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Inhalt Kap. 1 Kap. 2 Kap. 3 Kap. 4 Kap. 5 Kap. 6 Kap. 7 Kap. 8 Kap. 9 Literatur

Vorlesung Chemie der Metalle

9. Übergangsmetalle II

I. Nebengruppe/11. Gruppe/Cu-Gruppe


alte Nomenklatur: III. NG IV. NG V. NG VI. NG VII. NG VIII. NG I. NG II. NG
neue Nomenklatur: 3. Gr. 4. Gr. 5. Gr. 6. Gr. 7. Gr. 8. Gr. 9. Gr. 10. Gr. 11. Gr. 12. Gr.
3d Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
4d Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
5d La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg

Unterkapitel:


Allgemeines

Zur I. Nebengruppe, 11. Gruppe oder Cu-Gruppe gehören die Elemente Kupfer (Cu, englisch copper), Silber (Ag) und Gold (Au). Die wichtigsten Oxidationsstufen (z.B. in wässriger Lösung) ändern sich von +II bei Kupfer, +I bei Silber und +III beim Gold hier etwas ungewöhnlich.

Kupfer

Element: Vorkommen, Gewinnung, Eigenschaften

Für die Herstellung von Kupfer gibt es drei wichtige Rohstoffquellen:
Kupferkies Malachit Malachit mit Azurit
9.1.1. Wichtige Cu-Minerale

Wichtig ist derzeit vor allem die Herstellung ausgehend von den Sulfiden, die ca. 75-80 % der Weltproduktion an Kupfer ausmacht. In Abbildung 9.1.2. ist das Gesamtschema der pyrometallurgischen Kupferherstellung gezeigt.

Abb. 9.1.2. Gesamtschema Cu-Herstellung SVG

Beim Röstreaktionsverfahren wird zuerst das Eisen in mehreren Schritten abgetrennt:

  1. Durch Schaum-Flotation, die in Flotationszellen (s. Abb. 9.1.3.) durchgeführt wird, wird eine Anreicherung der Cu-Erze bzw. eine Abtrennung von der Gangart erreicht. (Prinzip: Sammler wie z.B. Xantogenate mit langen Alkylketten, Schäumer, Drücker und Beleber).
    Abb. 9.1.3. Flotationszelle SVG
  2. Durch Oxidation (partielles Rösten, im Röstofen, meist einem Wirbelbett-Reaktor (s. Abb. 9.1.4) wird Fe-Sulfid mit Sauerstoff bei 700 bis 800 oC zu Fe(II)-Oxid umgesetzt
    CuFeS2 + O2 ----> Cu2S + FeO + SO2
    Das entstehende Schwefeldioxid kann für die Herstellung von H2SO4 weiterverwendet werden. Die festen Produkte dieses Prozesses nennt man Röststein, eine Mischung aus Cu2S, FeS und FeO.
    Abb. 9.1.4. Prinzip des Wirbelbettreaktors SVG
  3. Anschließend wird das Fe-Oxid im Flammofen (s. Abb. 9.1.5) mit Siliciumdioxid verschlackt:
    2 FeO + SiO2 ---> Fe2SiO4
    Abb. 9.1.5. Flammofen SVG
    Das Produkt dieses Prozesses heißt Kupferstein (Cu2S mit FeS).

    Als weitere Schritte folgen in einem kippbaren Konverter
    Abb. 9.1.6. Konverter SVG

  4. Beim Verblaserösten wird noch das restliche FeS geröstet
    FeS + 3/2 O2 ---> FeO + SO2
    und dann verschlackt:
    2 FeO + SiO2 ---> Fe2SiO4
    Nach ca. einer Stunde ist das Eisen verschlackt und die Schlacke wird durch Kippen des Konverters abgegossen. Das Produkt nach dem Verblaserösten nennt man Spurstein (Cu2S).
  5. In einer Röstreaktion, dem sogenannten Garblasen wird das Cu-Sulfid zu 2/3 zu Cu2O abgeröstet:
    2 Cu2S + 3 O2 ---> 2 Cu2O + 2 SO2
    Diese Röstung ist exotherm. Anschließend wird in einer als Reaktion bezeichneten 2. Teilreaktion elementares Kupfer gewonnen:
    Cu2S + 2 Cu2O ---> 6 Cu + SO2
    Das Produkt dieser beiden Teilschritte (Röstreaktion) heißt Blasenkupfer oder Rohkupfer.
  6. Das Rohkupfer wird aus dem Konverter in Blöcke gegossen, die als Anodenplatten bei
  7. der Elektrolyse in CuSO4-Lösung dienen. Das Produkt der elektrolytischen Reinung heißt Reinkupfer oder Elektrolytkupfer. Bei der Elektrolyse gehen unedle Metalle in Lösung, die als Begleiter des Kupfers vorkommenden Edelmetalle wie Ag, Au oder Pt fallen von der Anode ab (Anodenschlamm) und sind wesentlicher Rentabilitätsfaktor der Cu-Herstellung.
Der Preis für Rohkupfer betrug am 13.7.2004 2.3 Euro/kg, am 29.7.2011 6.8 Euro/kg.
Kupfer wird wegen seiner besonderen Eigenschaften, vielfach verwendet. Wichtige Cu-Legierungen sind Messing und die verschiedenen Bronzen (
zu Phasendiagrammen und Strukturchemie)

9.1.7. Kupfer und Kupferlegierungen (Dank an unsere Werkstatt!)

Links zur Kupferherstellung:


Silber

Element: Vorkommen, Gewinnung, Eigenschaften

9.1.XX Silber

Gold

Element: Vorkommen, Gewinnung, Eigenschaften

einige externe Links:
Sonderstunde 7.2012, technische Anorganische Chemie

Au-Verbindungen

nach fallenden Oxidationsstufen

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