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Der Hochofen - Referat
Der Hochofen
Im Rahmen des Chemieunterrichts haben wir den Hochofen behandelt.
So ganz genau hatte ich das nicht verstanden, daher habe ich noch ein bisschen im Chemiebuch und im Internet gelesen.
Warum das Thema wichtig ist...
Eisen und Stahl
• gehören zu den wichtigsten Werkstoffen der Industrienationen
• kommen so nicht in der Natur vor
• und müssen daher industriell produziert werden
• Deutschland
• hat das Glück, dass im Ruhrgebiet sehr viel Fettkohle vorkommt
• war daher lange Zeit in der Montanindustrie führend
• Eisen und Stahl sind ein Riesengeschäft.
• Es geht um sehr viel Geld
Chemische Betrachtung im PSE(Perioden System der Elemente
Wenn man sich sich über chemische Reaktionen
informieren will, ist es immer eine gute Idee, sich die an
der Reaktion beteiligten Partner erst einmal im PSE zu
suchen.
Das Periodensystem der Elemente (PSE)
• ist eine schematische Auflistung aller bekannten chemischen Elemente.
• Aus der Position eines Stoffes im PSE lassen sich
•der Aufbau der Atome
•die sich daraus ergebenden stoffliche Eigenschaften ablesen.
• und mögliche chemische Verbindungen ablesen
•Stoffe bestehen nach dem Bohrschen Atommodel aus einem Kern und einer oder
mehreren Schalen auf denen die Elektronen sich um den Kern bewegen.
• Die Position eines Stoffes im PSE wird gebildet aus
• der Zeile (Anzahl der Schalen auf denen Elektronen vorkommen) und
• der Spalte (Anzahl der {Valenz-} Elektronen auf der äußersten Schale)
•Auf die meisten Schalen passen genau 8 Elektronen.
• Stoffe die von Haus aus eine voll besetzte Außenschale haben nennt man Edelgase.
• Das sind die Stoffe die sich gar nicht verbinden wollen.
• Sie stehen ganz rechts im PSE.
• Alle Stoffe streben den Edelgaszustand an.
• Das klappt am besten, wenn die Stoffe der linken Hauptgruppen sich Partner aus den
rechten Hauptgruppen suchen.
Stoffe mit
• wenigen Valenzelektronen geben diese gerne ab.
• vielen Valenzelektronen nehmen gerne zusätzliche Elektronen auf.
Nicht alle Stoffe lassen sich in das Schema der Hauptgruppen sortieren. Man hat daher zwischen der II. und III. Hauptgruppe und unterhalb der Hauptgruppen noch Nebengruppen ergänzt.
Produktion im Hochofen
Eisen
•Radien Atomradius 124,1 pm Ionenradius 67 (+3) pm Kovalenzradius 116,5 pm
• Dichte 7,87 g/cm³
• Temperaturen:
• Schmelzpunkt: 1808.0 K 1535 °C
• Siedepunkt 3023.0 K 2750 °C
• Natürliche Isotope
Fe-54: 5,8% Fe-56: 91,7% Fe-57: 2,2% Fe-58: 0,3%
• Entdeckung 2000 v.Chr.
• Eisen ist ein Teil von chemischen Verbindungen die in großen Mengen auf der
Erde zu finden ist.
• Diese natürlich vorkommenden chemischen Verbindungen nennt man Eisenerz
Sauerstoff
•Radien Atomradius 60,4 pm Ionenradius 132 (-2) pm Kovalenzradius 66 pm
•Dichte 1,33 g/L
• Temperatur
•Schmelzpunkt 54.75 K -218,4 °C
•Siedepunkt 90.188 K -182,9 °C
•Natürliche Isotope O-16: 99,762%, O-17: 0,038%, O-18: 0,200%
•Entdeckung 1774 Priestley u. Scheele England u. Schweden
•Wenn man von Oxide spricht meint man meistens Verbindungen mit Sauerstoff.
• Die Bildung dieser Verbindungen nennt man Oxidation.
• Im erweiterten Sinne sind alle chemischen Reaktionen, bei denen Elektronen
abgegeben werden, Oxidationen.
Insofern kann auch die Reaktion zwischen Natrium und Chlor als Oxidation
bezeichnet werden, obwohl dabei keine Sauerstoff-Atome beteiligt sind.
•Das Herausholen (von Sauerstoff) aus einer Verbindung nennt man Reduktion.•Das Eisenerz besteht zu großen Teilen aus Verbindungen von Eisen und
Sauerstoff.
Kohlenstoff
Radien Atomradius 77,2 pm Ionenradius 16 (+4) pm Kovalenzradius 77 pm
Dichte 11,260 3,51 D g/cm³
Temperatur
Schmelzpunkt 3823.0 K 3550 °C
Siedepunkt
5100.0 K 4827 °C
Natürliche Isotope
C-12: 98,90% C-13: 1,10%
Entdeckung
seit ca. 7000 Jahren bekannt
Für Chemiker ist Kohlenstoff ein besonders interessanter Stoff, da er so viele und komplizierte Verbindungen eingehen kann. Auch die Lebewesen sind aus Kohlenstoffen aufgebaut. Man hat daher für den Kohlenstoff eine eigene Chemie, die Kohlenstoffchemie (organische Chemie) eingeführt.
Die Verbindungen!
•Der Kohlenstoff hat 4 Valenzelektronen (IV. Hauptgruppe)
• Bei den Oxidationzahlen sind +4 und –4 hervorgehoben. Es kommen also
häufig Verbindungen vor, bei den der Kohlenstoff entweder 4 Elektronen
abgibt oder zusätzlich einfängt.
• Der Sauerstoff hat 6 Valenzelektronen (VI. Hauptgruppe)
• Bei den Oxidationzahlen ist die -2 hervorgehoben. Der Sauerstoff neigt also
wie wir ja schon wissen dazu andere Stoffe zu oxidieren.
• Die beiden Stoffe passen also mit einer
Doppelbindung gut zusammen. Diese wird gebildet
indem sich beiden O-Atome an das C-Atom
andocken und jeweils zwei der 4 Valenz-
elektronen in ihre äußere Schale integrieren.
Dies führt dann zu einem linearen Molekül.
•Das Eisen findet man in der 8. Nebengruppe, woraus sich nur schwer mögliche
Verbindungen ableiten lassen.
• Bei den Oxidationzahlen ist die +3 hervorgehoben. Es kommen also
häufig Verbindungen vor, bei denen das Eisen 3 Elektronen
abgibt.
• Wiederholen wir: Der Sauerstoff hat 6 Valenzelektronen (VI. Hauptgruppe)
• Bei den Oxidationzahlen ist die -2 hervorgehoben. Der Sauerstoff neigt also
wie wir ja schon wissen dazu andere Stoffe zu oxidieren.
• Die beiden Stoffe passen also wie folgt zusammen.
zwei Eisenatome tun sich zusammen und geben
jeweils 3 Elektronen also zusammen 6 Elektronen
für das Molekül, wovon jeweils in die äußere
Schale eines Sauerstoffatoms integriert werden.
Die Grundidee
•Man kann also Eisen gewinnen, indem man Eisenoxid von dem Sauerstoff
trennt.
• Man kann den Sauerstoff „motivieren“ die Bindung mit dem Eisen aufzugeben,
wenn man ihm etwas anbietet was er noch lieber als Eisen oxidert.
• Das Maß, wie gerne ein Stoff eine Verbindung mit einem anderen Stoff eingeht
nennt man Affinität.
• Die Affinität von Sauerstoff zu Kohlenstoff ist höher als die zu Eisen.
• Kohlenstoff kommt in der Natur als Hauptbestandteil von Kohle vor.
•Je nach Entstehung und genauer Zusammensetzung unterscheidet man
• Braunkohle
• Steinkohle
• Fettkohle
• und noch viele andere Arten und Unterarten
• Fettkohle
• hat einen besonders hohen Kohlenstoffanteil
• und kann durch Erhitzen unter Sauerstoffabschluss in Koks, einen Stoff
mit noch höherem Kohlenstoffanteil, umgewandelt werden
Also...
•Wenn man der „Ehe“ von Eisen und Sauerstoff ein bisschen Feuer unterm
Hintern macht
•und dem Sauerstoff dabei den Kohlenstoff als neuen
Verbindungspartner anbietet steht das Eisen irgendwann alleine da.
•Wenn bei einer chemischen Reaktion der Sauerstoff für die Oxidation aus der
Reduktion einer anderen Verbindung gewonnen wird, nennt man diese
kombinierte Reaktion auch Redoxreaktion.
•Kohlenstoff verbrennt zu Kohlendioxid C + O2 CO2
•Kohlendioxid zersetzt sich bei hohen Temperaturen in
Kohlenmonoxid und Sauerstoff der im Hochofen zum großen Teil
an anderen Kohlenstoff gebunden wird. CO2 + C  2CO
Der Sauerstoff im Eisenoxid verbindet sich mit dem
Kohlenmonoxid Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2
Parallel dazu wird ein Teil des Eisenerzes direkt vom Kohlenstoff
reduziert 2Fe2O3 + 3C 4Fe + 3CO2
Die technische Umsetzung
•Man nehme einen großen Ofen
• Fülle von oben Koks und Eisenerz
hinein,
BILD • zünde das Gemisch an.
• und blase von unten ordentlich
Luft rein.
• Damit die Luft ordentlich heiß ist,
wärmt man diese mit den oben
austretenden heißen Abgasen an
BILD
•Das flüssige Eisen sammelt sich
am Boden des Ofens und kann
unten abgelassen werden.
• Weil kein Zapfhahn das aushält,
bohrt man einfach ein Loch rein
BILD
• Weil die Zutaten aber nicht ganz
sauber sind, bleiben noch Reste
auf dem Boden. Die muss man
erst rausräumen, bevor man den
Ofen wieder neu beschicken kann.
• Das ist ungeschickt, weil man so
also den Ofen immer erst sauber,
und dann wieder neu anmachen
müsste.
• Clevere Ingenieure sind daher auf
die Idee gekommen ein zweites
Loch weiter oben zu bohren.
•Damit kann man den Herstellungsprozess kontinuierlich laufen lassen, indem man
• zunächst oben die Schlacke
ablaufen lässt
• dann unten das Roheisen
abzapft
• und dann einfach weiter
macht indem man von oben
wieder Koks und Erz
nachwirft
• Einmal angefahren, läuft der Ofen so
ununterbrochen, bis eine neue
Auskleidung nötig ist. Diese „Ofenreise“
kann bis zu 10 Jahren dauern
´Insgesamt ist das natürlich eine riesige Anlage und nicht nur der Ofen, was aber für das Grundverständnis im Chemieunterricht nicht so wichtig ist.
Dieses Referat wurde eingesandt vom User: Maiky6000
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