Leseprobe
1 Zusammenfassung
Durch eine aluminothermische Reduktion von Kupfer(II)oxid (CuO) konnte Kupfer (Cu) dargestellt werden. Das erhaltene Produkt war von weicher und formbarer Erscheinung, es wies einen roten, metallischen Glanz auf.
2 Theoretischer Hintergrund
Nur wenige Elemente liegen in der Natur gediegen (elementar) vor, vielfach kommen sie daher in Verbindungen vor. Metalle und Halbmetalle liegen meist als ionische Festkörper- verbindungen wie Oxide, Sulfide, Silicate etc. in der Natur vor. Da diese Verbindungen meist aus Metall- und Halbmetallkationen und Nichtmetallanionen bestehen, sind es im Allgemeinen Reduktionsprozesse, die zur Elementdarstellung führen.[[1] ]
Bei Kupfer (Elementsymbol Cu) handelt es sich um das 29. Element des Periodensystems. Es ist ein hellrotes, metallisch glänzendes, relativ weiches Übergangsmetall der 11. Gruppe und 4. Periode. Kupfer ist gut mechanisch formbar (duktil), leitet hervorragend Wärme und Strom (nach Silber (Ag) der beste Stromleiter) und findet so vielseitige Verwendung. Aufgrund seiner Elektronenkonfiguration [Ar]3d1 tritt es häufig in den Elektronen- konfigurationen +I und +II auf. Kupfer kristallisiert in der kubisch dichtesten Packung (Cu-Typ). Die Dichte beträgt so 8,92g/cm3. Der Schmelzpunkt des Kupfers liegt bei 1083,4°C, der Siedepunkt bei 2595°C. Kupfer findet als Legierungsbestandteil vielfach Anwendung.[[2] ]
Als edles Übergangsmetall kommt es in der Lithosphäre1 in kleineren Mengen gediegen vor, ist aber meist kationisch als Oxid, Sulfid oder Carbonat gebunden. An der Luft passiviert elementares Kupfer langsam zu rotem Kupfer(I)-Oxid (Cu2O). Bei Gegenwart von Kohlendioxid, Schwefeldioxid oder chloridhaltigem Nebel bildet sich die bekannte grüne Patina alter Kupferstatuen und -dächer: CuCO3 · Cu(OH)2, CuSO4 · Cu(OH)2, bzw. CuCl2 ·3Cu(OH)2. Wichtige Kupfererze sind u.a. Kupferkies (CuFeS2), Cuprit (Cu2O) oder Malachit (Cu2(OH)2(CO3)).[[2] ]
Kupferkies bildet in der Industrie das wichtigste Erz zur Darstellung von elementarem Kupfer. Beim Abbau weist das Kupfererz meist einen Kupferanteil von 0.4 - 2.0 % auf, zu niedrig für direkte schmelzmetallurgische Verfahren, daher wird das Erz durch Flotation2 angereichert. Der Erzschaum wird ausgepresst und der Presskuchen, der das angerei- cherte Kupfererz enthält, wird durch das schmelzmetallurgische Verfahren zu Rohkupfer weiterverarbeitet.[[2]-5 ]
Darstellung von Kupfer mittels aluminothermischer Reduktion von Kupfer(II)oxid | 2016 Dabei wird ausgenutzt, dass unter hohen Temperaturen, der Beimengung von Koks und durch Einblasen von Sauerstoff (dem sogenannten Rösten) im Kupferkies zunächst nur das Eisen oxidiert wird, welches mit beigemengtem Quarz eine Eisensilicatschlacke bildet, die sich nicht mit flüssigem Kupfersulfid (Cu2S) mischt und daher abgetrennt werden kann.[[2]-5 ]
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Das zur Bildung von Eisensilicatschlacke (Fe2SiO4) notwendige Kohlenstoffmonoxid wird durch das Feuern mit Koks erzeugt, welches zugleich die notwendige Wärme für den Prozess bereitstellt. Kupferstein (Cu2S), dass noch Eisensulfid (FeS) enthält, kann abgestochen werden, da es eine höhere Dichte besitzt als die Eisensilicatschlacke. Durch das nachfolgende Schlackenblasen wird das noch vorhandene Eisensulfid (FeS) zu Eisensilicatschlacke oxidiert. Etwa zwei Drittel des übrig gebliebenen Kupfersulfids (der sogenannte Sparstein) wird durch das Einblasen von Sauerstoff in Kupferoxid (Cu2O) umgewandelt (das sog. Garblasen), der dann mit dem restlichen Kupfersulfid reagiert.[[2]]
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Das so gewonnene Rohkupfer weißt einen Kupfergehalt von 94-97 Gew.-% auf. Eine weitere Reinigung (Raffination) erfolgt schmelzmetallurgisch, dabei wird das gewonnene Rohkup- fer zunächst mit Luftsauerstoff oxidiert und dann mit noch vorhandenem Kupfersulfid wieder umgewandelt. Dabei verflüchtigen sich enthaltene Fremdmetalle, wie Eisen, Nickel, Zink und weitere, als Oxide oder werden verschlackt. Noch vorhandenes Kupferoxid wird anschließend mit Erdgas reduziert. Das so erhaltene Garkupfer besteht zu 99Gew.-% aus Kupfer und enthält noch Edelmetalle, die erst durch die elektrolytische Raffinati- on abgetrennt werden. Dafür werden Garkupferplatten hergestellt, die als Anoden in eine schwefelsaure Kupfersulfatlösung tauchen; die Kathode bildet ein Feinkupferblech. Während der Elektrolyse gehen unedlere Metalle in Lösung, ohne sich an der Kathode abzuscheiden und die edleren Metalle sinken als Anodenschlamm zu Boden. Die Kupferka- tionen werden an der Kathode zu Elektrolytkupfer mit einer Reinheit von 99,95Gew.-% reduziert. Moderne Varianten der Raffination greifen auf unterschiedliche Techniken zurück, die allerdings auf denselben Prinzipien aufbauen.[[2],6 ]
Anodenreaktionen (Beispiele):
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Kathodenreaktion:
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Darstellung von Kupfer mittels aluminothermischer Reduktion von Kupfer(II)oxid | 2016
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Abb. 1: Vereinfachtes Schema der industriellen Kupferdarstellung.
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[1] Kurz/Stock, Synthetische Anorganische Chemie, 1. Aufl., Walter de Gruyter, Berlin, 2013, 25 f.
[2] A. F. Holleman, E. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Bd. 102, Walter de Gruyter, 2007, 1433 ff.
[3] M. E. Schlesinger, M. J. King, K. C. Sole, W. G. Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, 5. Aufl., Elsevier (Amsterdam), 2011, 54 ff.
[4] M. E. Schlesinger, M. J. King, K. C. Sole, W. G. Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, 5. Aufl., Elsevier (Amsterdam), 2011, 31 ff.
[5] M. E. Schlesinger, M. J. King, K. C. Sole, W. G. Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, 5. Aufl., Elsevier (Amsterdam), 2011, 73 ff.
[6] M. E. Schlesinger, M. J. King, K. C. Sole, W. G. Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, 5. Aufl., Elsevier (Amsterdam), 2011, 251 ff.