). Nun überträgt man die Geschichte auf das Eisenerz: Der Hund mit dem Schuh entspricht dem Eisenoxid. Man möchte den Schuh (das Eisen) und gibt dem Hund (dem Sauerstoff) einen Knochen (ein Stoff, mit dem Sauerstoff noch besser reagiert als mit Eisen). Aufgrund schon durchgeführter Experimente im vorangegangenen Unterricht kennen die Schüler vielleicht solche Stoffe und benennen sie: Magnesium, Aluminium oder Wasserstoff. Nun wird ein Reaktionsschema an der Tafel hergeleitet:
 
Eisenoxid  +  Aluminium   Eisen  +  ?
 
Über das zweite Reaktionsprodukt dürfen die Schüler spekulieren. Manche nennen vielleicht schon das Aluminiumoxid ("Hund mit Knochen"). Nun wird der eigentliche Thermitversuch vorbereitet. Für diesen Versuch sind eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen unbedingt einzuhalten:
  • Beim Mischen der Stoffe darf keine allzugroße Reibung ausgeübt werden.
  • Selbst hergestellte Thermitgemische sollten nicht aufbewahrt werden.
  • Eine Schutzbrille (für alle Beteiligten) und eine feuersichere Umgebung im Freien ist notwendig und mindestens 10 Meter Sicherheitsabstand!
  • Zündet das Gemisch nicht, sollte man sich erst nach 10 Minuten nähern, um sicher zu gehen, dass es nicht plötzlich doch noch losgeht!
  • Es wird empfohlen, fertige, käufliche Gemische und einen im Handel erhältlichen Zündstab zu verwenden.
Eigene Herstellung des Thermitgemisches: 60g fein gemahlenes Eisen(III)-oxid, 20g Aluminiumgrieß und 2,5g Aluminiumpulver werden in einem großen Reagenzglas durch Schütteln durchmischt und in einen kleinen Tontopf (Blumentopf) gegeben.

Fertigmischung:
Alternativ dazu kann der Tontopf mit einer käuflichen Fertigmischung befüllt werden. Das Loch am Boden wird vor dem Füllen durch eine Lage Papier verdeckt. Zur Sicherheit kann der Tontopf noch in einen zweiten, etwas größeren Tontopf gestellt werden. Die Tontöpfe werden an einem Stativring in etwa 30cm Höhe über dem Boden befestigt. 
 
 
 
 
 
Nun begibt man sich an einen geeigneten Ort im Freien und sorgt für einen Sicherheitsabstand von 10 Metern für die Zuschauer. Unter den Tontopf wird eine große Schale befüllt mit reichlich Sand gestellt.
 
Eigene Mischung: In die Mischung steckt man eine Wunderkerze und gibt in eine Vertiefung darum herum einen Spatellöffel Magnesiumpulver dazu. Damit das Gemisch sicher zündet, könnte man noch einen Spatellöffel Kaliumpermanganat unter das Magnesiumpulver geben. Allerdings besteht hierbei die Gefahr, dass sich die Zündmischung durch Reibung vorzeitig entzündet. Die Zündkomponenten dürfen erst (nachdem die Wunderkerze bereits hineingesteckt ist) direkt vor der Zündung und unvermischt nacheinander ohne Reibung auf das Thermit gelegt werden. Es ist mit äußerster Vorsicht zu arbeiten (Kopf fernhalten, etc.).
 
Fertigmischung: Bei der Verwendung eines im Handel erhältlichen Zündstäbchens ist keine zusätzliche Zündmischung notwendig. Nach dem Zünden des Zündstäbchens am äußersten Ende mit einer Lötlampe bei weit ausgestrecktem Arm ist eine rasche Entfernung geboten.
 
 
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Thermitreaktion
Glühendes Produkt
 
 
Beobachtungen: Nach dem Hineinbrennen des Zündstäbchen glüht das Thermitgemisch unter heftiger Funkenbildung hell auf. Sodann ergießt sich ein gleißend heller Strahl einer heißen Flüssigkeit durch die Löcher der Tontöpfe in die Schale. Dabei fliegen Funken weit umher. Nach der Reaktion findet sich ein schwerer, teilweise metallisch glänzender Brocken auf dem Sand, der immer noch glüht und so heiß ist, dass er selbst ein feuchtes Holzstöckchen rasch zum Brennen bringt.
  
 
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Eisenkern (Kugel) mit Schlackeschicht
Das Produkt ist magnetisch
 
 
Nach dem Abkühlen des Produkts in kaltem Wasser wird es näher untersucht. Schlägt man mit einem Hammer darauf, platzt die äußere Schicht des Brockens schnell ab. Teilweise zeigen sich auch weißliche Schichten (Hinweis auf Aluminiumoxid). Innen findet sich eine kompakte, metallische Masse, die einen deutlichen Magnestismus zeigt (Eisen). Durch stärkere Schläge lässt sich jedoch auch diese Masse zerschlagen. Das entstandene Roheisen ist relativ spröde.
 
Theorie: Die theoretische Erklärung für diesen Versuch kann nun von den Schülern selbst hergeleitet werden: Eisenoxid reagiert mit Aluminium zu Roheisen und Aluminiumoxid. Damit ist das Prinzip einer Stoffumsetzung erarbeitet (vgl. >Chemische Reaktion). Bei einer Stoffumsetzung werden Atome oder Atomgruppen ausgetauscht. Die Reaktion eines Stoffes mit einem anderen unter Sauerstoffabgabe nennt man Reduktion. Findet wie im geschilderten Beispiel gleichzeitig eine Reduktion (Eisenoxid) und eine Oxidation (Aluminium) statt, handelt es sich um eine Redoxreaktion:
 
 
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Zu diesem Zeitpunkt wird vorerst nur der einfache Oxidationsbegriff (zurückgehend auf Lavoisier) vorausgesetzt (vgl. Oxidationsbegriff). Die Thermitreaktion dient in der Technik aufgrund der hohen, entstehenden Temperatur von ca. 2400°C zum schnellen Verschweißen von großen Eisenstücken, z.B. zum schnellen Verbinden von Bahngleisen (siehe >Thermitschweißen).

Entsorgung: Die Reste werden im Abfallbehälter für anorganische Feststoffe gesammelt. Es wird generell empfohlen, Abfälle für Feststoffe in einem brandsicheren Behälter mit Deckel und Sandeinlage zu sammeln.
 
 
Demonstration 2  Hochofen-Modellversuch (Variante 1)

Sicherheit: Es dürfen nur Verbrennungsrohre aus Quarzglas eingesetzt werden. Das Einsetzen der Quarzwolle und das Erhitzen erfolgt stets im Abzug. Es muss eine Schutzbrille angezogen werden, Schutzhandschuhe aus Leder sollten bereitliegen! Beim Einsetzen der Quarzwolle sollte eine Staubschutzmaske getragen werden.

Zunächst wird mit den Schülern die Wirtschaftlichkeit des Thermitverfahrens zur Eisengewinnung diskutiert. Jährlich werden weltweit über 500 Millionen Tonnen Roheisen hergestellt. Beim Thermitverfahren würden riesige Mengen an metallischem Aluminium benötigt. Aluminium kann ebenfalls nur unter hohem Energieaufwand (vgl. >Schmelzflusselektrolyse) aus Aluminiumerzen hergestellt werden. Außerdem würde die Thermitreaktion im großtechnischen Verfahren zu viel Wärme freisetzen (vgl. >Eisen(III)-oxid). Für eine billigere, geregelte Reaktion eignen sich Kohlenstoff (Koks) oder Wasserstoff als Reduktionsmittel. Das bedeutendste Verfahren findet im Hochofen mit Hilfe von Koks statt, einem Zersetzungsprodukt der Stein- oder Braunkohle.
 
Die Apparatur wird gemäß der Zeichnung aufgebaut. Zur Isolierung nach unten und oben muss unbedingt Glaswolle aus Quarzglas verwendet werden, da gewöhnliche Glaswolle bei den hohen Temperaturen schmilzt. Außerdem sollten die Büschel ohne Spielraum satt sitzen. In der Mitte werden zwei Doppelschichten aus 2cm gekörnter Aktivkohle und 1cm Eisen(III)-oxid fest fixiert.
 
 
 
 
 
Die unterste Schicht Aktivkohle wird mit einem Brenner und einer Lötlampe von beiden Seiten kräftig erhitzt. Dann gibt man einen schwachen Sauerstoffstrom durch das Verbrennungsrohr und wartet ab, bis die Aktivkohle zu glühen beginnt. Nun erhitzt man das Eisen(III)-oxid und stellt den Sauerstoffstrom so ein, dass die Glutzone nicht zu heiß wird. Der Vorgang dauert mehrere Minuten, wobei man später auch die oberen Schichten erhitzt. Nach dem Abkühlen gibt man das Gemisch in eine Porzellanschale und untersucht es mit einem Magneten.
 
Beobachtungen: Bei der Sauerstoffzugabe glüht die Kohle hell auf. Dabei entstehen beträchtliche Temperaturen, die möglicherweise auch das Quarzglas springen lassen. Das Reaktionsprodukt ist deutlich magnetisch.
 
Theorie: Im Verbrennungsrohr laufen verschiedene Reaktionen ab, die den Hochofenreaktionen entsprechen. Beim Verbrennen der Kohle mit Sauerstoff in der unteren Schicht entsteht Kohlenstoffmonooxid, das das darüber liegende Eisen(III)-oxid zu Eisen reduziert und selbst zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Das neu entstehende Kohlenstoffmonooxid reduziert dann wieder erneut Eisenoxid zu Eisen (Reaktionsgleichungen siehe >Hochofenprozess). In dieser Apparatur wird das Kohlenstoffmonooxid zum Kohlenstoffdioxid fast vollständig umgesetzt.
 
Entsorgung: Die Reste werden im Abfallbehälter für anorganische Feststoffe gesammelt. Es wird generell empfohlen, Abfälle für Feststoffe in einem brandsicheren Behälter mit Deckel und Sandeinlage zu sammeln.

 
Demonstration 3  Hochofen-Modellversuch (Variante 2)
Tätigkeitsbeschränkungen für Kohlenstoffmonooxid beachten (oL  -w  -S  ESP)
 
Sicherheit: Die Büchse benötigt einen sicheren Stand. Der Versuch darf nur im Freien oder in einem gut ziehenden Abzug durchgeführt werden. Schutzbrille anziehen und Schutzhandschuhe aus Leder bereitlegen! Es entstehen größere Mengen toxisches Kohlenstoffmonooxid! Dieses Gas darf auf gar keinen Fall eingeatmet werden. Es ist darauf zu achten, dass es laufend abgefackelt wird.
 
Die Variante im Reagenzglas hat den Nachteil, dass man nur wenig magnetisches Eisen erhält. Steht Pressluft oder ein Gebläse zur Verfügung, lässt sich ein Hochofenmodell in einer gewöhnlichen Weißblechbüchse bauen. Etwa 3cm über dem Büchsenboden wird ein Loch in die Seitenwand gebohrt. Durch dieses Loch wird ein Eisen- oder Stahlrohr (Innendurchmesser ca. 5mm) eingeführt, das am Ende zusammengedrückt ist, so dass die eingeführte Pressluft breit gestreut wird. Die Dose wird innen mit feuchtem Ton ausgekleidet. Der verbleibende Innenraum sollte etwa 5cm breit und 10cm hoch sein. Nun füllt man die Büchse mit zerstoßener Holzkohle (erbsengroß). Danach richtet man eine Lötlampe auf das seitliche Loch, während das Eisenrohr noch nicht eingesetzt ist und erhitzt die Kohle, bis sie um das Loch herum kräftig glüht. Dann wird die Pressluft über das aufgesetzte Eisenrohr zugeführt und der seitliche Schlitz mit zusätzlichem Ton abgedichtet. Durch Regulieren der Luftzufuhr wird die ganze Kohle in der Büchse zum Glühen gebracht. Das Aufheizen erfolgt 20-30 Minuten lang, dabei wird mehrmals Kohle nachgefüllt. Das bei der Verbrennung entstehende Kohlenstoffmonooxid wird oben an der offenen Büchse abgefackelt. Dass hierbei dieses Gas entsteht, erkennt man an der rosa-violetten Flamme:
 
 
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Mit Ton ausgekleidete Büchse und seitliches Einführen von Pressluft
 
 
Dann gibt man die erste Portion (ca. 20g) Eisen(III)-oxid auf die glühende Holzkohle, die sogleich mit einer frischen Kohleschicht bedeckt wird. Sobald die oberste Kohleschicht glüht, wird der Vorgang des Beschichtens wiederholt. Nach dem Befüllen der letzten Schicht, erhitzt man den Ofen durch Zugeben mit Pressluft noch etwa 20 Minuten lang. Nach dem Abkühlen finden sich in der Schlacke größere Mengen an metallischem Roheisen.
 
Entsorgung: Die Reste werden im Abfallbehälter für anorganische Feststoffe gesammelt. Es wird generell empfohlen, Abfälle für Feststoffe in einem brandsicheren Behälter mit Deckel und Sandeinlage zu sammeln.

Hinweis: Dieser Versuch wurde von der Studentengruppe C. Casparis, T. Gauch und M. Medici an der PHZ Luzern getestet und modifiziert. Die Gruppe baute auch den abgebildeten Modellofen. Eine leicht abgewandelte Beschreibung findet sich im Buch "Jürgen Reiß, Alltagschemie im Unterricht", Aulis-Verlag.
 
 
 
 
Copyright: T. Seilnacht