d-Block Elemente

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.

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Nach dem Abstich des Roheisens aus dem Hochofen muß das Roheisen entschwefelt werden. Dazu wird feiner Kalkstaub oder Kalziumkarbid in das Roheisen eingeblasen, der den Schwefel durch die Reaktion
S + CaC₂ + 3O₂ → CaSO₄ + 2CO

bindet. Im Stahlwerk werden unedleren Bestandteile des Roheisens, wie Silizium, Kohlenstoff, Phosphor und Mangan durch das Aufblasen von Sauerstoff oxidiert. Die dabei ablaufenden Reaktionen sind:
Si + O₂ --> SiO₂
P + 1¼O₂ --> ½ P₂O₅
C + O₂ --> CO₂
Mn + ½O₂ --> MnO
Dies geschieht zum größten Teil nach dem in Linz und Donawitz entwickelten LD-Verfahren. Da die Oxidationsreaktionen stark exotherm sind, muß während des Aufblasens von Sauerstoff (Frischen) gekühlt werden.

Kobalt ist für den Körper ein essentielles Element, da es ein Bestandteil von Vitamin B12 ist.

Nickel aus Eisen- und Nickelsulfiderzen. Der erste Schritt bei der Gewinnung aus Erz (eine komplexe Mischung von Sulfiden), ist das Abrösten in der Luft, um das Oxid zu bilden:
2NiS(s) + 3O₂(g) ---> 2NiO(s) + 2SO₂(g)
Das Oxid wird dann entweder mit Kohlenstoff reduziert und elektrolytisch raffiniert, oder nach dem Mondprozeß gereinigt. Zuerst wird mit Wasserstoff reduziert:
NiO(s) + H₂(g)  ---> (Δ) Ni(s) + H₂O
Dann wird beim Mondprozeß das unreine Nickel Kohlenmonoxid ausgesetzt und bildet dabei Nickeltetracarbonyl, Ni(CO)₄:
Ni(s) + 4CO(g) ---> (50°C) Ni(CO)₄(g)
Diese Reaktion kann in die Gegenrichtung laufen, wenn man Nickeltetracarbonyl auf ca. 200°C erhitzt, wobei es sich zu reinem Nickel und Kohlenmonoxid zersetzt:
Ni(CO)₄(g) ---> (200°C) Ni(s) + 4CO(g)
Die Oxidationszahl von Nickel ist +2.

Prozesse für die Extraktion der Metalle aus ihren Erzen werden im allgemeinen pyrometallurgisch genannt, wenn hohe Temperaturen verwendet werden, oder hydrometallurgisch, wenn wäßrige Lösungen eingesetzt werden. Im pyrometallurgischen Prozeß zur Kupfergewinnung wird das angereicherte Erz an der Luft geröstet. Es entsteht Cu₂S, FeS und SO₂. Beim weiteren Verblasen (oxidieren) wird das FeS in FeO und SO₂ übergeführt, FeO wird mit SiO₂ verschlackt. Cu₂S wird teilweise zu Cu₂O umgesetzt, das mit noch nicht umgesetzten Cu₂S zu Cu und SO₂ reagiert:
Cu₂S + 2Cu₂O ---> 6Cu + SO₂
Bei den hydrometallurgischen Prozessen zur Kupfergewinnung, werden zuerst Cu²⁺ Ionen durch Einwirkung von Schwefelsäure auf die Erze erzeugt. Dann erhält man das Metall durch Reduktion der Ionen in wäßriger Lösung. Ökonomische Reduktionsmittel sind Wasserstoff
Cu²⁺(aq) + H₂(g) ---> Cu(s) + 2H⁺(aq)
und Schrott
Cu²⁺(aq) + Fe(s) ---> Cu(s) + Fe²⁺(aq)

Kupfer wird mit Zinn zu Bronze, und mit Zink zu Messing legiert.

Kupfer korrodiert in feuchter Luft als Resultat der Oxidation, die durch die Mischung von Wasser, Sauerstoff und Kohlendioxid abläuft:
2Cu(s) + H₂O(l) + O₂(g) + CO₂(g) ---> Cu₂(OH)₂CO₃(s)
Das blaßgrüne Produkt wird basisches Kupferkarbonat genannt und ist für die grüne Patina auf Kupfer- und Bronzegegenständen verantwortlich und schützt das Metall.

Reagiert Gold mit Königswasser (Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und Salzsäure) da die Au³⁺ Ionen mit Cl^- Ionen das komplexe Ion AuCl₄^- bilden:
Au(s) + 6H⁺(aq) + 3NO₃^-(aq) + 4Cl^-(aq) ---> AuCl₄^-(aq) + 3NO₂(g) + 3H₂O(l)

Zink wird hauptsächlich als Sulfid ZnS gefunden und kommt oft zusammen mit Bleierzen vor. Das Erz wird durch Flotation angereichert und das Metall durch Rösten und Schmelzen mit Koks gewonnen. So wie Kupfer wird es durch einen harten Film basischer Karbonate Zn₂(OH)₂CO₃ geschützt, die sich bei Luftkontakt bilden.

Quecksilber kommt hauptsächlich als Mineral, Zinnober, HgS, vor, das durch Flotation angereichert und dann an der Luft geröstet wird:
HgS(s) + O₂(g) --->(Δ) Hg(g) + SO₂(g)
Das flüchtige Metall wird abdestilliert und kondensiert, bei Raumtemperatur ist Quecksilber flüssig.
Quecksilber hat in den Verbindungen eine Oxidationszahl von +1 oder +2.