d-Block Elemente

Der Zahlenbereich der Atomradien der d-Metalle ist nicht sehr groß und einige Atome eines d-Metalls können ohne allzu große Verzerrungen durch jene eines anderen d-Metalls im Feststoff ersetzt werden. Die d-Metalle können daher zusammengemischt werden und bilden dabei eine lange Reihe von Legierungen, für die zahlreiche Stahlsorten wichtige Beispiele darstellen.

Die Fähigkeit zur permanenten Magnetisierung, die man von Eisen, Kobalt und Nickel kennt, wird durch Gleichrichtung der Elektronenspins in größeren Bezirken von Atomen oder Ionen hervorgerufen. Die Anordnung des Elektronenspins kann durch Kontakt des Metalls mit einem magnetischen Feld erreicht werden. Die Wechselwirkung zwischen den Elektronen stellt sicher, daß diese gleichsinnige Anordnung sogar nach Abdrehen des Feldes beibehalten wird.
 

Titan: Hauptquellen sind Ilmenit, FeTiO₃, und Titanoxid, TiO₂. Die Erze werden zuerst in der Gegenwart von Koks mit Chlor behandelt, wobei Titan(IV)chlorid gebildet wird. Das Chlorid kann dann mit flüssigem Magnesium reduziert werden:
TiCl₄(g) + 2Mg(l) → (700°C) Ti(s) + 2MgCl₂(s)
Die wichtigste Oxidationsstufe von Titan ist +4.

Reines Vanadium kann durch Reduktion von Vanadiumpentoxid,V₂O₅, mit Kalzium erzeugt werden:
V₂O₅(s) + 5Ca(l) → (Δ) 2V(s) + 5CaO(s)
oder durch Reduktion von Vanadium(II)chloride mit Magnesium:
VCl₂(s) + Mg(l) → (Δ) V(s) + MgCl₂(s)
Die Elektrolyse von geschmolzenem Vanadium(II)clorid wird auch für die großtechnische Herstellung des metallischen Vanadiums eingesetzt.

Chrom wird aus Chromit, FeCr₂O₄ (FeO.Cr₂O₃), durch Reduktion mit Kohlenstoff in einem elektrischen Lichtbogenofen gewonnen.
FeCr₂O₄(s) + 4C(s) → Fe(s) + 2Cr(s) + 4CO(g)

Thermitreaktion:
Cr₂O₃(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 2Cr(l)

Cr₂O₃(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 2Cr(l)

Das Chromat wird in Gegenwart von Säure in das orange Dichromation, Cr₂O₇^2-, umgewandelt:
2CrO₄^2-(aq) + 2H⁺(aq) ↔ Cr₂O₇^2-(aq) + H₂O(l)
Im Labor sind die angesäuerte Dichromatlösungen mit der Oxidationszahl des Chroms von +6 nützliche Oxidationsreagenzien:
Cr₂O₇^2-(aq) + 14H⁺(aq) + 6e^- → 2Cr³⁺(aq) + 7H₂O(l)

Kaliumpermanganat (KMnO₄), in dem das Mangan seine höchste Oxidationsstufe hat (+7), ist als Oxidationsmittel in saurer Lösung nützlich.

Wichtigste Eisenerze sind die Oxide Hämatit, Fe₂O₃, und Magnetit, Fe₃O₄, Pyrit, FeS₂ (Katzengold) wird nicht eingesetzt.
Das feinkörnige Eisenerz wird zu stückigem Gut gesintert und im Hochofen zu Roheisen reduziert. Er wird von oben über die sogenannte Gicht abwechselnd mit Koks und Erz mit Zuschlagstoffen (hauptsächlich Kalk) beschickt. Oberhalb des Gestells (Zone A) in dem sich das reduzierte, geschmolzene Eisen und die Schlacke befinden, wird Heißluft (Wind) eingeblasen. Der Kalkstein, der hauptsächlich aus Kalziumkarbonat besteht, wird im Hochofen thermisch zu Kalziumoxid und Kohlendioxid zersetzt. Das Kalziumoxid wird verschlackt und hilft bei der Entfernung von sauren Anhydriden (Nichtmetalloxiden) aus dem Erz:

CaO(s) + SiO₂ → (Δ) CaSiO₃(l)
CaO(s) + Al₂O₃(s) → (Δ) Ca(AlO₂)₂(l)
6CaO(s) + P₄O₁₀(s) → (Δ) 2Ca₃(PO₄)₂(l)
Schlacke ist bei Temperaturen des Hochofens flüssig und schwimmt auf dem dichteren, geschmolzenen Roheisen. Sie wird abgezogen und kann zur Herstellung von Baumaterialien eingesetzt werden.

In den verschiedenen Zonen laufen unterschiedliche Reaktionen ab, wenn Luft und Sauerstoff durchgeblasen werden. Das Erz, ein Oxid, wird durch die Reaktion mit dem entstehenden Kohlenmonoxid zu Metall reduziert.
Das geschmolzene Eisen wird durch eine Reihe von Reaktionen in den vier Hauptthermozonen des Hochofens erzeugt. In der Zone A wird vorgewärmte Luft in den Hochofen eingeblasen und dabei wird der Koks oxidiert. Die Reaktion
C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
ist exotherm und die Temperatur erreicht 1900°C. Wenn das reduzierte Eisen sich von der Zone C zur Zone A bewegt, schmilzt es (Schmelzpunkt reines Eisen 1540°C, in Gegenwart von 4.3% Kohlenstoff 1152°C). Sowie sich das Kohlendioxid durch den Hochofen nach oben zur Zone B bewegt, reagiert es mit einem Teil des Koks und produziert dabei Kohlenmonoxid:
CO₂(g) + C(s) → 2CO(g)

Diese Reaktion ist endotherm und führt zu einem nennenswerten Absinken der Temperatur auf 1300°C. Das Kohlenmonoxid ist das Reduktionsmittel für die Reduktion des Eisenerzes in der Zone C, wo die Temperatur ca. 1000°C beträgt.
FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO₂(g)
Fe₂O₃(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO₂(g)

Eisen ist ein sehr hartes Metall. Seine physikalischen Eigenschaften werden durch teilweise Reaktion mit Kohlenstoff verbessert, da die so gebildeten Karbide den Feststoff verfestigen. Diese Stahlsorten haben unterschiedliche Härte, Zugfestigkeit und Duktilitäten; höherer Kohlenstoffgehalt – härteres und spröderes Produkt.