Anorganische Technologie

CaCO3 -> CaO + CO2

6 CaO + 2 Al → 3 Ca(g) ↑ + 3 CaO·Al2O3 

Al4[Si4O10](OH)8 

[AlSi3O8]–  (Aluminiumvorkommen)

• Aluminium- und Alumosilicate, z.B.
  Feldspat ( [AlSi3O8]– ), Glimmer ( [AlSi3O10](OH)27– ), Tone (z.B. Kaolinit, Al4[Si4O10](OH)8 ), Lehm

• Al2O3 („Tonerde“) als Korund (rein) und Schmirgel (+Fe2O3, SiO2);

in Form von Edelsteinen (Rubin, Saphir)

• Kryolith Na3AlF6

• Bauxit als Ausgangsmaterial für Al-Gewinnung (ca. AlO(OH), Al(OH)3; +Tonmineralien, + Fe2O3) 

• Na3AlF6  

Vork: im Zinnstein SnO2 

Darst: 

● SnO2 +2C→Sn+2CO
● oder Wiedergewinnung aus Weißblech 

Eig: weiche, niedrigschmelzende Metalle Fp: 232° / silberweiß / zwei Arten: (unter 13,2° - Zinnpest) α-Sn ⇌ β-Sn (über 13,2°C)

Verw: 

ca. 1/3 für Lötmaterialien (Zinnlote)

ca. 1/3 für Verzinnen von Weißblech

ca. 1/3 für Legierungen, u.a. (Bronze (Cu/Sn) (z.B. Lagermetalle, Glocken, Federn, ...)  Britanniametall (90 % Sn, 8 % Sb, 2 % Cu) Letternmetalle, Lagermetalle 

PbS - Bleiglanz 

PbCO3 Weißbleierz 

PbCrO4 Krokoit, Rotbleierz 

PbMoO4 Gelbbleierz 

Darst: 

• Röst-Reduktions-Verfahren

1.) Rösten zu PbO
PbS+3/2O2 →PbO+SO2↑

2.) Reduktion
PbO + C → Pb + CO

• Röst-Reaktions-Verfahren

1.) unvollständiges Rösten
3PbS+3O2 →PbS+2PbO+2SO2↑

2.) Reaktion unter Luftabschluss PbS + 2 PbO → 3 Pb + SO2↑ 

Eig: bläulich-grau; dehnbar, aber geringe Zugfestigkeit  

Pb+1⁄2 O2 +H2O→Pb(OH)2

Pb+1⁄2 O2 +H2O+2CO2 →Pb(HCO3)2

gegenüber verdünnter H2SO4 und HCl beständig (PbSO4 und PbCl2 sind schwerlöslich) 

Eigenschaften, die für die Bearbeitung wichtig sind:

• Schmelztemperatur

• Umweltverträglichkeit

• gute Benetzung

• leicht wieder aufarbeitbar

• ausreichendes Vorkommen

• für den laufenden Prozess verwendbar

• Preis

•  Eigenschaften, die für die Zuverlässigkeit wesentlich sind:

• elektrische Leitfähigkeit

• thermische Leitfähigkeit

• Korrosionsbeständigkeit

• Bildung intermetallischer Verbindungen mit Substratmaterial

• thermischer Ausdehnungskoeffizient

• mechanische Eigenschaften

• Kriechbeständigkeit 

Auswahlkriterien

• gute Benetzung und Ausbreitung auf Metalloxiden

• Oberflächenoxide müssen reduziert werden

• Arbeitstemperatur des Lotes im Wirkungsbereich des Flussmittels

• hohes Lösungsvermögen für Metalloxide

• im Wirkungsbereich dünnflüssig

• leicht entfernbar

  verwendete Flussmittel

• Kollophonium

• Milch-, Öl-, und Stearinsäuren

• (halogenierte Kohlenwasserstoffe)

• Amide und Amine

• Borsäure, Salzsäure, Phosphorsäuren

• diverse Salze (Borate, Chloride, Fluoride, Silicate, ...)

  eventuell Löten unter Schutzgas

Magneteisenstein (Magnetit): Fe3O4

Roteisenstein (Hämatit):Fe2O3

Spateisenstein (Siderit):FeCO3

Eisenkies (Pyrit):FeS2 

Diamant, Korund, Siliciumcarbid, Borcarbid 

Carbide, Nitride, Boride, Silicide der Elemente

Ti V Cr Zr Nb Mo Hf Ta W

sowie Th und U 

• können Legierungen mit Eisenmetallen bilden

• große Härte (9-10 nach Mohs)

• gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

• hoher Schmelzpunkt und hohe chemische Beständigkeit 

• Carburierung in fester Phase (wichtigstes Verfahren)

• Carburierung in Metallschmelzen (kohlenstoffhaltige Metallbäder,

  z.B. Ferrolegierungen, Nickel-, Aluminiumschmelzen)

• Carburierung mit kohlenstoffhaltigen Gasen (z.B. CH4)

• CVD (Metallhalogenid + Wasserstoff + Methan) 

1. verschiedene Typen von Öfen:

   • gasbeheizter Ofen: Heizgas = Schutzgas

   • elektrischer Widerstandsofen (meist „Kohlerohrkurzschlussofen“); Graphitrohr unter H2 als Schutzgas

   • Hochfrequenzinduktionsofen mit Graphittiegel als Suszeptor; unter Hochvakuum; Temperaturen bis 2800°C möglich 

Rohstoffe: Sand, Dolomit, Borax, Kalk, Soda, Feldspäte, Glasscherben 

Herst: Aufschmelzen bei 780°, Läutern bei 1200-1600°C, Homogenisierung, Formgebung 

Flachglas: flüssiges Glas unter Schutzgas auf flüssiges Sn, dann kühlen und schneiden. (Wannen >50m lang, Dicke ca. 7 cm bei 1000°C 

Hohlglas: Press & Blasverfahren 

- Glas: Flach 40% Hohlglas 60% - amorpher Feststoff; bei Abkühlung starker Viskositätsanstieg, Nahordnung der Atome 

- Spezialgläser: 

*Bor-Tonerde-Glas - stabil gegen chemikalien und T-Differenzen (in Labor, chem. Verfahrenstechnik, Haushalt): SiO2, B2O3, Alkalioxide, Al2O3, Erdalkalioxide, Dichte 2,27g/cm3, max. T 500° Name: Duran, Jenaer, Pyrex, Rasotherm 

* Supramax Glas - T stabil bis 1000° 

* Bleikristallglas - Lüster, Linsen, Gläser 

- Quarzglas - einziges technisches Einkomponentenglas (SiO2)

- Quarzgut - Luftblasen eingeschlossen - billiger 

-Silikatgläser - Netzwerbildner (SiO2, B2O3, Al2O3) & Netzwerkwandler (Li2O, Na2O, CaO, K2O, Al2O3) 

-Mehrkomponentengläser: *Kali-KalkGläser, Natron-Kalk-Gläser 

- Glaskeramik: aus Glasschmlezne hergestellt bei speziellen Temperaturbehandlungen in teils polykristallinen und teils glasig/keramischen Zustand; Wichtigstes System: Li2O*Al2O3*3,5 SiO2; geringe Ausdehnung wegen β-Eukryptit-Phase (β-LiAlSiO4) Verw: Kochplatten (Ceran), Kochgeschirr, Schutzglas kamin, Teleskopspiegel 

Typen:
z.B. Hornblendeasbest [Ca2(Fe,Mg)5(OH,F)2][Si8O22]

• Schichtsilicate (Serpentinasbest), gerollte Schichten (Hohlfasern),
z.B. Chrysotil [Mg6(OH)6][Si4O11]·H2O

Eigenschaften:
• nicht brennbar, thermisch beständig, chemisch stabil, verrottungsfest

Verwendung:
• Dachbeläge, Fußbodenbeläge, Asbestzement (Eternit®), Rohre, Kupplungen,Bremsen, Dichtungen

Gesundheitsgefährdung:
• Fasern (< 5 μm, Ø < 3 μm) können in die Alveolen der Lunge gelangen → Asbestose → Lungenkrebs

• Glasfasern mit Ø 10-25 μm

• verschiedenste Sorten je nach Zusammensetzung (in %) (55-75 SiO2, < 13 Alkalien, < 21 MgO + CaO, < 25 B2O3 + Al2O3; außerdem Fe, Ba, Ti, Zr)

  wichtigste Faser „E-Glas“
  (72,5 SiO2, 0-1,5 Al2O3 + Fe2O3, 9,0 CaO, 3,5 MgO, 13,0 Na2O)

• Weltproduktion 3-4 Mio. t

• Darstellung:

Kaolin (Aluminiumsilicat), Quarzsand, Colemanit (Calciumborat), Borsäure, Kalkstein, Dolomit, Flussspat

•  Aufschmelzen bei 1350oC (mehrere Tage)

•  bei 1250oC durch Spinndüse aus Pt/Rh Legierung

•  mit Geschwindigkeit bis zu 200 km/h auf Wickelmaschinen aufgewickelt

• Verwendung:

80 % zur Verstärkung von Polymeren (bessere Zug-Druck-Festigkeit, höhere Temperaturbeständigkeit);
im Bauwesen, Elektroindustrie, Fahrzeugbau, Bootsbau, Rückseite von Teppichen, unbrennbare Textilien (Vorhänge) 

• Fasern aus SiO2 und Al2O3 + verschiedene Gehalte an Metalloxiden

• Eigenschaften:
  geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Dichte (0,01-0,2 g/cm3), Federungsvermögen, Temperaturbeständigkeit

• Weltproduktion ca. 10 Mio. t (davon ca. 80 % zur Hausisolierung)

• Arten
  Glasfaser, „Glaswolle“ (bis 400°C) Steinfaser (höherer Gehalt an MgO, bis 750°C), Schlackenfaser (hoher Gehalt an CaO, bis 750°C und höher) feuerfeste Keramikfaser (reines SiO2 + Al2O3, etwas TiO2, bis 1450°C) reine Al2O3-Fasern (bis 1650°C) reine ZrO2-Fasern (bis 2000°C)

• Herstellung
  Schleuderverfahren, Blasverfahren, (Ziehverfahren) für Glaswolle wichtigstes Verfahren:

  zweistufiges Trommelschleuder-Blasverfahren

  (TEL-Verfahren, TEL-Wolle®) → Fasern Ø 5-10 μm. 20-400 mm Herstellung des Vlies mit Bindemittel (Phenole/Formaldehyd)

• in Österreich TEL-Mineralwolle® (Saint Gobain-Isover Austria AG, Stockerau, NÖ) verwendet bis zu 60% Altglas 

Herstellung
in der Regel durch thermischen Abbau von organischen Polymeren, z.B.

��Zellulosefasern, Zellstofffasern, tierische Fasern ��

Polyacrylnitril

- Silicate (Erdalkali- Alkali-, Fe-, Al-, ...)

- SiO2 (Quarz, Quarzsand, Bergkristall) 

- typischer Halbleiter 

- kristallisiert in der Diamantstruktur (KZ=4) 

- Verändern der elektr. Eig. durch Dotieren (Einbringen von Fremdatomen) 

    * n-Leiter (Zusatz eines Elements mit einem Valenze- mehr) - freibewegliche negative      Ladung  -> + P, As, Sb (Überschussleiter)

    *p-Leiter (Zusatz eines Elements mit einem Valenze- weniger) - positive freibewegliche Lücke -> +B, Ga, In (Defektleiter) 

- Legierungsbestandteil (Ferrosilicium - Stahlindustrie 

- als technisches Si (98,5-99,7%) - Al-Industrie, chem. Industrie 

- als Reinstsilicium (99,9%) - Elektronik, Photovoltaik 

Si: durch Red. von Quarz im Lichtbogenofen: 

SiO2 + 2C -> Si (98% rein) + 2CO (bei 2000°C) 

Stufen: SiO2 -> SiO -> SiC -> Si 

Ferrosilicium: Fe2O3 + Fe + SiO2 + C -> Ferrosilicium 

Reinstsi: Si + 3HCl -> HSiCl3 + H2 (300°) 

fraktionierte Dest., dann HSiCl3 + H2 -> Si + 3HCl (1100°) 

Si-Si Polysilane 

Si-C-Si Carbosilane 

Si-N-Si Silazane 

Si-O-Si Siloxane 

6 RCl + 3 Si -> RSiCl3 + R2SiCl2 + R3SiCl 

-----> Hydrolyse ---->

Silantriole: RSi(OH)3

Silandiole: R2Si(OH)2

Silanole: R3Si(OH) 

----> Kondensation ----> 

 Öle, Harze, Elastomere 

Superphosphate 20% P2O5 - 2 Ca5[(PO4)3F] + 7 H2SO4 → 3 Ca(H2PO4)2 + 7 CaSO4·2H2O + 2 HF  

Doppelsuperphosphate 35% Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 → 3 Ca(H2PO4)2

Trippelsuperphosphate >40% mit ReinstH3PO4

Ammoniumphosphate (NH4)H2PO4)(MAP) | (NH4)2HPO4(DAP) - durch Neutralisierung von H3PO4 mit NH3 Feststoffdünger, lagerbeständig.

Ammoniumpolyphosphate [NH4PO3]n(APP) - PolyH3PO4 Neutralisieren mit NH3 und verdünnen mit H2O (Lsg: 11%N, 37%P2O5); flüssig, in USA

Nitrophosphate Ca5[(PO4)3F] + HNO3 

- (NH4)2SO4: Nebenprodukt in Metallurgie, bei Entschwefelung v. Rauchgasen, durch Abfallsäuren der org. Chemie, durch Ammoniak in der Kokerei; Herstellung: 2NH3 + H2SO4 -> (NH4)2SO4 

- NH4NO3: NH3 + HNO3 -> NH4NO3 (180°, Druck); Explosiv, Mischdünger, Sprengstoff

- Harnstoff: bevorzugter N-Dünger, größtes Produktionsvolumen, Verw: Düngemittel, Tiernahrung, Harze und Kleber; 2NH3 + CO2 -> NH2COONH4; NH2COONH4 <-> NH2CONH2 + H2O 

KCl, KNO3, K2SO4 

Typische Salzlager: 

Steinsalz (NaCl)

Sylvin (KCl)
Carnallit (KMgCl3·6H2O)

Kieserit (MgSO4·H2O)

Kainit (KCl·MgSO4·nH2O)

Anhydrit (CaSO4) 

Gewinnung aus Abraumsalzen, durch Schachtabbau, Aussolung

K2SO4 und KNO3 nur bei Pflanzen die Chloride nicht vertragen (Gurke, Spinat, Tabak) 

MgCO3

MgCO3*CaCO3

MgCl2*KCl*6H2O

Na2SO4*10H2O - Abführmittel 

Na2B4O7*10H2O 

Mineral für Natriumcarbonat (Soda) 

Na2CO3*NaHCO3*2H2O 

-> calcinieren -> in H2O lösen -> filtrieren -> eindampfen zu Na2CO3*H2O -> calcinieren 

CaCO3

CaSO4*2H2O 

CaSO4

Ca5(PO4)3 (F,OH,Cl)