Analyse einer Getränkedose zur Abschätzung des Energiebedarfs bei ihrer Herstellung

Problemerörterung

Die Frage nach dem Energiebedarf zur Herstellung einer Getränkedose sollte zunächst konkretisiert werden. Als Energiebedarf soll hier lediglich die Energie verstanden werden, die benötigt wird, Reaktionen zur Gewinnung der einzelnen Elemente aus dem Rohstoff ablaufen zu lassen. Es werden hier zur Berechnug lediglich die Gleichungen des statistisch heufigsten Rohstoffes verwendet. Dabei stellt sich die Frage, ob die Gewinnung der Bestandteile durch Energie in Form von Wärme oder durch Energie in Form von Arbeit, also etwa durch elektrische Energie vollzogen werden kann. Die Energie, die z.B. auch die Maschinen bei der Fertigung der Dose umsetzen und evtl. als Energieverlust verloren geht, wird bei der Betrachtung nicht berücksichtigt.

Bei der Bestimmung der Bestandteile soll bedacht werden, daß sich die Zahl der wahrscheinlichen Bestandteile sehr gering hält, eine Untersuchung auf ausschließbare Elemente also irrelevant ist.

Besonderes Augenmerk bei der Analyse der Dose soll den Metallen ,,Eisen" und ,,Aluminium" gelten. Eisen läßt sich von vornherein als Hauptbestandteil annehmen, da dies schon auf der Dose vermerkt ist. Das Element Aluminium läßt sich zumindest als Hauptbestandteil des Deckels der Dose vermuten. Dieser scheint nämlich, schon bei betrachten mit bloßem Auge, aus anderem Material zu bestehen als der Körper der Dose. Außerdem zeigte sich, daß der Deckel im Gegensatz zum Rest der Dose nicht magnetisch ist. Magnetische Elemente sind lediglich Eisen, Nickel und Cobalt. Für den Analysengang werden beide Teile also mit einer Blechschere sauber voneinander getrennt und unabhängig voneinander analysiert. Inwiefern sich die Lackierung der Dose oder evtl. Beschichtungen der Innenwände und die Anteil von Nebenbestsndteilen (1-10%) auf das Ergebnis auswirkt, wird sich zeigen. Spurenelemente (<1%) können nicht bedacht werden, da sie die Mengen einfach zu gering sind.

Das Untersuchungsmaterial

Als Material diente eine Getränkedose der Firma Pepsi®-Cola. Die Dose fasst laut Hersteller ein Volumen von 0,33 Liter. Sie hat dabei eine Gesamtmasse von 27,07g. Für den Trennungsgang wurden Körper und Deckel der Dose getrennt. Die Waage zeigte, daß der Deckel eine Masse von 2,72g und der Körper eine Masse von 24,35g besitzt. Als Ausgangssubstanz für den restlichen Analysengang wurden nun vom Deckel 0,99g und vom

Körper 1,60g abgetrennt. Analysengang des Deckels (nach[1])

Die 0,99g Analysesubstanz des Deckels wurden zur Durchführung des Trennungsganges zunächst in knapp überschüßiger konzentrierter Salpetersäure (HNO3) gekocht. Sie löste sich allerdings schlecht, weswegen halb konzentrierte Salzsäure (HCl) zugegeben und weiter bis zur maximalen Lösung nach ca. 10 min. gekocht wurde. In der Lösung zeigten sich vermeindliche Lackreste. Hierbei mußte es sich um unlösliche Lackreste handeln, da bei Anwesenheit von Ag+, Hg22+ und Pb2+ diese als schwerlösliche Chloride und weißer Feststoff ausgefallen wären[1]. Diese unlöslichen Reste wurden deshalb abfiltriert und das Filtrat für den weiteren Trennungsgang in einem 100ml Meßkolben mit entmineralisiertem Wasser auf die 100ml Marke aufgefüllt. Für die weitere Analyse wurden zur Sicherheit nur 10ml entnommen.

Hieraus sollten nun, falls vorhanden, Elemente der Schwefelwasserstoffgruppe (Bismut, Kupfer, Cadmium, Arsen, Antimon, Zinn Molybdän und andere Nebengruppenelemente [1]) bei größter Verdünnung durch einleiten von Schwefelwasserstoff (H2S) in Form ihrer Sulfide ausgefällt werden. Der Schwefelwasserstoff wurde hierzu frisch hergestellt. Dazu wurde ein Gasentwickler auf einen Erlenmeyerkolben gesetzt. In den Kolben wurden einige Stücke Eisen(II)-sulfid (FeS) gegeben.

[1] Schülerduden Die Chemie, Seite 81f, herausgegeben von Meyers Lexikonred., 3., überarbeitete Ausgabe, Dudenverlag, Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich 1995

Der Gasentwickler wurde mit halb konz. Salzsäure (HCl) befüllt. Auftropfen der Salzsäure auf das Eisen(II)-sulfid ließ folgende heftige Reaktion ablaufen und beobachten: FeS + 2HCl H2S+ FeCl2

Durch einen aufgesetzen Schlauch mit gewinkeltem Glasrohr konnte der Schwefelwasserstoff direkt in die Probelösung, die mit Wasser hochverdünnt wurde, eingeleitet werden. Da sich durch das Einleiten jedoch kein Niederschlag bildete, konnten die Elemente der Schwefelwasserstoffgruppe als Bestandteil des Deckels ausgeschlossen werden.

Der Lösung wurde dann konz. Ammoniaklösung (NH3 · aq) zugegeben, um sie ammoniakalkalisch zu machen. Nun wurde nochmals H2S eingeleitet um eine Ammoniumsulfidlösung [(NH4)2S · aq] zu erhalten, mit der die Elemente der Ammoniumsulfidgruppe (Nickel, Eisen, Mangan, Aluminium, Chrom, Zink u.a.[1])

ausgefällt werden sollten. Tatsächlich fiel ein weißer Feststoff aus, der abfiltriert und in verdünnter Salzsäure gelöst wurde.

Der weiße Feststoff sollte nun qualitativ weiter untersucht werden. Dazu wurde eine Mischung aus 30%iger Natronlauge und 3%igem Wasserstoffperoxid mit leichtem NaOHÜberschuß zugegeben. Die Lösung wurde nun klar. Der leichte NaOH-Überschuß sollte der Neutralisierung der Salzsäure dienen, in der der weiße Feststoff zuvor gelöst wurde. Um den Verdacht auf [Al(OH)4]- (farblos)[2] zu bestätigen wurde mit viel festem NH4Cl (Ammoniumchlorid) aufgekocht und wieder ammoniakalkalisch gemacht (Ammoniaklösung zugeben). Versetzt man nämlich die Lsg. mit einer überschüssigen Lauge und einer großen, dem Aluminat [Al(OH)4]- entsprechenden Menge Ammoniumchlorid, so fällt beim Kochen Al(III) vollständig als Hydroxid aus[2, jedoch Seite 130]: [Al(OH)4]- + NH4+ Al(OH)3+ NH3+ H2O

[1] Schülerduden Die Chemie, Seite 81f, herausgegeben von Meyers Lexikonred., 3., überarbeitete Ausgabe, Dudenverlag Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich 1995 [2] Jander Blasius Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum, Seite 250, 9., überarbeitete Auflage, S. Hirzel Verlag Stuttgart 1973

Das gefällte weiße Sediment wurde abfiltriert und der Filter danach gründlich mit entmineralisiertem Wasser ausgespült, um ein möglichst reines Produkt zu erhalten. Letzter Schritt war es, den Feststoff, der Al(OH)3 (Aluminiumhydroxid) sein sollte, im Simon-Müller Ofen bei 1200°C zu glühen. Durch das Glühen des Hydroxids sollte, abgesehen von den Ascheresten des Filters, reines Aluminiumoxid (Al2O3) erhalten werden: 2Al(OH)3 1200°C Al2O3 + 3H2O_

Dazu wurden Filter und Aluminiumhydroxid in einen Tiegel gegeben. Der Tiegel hatte eine Leermasse von 28,01g. Nachdem der Simon-Müller Ofen nach ca. einer Stunde aufgeheizt war, wurde der befüllte Tiegel für etwa eine viertel Stunde hineingestellt. Das Loch im Deckel des Ofens sollte geöffnet bleiben um Luft heran zu lassen und Wasserdampf abziehen zu lassen. Nach dem Glühen hatte der Tiegel mit Inhalt eine Masse von 28,24g. Aus der Differenz der Leermasse von 28,01g des Tiegels und den 28,24g ergibt sich für die Masse des erhaltenen Aluminiumoxids Al2O3: m(Al2O3)= 0,23g

Ergebnis für den Deckel

Den prozentualen Massenanteil des Aluminiums in der Verbindung kann man leicht aus der Summenformel berechnen. Die Indexzahlen in der Formel geben die Anzahl der Mole jedes Elements in einem Mol der Verbindung an. Zusammen mit den molaren Massen der Elemente kann man die entsprechende Masse jedes Elements in Gramm berechnen. Nach Division durch die Molmasse des der Verbindung erhält man den Massenanteil ,,w" des jeweiligen Elements; Multiplikation mit 100 ergibt dann den Prozentgehalt.

Ein Mol Al2O3 enthält:

n(Al)= 2 mol; n(O)= 3 mol

m(Al)= n(Al) · M(Al)= 2 mol · 26,9815 g/mol = 53,963 g m(O)= n(O) · M(O)= 3 mol · 15,999 g/mol = 47,997 g m(Al2O3) = 101,96 g

Massenanteil des Al in Al2O3:

w(Al)= m(Al) ÷ m(Al2O3)= 53,963 g ÷ 101,96 g 0,5293 Prozentgehalt des Al in Al2O3: w(Al) · 100%= 52,93%

Umrechen ergibt: 0,23 g Al2O3 enthalten ca. 0,12 g Aluminium. Somit ergibt sich zu der analysierten Masse des Deckels eine minimale Differenz von 0,12 g - 0,099 g= 0,021 g. Die Gesamtmasse des Deckels betrug 2,72 g. 3,03 g hätte er wiegen sollen, wäre das Versuchsergebnis absolut genau. Für den Deckel bedeutet dies, daß er zu 100% aus Aluminium besteht. Die Abweichung vom theoretischen Ergebnis läßt sich bei den Ascheresten des Filters nach dem Glühen und anderen Fehlerquellen finden. Analysengang des Körpers [1]

Der Analysengang des Körpers entspricht bis auf spätere Einzelheiten dem des Deckels. So wie beim Deckel wurden die 1,6g Analysesubstanz des Körpers zunächst in kochender Salpetersäure (HNO3) gelöst. Dazu wurde ebenfalls ein Teclubrenner unter einen Vierfuß gestellt, der die Lösung im Erlenmeyerkolben kochte. Der Teil des Körpers löste sich im Gegensatz zum Deckel rasch in der Säure, es war nicht nötig noch Salzsäure zuzugeben. Nach abfiltrieren blieben auch hier wenige Lackreste im Filter zurück. Diese konnten noch gut an der Farbe (blau) erkannt werden. Auch dieses Filtrat wurde in einem 100ml Meßkolben bis zur 100ml Marke mit entmineralisiertem Wasser aufgefüllt. Wiederum wurden zur Analyse nur 10ml entnommen, diese in einem Erlenmeyerkolben mit Wasser hochverdünnt und

Schwefelwasserstoff mit der Gasentwickler-Apparatur eingeleitet. Auch hier konnte kein Niederschlag ausgefällt werden, weswegen die Elemente der Schwefelwasserstoffgruppe wiederum ausgeschlossen werden konnten. Es hätten an dieser Stelle ihre säureschwerlöslichen Chloride ausfallen sollen. Nun wurde wieder konz. Ammoniaklösung zugegeben und nochmals

[1] ebenda: Schülerduden Die Chemie, S.81f

Schwefelwasserstoff eingeleitet. Beides sollte eine wiederum eine Ammoniumsulfidlösung [(NH4)2S · aq] ergeben. -Das Verfahren wird dem der Verwendung von fertiger Lösung vorgezogen, da eine solche Lösung oft nach längerem stehen durch Oxydation von Luftsauerstoff SO42--Ionen enthält. Diese Ionen würden zur Fällung von Erdalkalisulfaten führen und so den Analysengang evtl. stören [1].- Wie erhofft, fiel ein dunkler Feststoff aus. Dieser sollte Sulfid eines der Elemente der Schwefelwasserstoffgruppe sein, deren Elemente u.a. Eisen ist. Eisen fällt neben Nickel dunkel aus. Die anderen Sulfide hätten eine andere Farbe gezeigt. Der Feststoff wurde abermals abfiltriert und im Filter mit Wasser gespült. Danach wurde er zunächst stehengelassen, da erst am nächsten Tag weitergearbeitet werden konnte. Am nächsten Tag hatte der Filterrückstand eine leicht rötl. Farbe angenommen. Dies sollte den Verdacht auf Eisensulfid (FeS) zulassen. Daraus läßt sich folgende Reaktionsgleichung ableiten: Fe2+ + (NH4)2S FeS+ 2NH4+

Deswegen wurde aus der anfängliche Rohlösung im 100ml Meßkolben etwas entnommen um schon hier Eisen nachweisen zu können. Dazu wurde in die Rohlösung des Dosenkörpers in der Salpetersäure eine Lösung von gelblichem Kaliumthiocyanat (KSCN) gegeben. Die Lösung änderte ihre Farbe beim Zusammengeben zum intensiv roten. Dies war ein eindeutiger Nachweis auf Eisen im Dosenkörper: Fe3+ + 3SCN- Fe(SCN)3 Da nun auf zweierlei Weise Eisen nachgewiesen werden konnte, sollte eine weitere Untersuchung des Filtrats ausgelassen werden. Deswegen sollte auch das FeS, wie das Al(OH)3 des Deckels, im Simon-Möller Ofen geglüht werden. Dadurch sollte das FeS in Fe3O4 (Eisenoxid) übergehen: 6FeS 1200°C 2Fe3O4 + 6SO2_

Das entstehende Schwefeldioxid (SO2) konnte an seinem charakteristischen Geruch erkannt werden. Der Tiegel, in dem das Eisensulfid geglüht wurde hatte eine Leermasse von 29,25g. Nach

[1] Jander Blasius Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum, Seite 263, 9., überarbeitete Auflage, S. Hirzel Verlag Stuttgart 1973

dem Glühen hatte der Tiegel eine Masse von 29,46g. Somit ergibt sich für die Masse des Eisenoxids Fe3O4 (auch ,,Magneteisenstein"): m(Fe3O4)= 0,21g. Ergebnis für den Dosenkörper

Um den Masse des Eisens im Eisenoxid zu bestimmen, wird gleich verfahren wie beim Aluminiumoxid:

Ein Mol Fe3O4 enthält:

n(Fe)= 3 mol; n(O)= 4 mol

m(Fe)= n(Fe) · M(Fe)= 3 mol · 55,847 g/mol = 167,541 g m(O)= n(O) · M(O)= 4 mol · 15,999 g/mol = 63,996 g m(Fe3O4) = 231,537 g

Massenanteil des Fe in Fe3O4:

w(Fe)= m(Fe) ÷ m(Fe3O4)= 167,541 g ÷ 231,537 g 0,7236

Prozentgehalt des Fe in Fe3O4: w(Fe) · 100%= 72,36%

Bezogen auf die 0,21g Eisenoxid (Fe3O4) ergibt sich: 0,21g Fe3O4 enthalten ungefähr 0,15g Eisen. Somit ergibt sich zur Masse der 0,16g analysierten Substanz eine Differenz von 0,01g. Ein kaum zu beachtender Unterschied. Faktum ist, daß der Dosenkörper, soweit nachweisbar, nur Eisen enthält. Der Korrisionsschutz, der sichtbar vorhanden sein muß ist eben mit dem Analysengang nicht nachweisbar, seine Mengen wahrscheinlich zu gering. Résumé für Deckel und Dosenkörper

Da für den Deckel als Bestandteil lediglich Aluminium nachgewiesen werden konnte, wird bei der Berechnug angenommen, er bestünde tatsächlich zu genau 100% aus Aluminium. Genauso wird es mit dem Dosenkörper und dem Eisen gehandhabt. Die Dose beteht also demnach aus 2,72g Aluminium und 24,35g Eisen. Diese Werte sollen später für die Berechnug des Energiebedarfs als gültig angenommen

werden. Um eine vernünftige Grundlage für die Berechnug zu schaffen, soll nachfolgend zunächst das Gewinnungsverfahren für Aluminium und Eisen vorgestellt werden. Darstellung von Aluminium [1]

Die Darstellung von Aluminium erfolgt fast ausschließlich durch die Schmelzflußelektrolyse. Dazu wird eine Lösung von hochreinem Aluminiumoxid (Al2O3) in 10-20 facher Menge geschmolzenem Kryolyth (Na3[AlF6]) verwandt (,,Hall-Héroult-Prozeß"). Kryolyth dient der Erniedrigung des Schmelzpunktes von Aluminium (2467°C) auf etwa 950°C. Das hochreine Aluminiumoxid wird nach dem ,,Bayer-Verfahren" aus Bauxit-Erz erhalten. Bauxit enthält neben Aluminiumhydroxid [Al(OH)3] und Aluminiumoxidhydroxid [AlO(OH)] bis zu 30% Fe2O3 und SiO2. Das Aluminiumhydroxid kann mit einer heißen Natriumhydroxid-Lsg. in Lösung gebracht werden. Beim Abkühlen und Verdünnung der Lösung verschiebt sich das Gleichgewicht auf die Seite des Hydroxids, welches dann ausfällt. Das benötigte hochreine Aluminiumoxid wird dann durch Glühen des Hydroxids erhalten (entspricht letztem Teil ,,Analysengang des Deckels"). Die Lösung aus Aluminiumoxid und Kryolyt wird nun in Elektrolysezellen durch Gleichstrom zerlegt (bei 4-5 V und bis 150000 A). Als Kathode dient die Gefäßwand, die mit Kohle ausgekleidet ist. Die als Anode wirkenden Kohleelektroden werden allmählich durch den frei werdenden Sauerstoff zersetzt. Deshalb müssen die abbrennenden Anoden nachgeführt und von Zeit zu Zeit erneuert werden. Die entstehende Verbrennungswärme wird zur Heizung der Schmelze benutzt. Gleichung: 2Al2O3 + 3C 4Al + 3CO2

Das flüssige Aluminium scheidet sich am Boden der Zelle ab, wo es vor Luftoxidation geschützt ist und abgesaugt werden kann.

[1] Nach: Das Basiswissen der Chemie, von Ch.E.Mortimer, 6., völlig neu und erweiterte Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1996

Energiebedarf für den Deckel

Der Energiebedarf zur Darstellung des Aluminiums des Deckels kann aus der Gleichung 2Al2O3 + 3C 4Al + 3CO2 berechnet werden. Dazu wird die Tabelle der Molaren Bildungsenergien, den Thermodynamischen Daten, gültig bei 298K, herangezogen. Anhand des Vorzeichens der Enthalpiedifferenz ,,H" und der Differenz der freien Enthalpie ,,G" (Gibbs-Energie) kann dann erkannt weden, ob für die Reaktion Energie benötigt oder freigesetzt wird. Negatives vorzeichen würde jeweils freigesetzte Energie bedeuten. Positive Vorzeichen besagen, Energie würde für die Reaktion benötigt. Bei der Enthalpie ,,H" würde Energie in Form von Wärme benötigt, bzw. abgegeben. Bei der freien Enthalpie ,,G" würde Energie in Form von Arbeit (z.B. el.Energie) benötigt, bzw. frei werden. Enthalpie und freie Enthalpie könnten auch gleiche Vorzeichen haben, dies würde bedeuten, die Reaktion liefe

nur ab, wenn z.B. Energie in Form von Wärme und in Form von el.Energie gleichzeitig verfügbar wäre. Die Gesamtenergie einer Reaktion errechnet sich wie folgt: HGesamt = HEndprodukte - HAusgangsstoffe bzw.:

GGesamt = GEndprodukte - GAusgangsstoffe

Die benötigte Energie zur Herstellung des Aluminiums für den Deckel ergibt sich demnach[1]:

HGesamt= [H(4Al) + H(3CO2) ] - [H(2Al2O3) + H(3C) ] = [0 kJ/mol + (-1185 kJ/mol)] - [ -3346 kJ/mol + 0 kJ/mol ] = 2161 kJ/mol

GGesamt= [G(4Al) + G(3CO2) ] - [G(2Al2O3) + G(3C)] = [0 kJ/mol + (-1188 kJ/mol)] - [ -3146 kJ/mol + 0 kJ/mol ] = 1958 kJ/mol

Da H, sowie G positive Vorzeichen haben, wird für die Reaktion des Aluminiumoxids mit dem Kohlenstoff Energie in Form von Wärme und in Form von Arbeit benötigt.

[1] Daten nach "Nuffield Chemistry, Book of Data ('O' Level)"

Die Werte für H und G werden deshalb addiert, um danach die Summe auf die 2,72 g Aluminium des Deckels umzurechnen: H + G = 4119 kJ/mol. Das bedeutet, zur Gewinnung von 1mol Aluminium, also 26,9815g, werden eben diese 4119 kJ benötigt. Umrechnen ergibt für die 2,72g Aluminium des Deckels: (4119 kJ/mol : 26,9815g/mol) · 2,72g = 415,234 kJ

Eben diese 415 kJ werden zur Gewinnung der 2,72g Aluminium der Dose benötigt. Darstellung von Eisen [1]

Die Gewinnung von Eisen erfolgt im Hochofen, der kontinuierlich in Betrieb ist. Das Erz, das im Falle des Eisens meist keine besondere Aufbereitung erfordert, wird mit Koks und Kalkstein von oben eingefüllt. Von unten wird Heißluft (,,Wind") eingeblasen, die den Koks in zwei Schritten über Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid verbrennt (Gesamtgleichung: 2C + O2 2CO); die freiwerdende Wärme sorgt für Temperaturen von etwa 1500°C in diesem Bereich des Hochofens. Das aufsteigende Kohlenmonoxid reduziert das Eisenoxid (meist Fe2O3) stufenweise. In höheren Teilen des Hochofens, wo die Temperatur geringer ist, wird Fe3O4 gebildet. Das abwärts rutschende Fe3O4 wird in einer tiefer liegenden, heißeren Zone zu FeO weiter reduziert. In einer noch heißeren Zone erfolgt schließlich die Reduktion zu Eisen. In den mittleren Zonen zerfällt das Kohlenmonoxid teilweise zu Kohlenstoff und

Kohlendioxid und fein verteilter Kohlenstoff scheidet sich ab (Boudouard-Gleichgewicht); dieser dieser bewirkt zum Teil eine direkte Reduktion des Eisenoxids und wird zum Teil im flüssigen Eisen gelöst.

3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g)

Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g) FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g)

[1] Nach: Das Basiswissen der Chemie, von Ch.E.Mortimer, 6., völlig neu und erweiterte Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1996

Das flüssige Eisen sammelt sich am Boden des Hochofens. Die Schlacke, die sich aus dem Kalk und der Gangart gebildet hat, schwimmt flüssig auf dem Eisen und schützt dieses vor Oxidation durch den Wind. Schlacke und Eisen werden dann von Zeit zu Zeit ,,abgestochen". Das oben entweichende ,,Gichtgas" enthält Kohlenmonoxid (25-30%), Stickstoff (52-60%) und Kohlendioxid (8-12%) und wird als Brennstoff zum Vorheizen des Windes verwendet. Das gewonnene Roheisen ist allerdings noch nicht schmiedbar, es enthält bis zu 4% Kohlenstoff, 2% Silicium, etwas Phosphor und Spuren Schwefel. Bei der Stahlherstellung werden diese Bestandteile entfernt oder oder ihre Konzentrationen auf gewünschte Werte eingestellt. Ein bestimmter Kohlenstoffgehalt ist erwünscht, jedoch ist Eisen erst unter einem Kohlenstoffgehalt von 1,7% schmiedbar. Die Raffination von Roheisen zu Stahl erfolgt nach zwei bedeutenden Verfahren. Die Verunreinigungen im Roheisen werden dabei oxidiert. Kohlenmonoxid und Kohlendioxid entweichen dann als Gase, die Oxide von Silicium, Phosphor und Schwefel werden mit Calciumoxid (CaO) verschlackt. Das Calciumoxid entsteht dabei aus Calciumcarbonat (CaCO3), welches als Zuschlag zugesetzt wird. Bsp.: CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l)

Die Hauptmenge des Stahls wird nach dem ,,Windfrischverfahren" erzeugt. Flüssiges Roheisen, Eisenschrott und gemahlenes Calciumcarbonat werden dazu in einen Konverter eingebracht, der mit basischen Oxiden ausgekleidet ist. Die Verunreinigungen werden mit reinem Sauerstoff oxidiert. Der eingeblasene Sauerstoff und die Verbrennungsgase sorgen für die Durchmischung. Da die Reaktionen schnell und stark exotherm ablaufen (Bsp.: 4P + 5O2 P4O10 ; H= -2986 kJ), ist keine zusätzliche Heizung erforderlich. -Im allgemeinen erfolgt nun noch eine Nachbehandlung, wobei auch der überschüssige Sauerstoff entfernt und der gewünschte Legierungsgehalt eingestellt werden. Zur Desoxidation dienen z.B. Silicium und

Aluminium oder Mangan, die den Sauerstoff in Form ihrer Oxide binden und in die Schlacke gehen.

Energiebedarf für den Dosenkörper

Für den Energiebedarf zur Darstellung des Eisens für den Dosenkörper wird die Energiebilanz aus den Reaktionen im Hochofen gezogen: I. 2C + O2 2CO

II. 3Fe2O3(s) + CO(g) 2Fe3O4(s) + CO2(g) III. Fe3O4(s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g) VI. FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g)

Reaktionen:

I.: H= H(2CO) - H(2C + O2)

= -222 kJ/mol - 0 kJ/mol

= -222kJ/mol

Reaktion ist exotherm (H neg.), setzt also Wärme frei

II.: H= H(2Fe3O4 + CO2) - H(3Fe2O3 + CO)

= [-2244 kJ/mol + (-395 kJ/mol)] - [-2475 kJ/mol + (-111 kJ/mol)] = -53 kJ/mol

Reaktion ist exotherm (H neg.), setzt also Wärme frei

III.: H= H(3FeO + CO2) - H(Fe3O4 + CO)

= [-815,7 kJ/mol + (-395 kJ/mol)] - [- 1122 kJ/mol + (-111 kJ/mol)] = 22,3 kJ/mol

Diese Reaktion ist endotherm (H pos.), benötigt also Wärme

IV.: H= H(Fe + CO2) - H(FeO + CO)

= [ 0 kJ/mol + (-395 kJ/mol)] - [-271,9 kJ/mol + (-111 kJ/mol)] = -12,1 kJ/mol