Essentials

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)

Cr₂O₃(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 2Cr(l)

Im allgemeinen werden Alkine wie Alkene hergestellt. Zu den Präparationsmethoden gehört die Eliminierung von zwei HBr aus Dibromalkanen; zur Entfernung des zweiten HBr sind allerdings höhere Temperaturen nötig:

          Br    Br                                                       Br
          |      |                                                           |
CH₃-CH-CH₂ + OH^-  → (org. LM, 80°C)  CH₃C=CH₂ + Br^- + H₂O
         Br
         |
CH₃C=CH₂ + OH^- → (org. LM, 120°C) CH₃C≡CH + Br^- + H₂O

Die Reaktion der Alkine ähneln jenen der Alkene. Die wichtigste Reaktion ist die Addition an die Dreifachbindung. Alkine können hydriert, halogeniert, hydrohalogeniert oder hydratisiert werden

Die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Alken unter Bildung eines halogenierten Alkans wird Hydrohalogenierung genannt und stellt die Gegenreaktion zur Dehydrohalogenierung dar, durch die Alkene erzeugt werden:

CH₂=CH₂ + HBr → (0°C) CH₃-CH₂Br

Halogenierungen, besonders die Bromierung mit Bromwasser (einer wäßrigen Lösung von Brom) wird als einfacher Test auf Alkene angewandt. In der abgebildeten Reaktion bilden das dunkelbraune Brom und das farblose Ethen das ebenso farblose 1,2-Dibromethan.

Aromatische Kohlenwasserstoffe: Obwohl sie ungesättigt sind, sind sie viel weniger reaktiv als Alkene. Ein Zeichen dieser geringen Reaktivität ist, daß die Verbindungen Bromwasser nicht entfärben.

Eine Eliminierungsreaktion ist eine Reaktion, bei der zwei Gruppen oder Atome an benachbarten Kohlenstoffatomen aus dem Molekül entfernt werden, wobei eine Mehrfachbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen zurückbleibt.

Alkene werden auch durch Abspaltung von HBr aus Bromalkan gebildet, indem das Bromalkan in Alkohol mit Natriumhydroxid erhitzt wird:
             Br     H
             |        |
CH₃ – CH – CH₂ + OH^-  → (organ. LM, 55°C) CH₃ – CH = CH₂ + Br^- + H₂O

Diese Reaktion ist ein Beispiel für die Dehydrohalogenierung, in diesem Fall eine Dehydrobromierung. Allgemein ist sie ein Beispiel für eine Eleminierungsreaktion.

Alkane in Alkene umwandeln. Durch Entfernung von Wasserstoffatomen an zwei benachbarten Kohlenstoffatomen mit Hilfe der katalytischen Dehydrierung:
CH₃CH₃  → (Cr₂O₃, 500°C) CH₂=CH₂(g) + H₂

Eines der Arbeitsziele einer Ölraffinerie ist die Umwandlung unverzweigter Alkane in besser brennende verzweigte Alkane unter Verwendung der katalytischen Reformingreaktion. In diesem Prozeß wird das unverzweigte Alkan etwa bei Raumtemperatur über einen Lewissäurekatalysator (typisch ist ein Aluminiumhalogenid) geleitet:

                                                                                                        CH3
                                                                                                        |
CH3 – CH2 – CH2 – CH3  → (AlCl₃, Raumtemperatur) CH3 – CH – CH3

Diese Reaktion ist ein Beispiel für Isomerierung, eine Reaktion, bei der eine Verbindung in eines seiner Isomeren umgewandelt wird. In der Praxis entsteht eine Mischung von Produkten. Wenn die Temperatur erhöht wird, findet auch eine Fragmentierung statt, die unter der Bezeichnung „Cracken“ bekannt ist.

Eine Substitutionsreaktion ist eine Reaktion, bei der ein Atom oder eine Atomgruppe ein Atom des ursprünglichen Moleküls ersetzt.

CH₄(g) + Cl₂(g) → CH₃Cl(g) + HCl(g)

Substitutionsreaktion, Eliminierungsreaktion, Additionsreaktion, Kondensationsreaktion;
Die charakteristische Reaktion einer C=C Doppelbindung ist die Addition, die zur Eliminierung entgegen gesetzte Reaktion.

Alkane sind nicht vollständig inert. Eine ihrer technisch wichtigsten Reaktion ist die Oxidation, besonders ihre vollständige Verbrennung zu Kohlendioxid und Wasser.

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + H₂O(g)

Eine Eliminierungsreaktion ist eine Reaktion, bei der zwei Gruppen oder Atome an
benachbarten Kohlenstoffatomen aus dem Molekül entfernt werden, wobei eine
Mehrfachbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen zurückbleibt.
Bsp.: eine Dehydrohalogenierung ist eine Eliminierungsreaktion, oder
Dehydrierung:
CH₃CH₃ → (Cr₂O₃) CH₂=CH₂ + H₂

Eine Kondensationsreaktion ist eine Substitutionsreaktion, bei der sich 2 Moleküle
unter Abspaltung eines einfachen Moleküls (z.B. Wasser oder Ammoniak) miteinander
verbinden. Wichtig für die Veresterung.
C₂H₅NO₂ + C₃H₇NO₂ → C₅H₁₀N₂O₃ + H₂O

Eine Substitutionsreaktion ist eine Reaktion, bei der ein Atom oder eine Atomgruppe
ein Atom des ursprünglichen Moleküls ersetzt.
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Eine Additionsreaktion einer ungesättigten Verbindung ist eine Reaktion, bei der ein
Reaktand an die beiden (durch eine Mehrfachbindung verbundene) Atome addiert
wird. Die Mehrfachbindung wird dabei aufgespalten:
CH₃CH=CHCH₃ + H₂ → (Ni, 500°) CH₃CH₂CH₂CH₃

Bei einer Kondensationspolymerisation kann das Wachstum nur an funktionellen
Gruppen auftreten (im Gegensatz zur radikalischen Polymerisation, bei der die
Seitenketten aus der Hauptkette wachsen). → Polyestermoleküle können
nebeneinander angeordnet werden, indem man sie durch ein kleines Loch presst →
können zu einer Faser versponnen werden. Veresterung von Terephtalsäure mit
Ethylenglykol:

Eine Reaktion, bei der ein Halogen in eine Verbindung eingebaut wird. Bsp.:
CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl-CH₂Cl
Anwendung: Test auf Alkene

Erzeugung entweder durch Oxidation gasförmiger KW, oder aus CO und H₂:
CO + 2 H₂ → (400°C, 150atm, ZnO) CH₃OH

eine Polymerkette wird durch Radikale verlängert. Ein Monomer wird auf 1000 bar
komprimiert und in Gegenwart eines organischen Peroxides (Typ R-O-O-R) auf 100°C
erhitzt. Dabei entstehen zwei Radikale:
R-O-O-R → R-O· + ·O-R
Diese Radikale greifen das Monomermolekül CH_X=CH₂ an und bilden ein neues
Radikal:
                       H                       H
                        |                         |
R-O· + CH₂=C → R-O-CH₂-C·
                        |                         |
                       X                        X

Wenn dieses Radikal andere Monomermoleküle angreift, pflanzt sich diese Kette fort:
                  H               H                       H          H
                   |                 |                        |            |
R-O-CH₂-C· + CH₂=C → R-O-CH₂-C-CH₂-C·
                   |                 |                        |            |
                  X                X                      X           X

Die Kette wächst so lange, bis alle Monomere aufgebraucht sind, oder bis zwei Ketten
zusammenwachsen.

Element  Quelle   Prozess

P₄           PO₄^3-  Erhitzen mit Kohlenstoff und Sand im elektrischen Ofen:                                                                                                                2 Ca₃(PO₄)₂ (l) + 6 SiO₂ (l) + 10 C (s) → (1500°C) P₄ (g) + 6 CaSiO₃ (l) + 10 CO (g)

Fe           Fe₂O₃  Hochofen: Fe₂O₃ (s) + 3 CO (g) → (900°C) 2 Fe (l) + 3 CO₂ (g)

Element   Quelle   Prozess

Na            NaCl     Downs Prozess: 2 NaCl (l) → (Elektrolyse bei 600°C) 2 Na (l) + Cl₂ (g)

K              KCl        Reduktion mit Natriumdampf: KCl (l) + Na (g) → (750°C) K (g) + NaCl (s)

Si              SiO₂     Reduktion im Elektroofen: SiO₂ (s) + 2 C (s) → (1500°C) Si (s) + 2 CO (g)

Al              Al₂O₃   Hall Prozess: 2 Al₂O₃ (in Kryolith) + 3 C (s) → (Elektrolyse bei 900°C) 4 Al (l) + 3 CO₂ (g)

Ti              TiCl₄     Kroll Prozess: TiCl₄ (g) + 2 Mg (l) → (750-1000°C) Ti (s) + 2 MgCl₂ (l)

Element   Quelle   Prozess

S               H₂S     Claus Prozess: 2 H₂S (g) + 3 O₂ (g) → 2 SO₂ (g) + 2 H₂O (g)

                                                        2 H₂S (g) + SO₂ (g) → (300°C, Al₂O₃) 3 S (g) + 2 H₂O (g)

Element   Quelle   Prozess

Cl₂           NaCl      Downs Prozess: 2 NaCl (l) → (Elektrolyse bei 600°C) 2 Na (l) + Cl₂ (g)

Br₂, I₂      Br^-, I^-     Oxidation und Entgasung: Cl₂ (g) + 2 Br^- (aq) → 2 Cl^- (aq) + Br₂ (l)

                                                                          Cl₂ (g) + 2 I^- (aq) → 2 Cl^- (aq) + I₂ (aq)

Element   Quelle   Prozess

F₂            F^-          Moissan's Methode: 2 HF (mit gelöstem KF) → (Elektrolyse bei 100°C) F₂ (g) + H₂ (g)

Au             Au        Cyanid Prozess:

                             4 Au (s, unrein) + 8 CN^- (aq) + O₂ (g) + 2 H₂O (l)  → 4 [Au(CN)₂]^- (aq) + 4 OH^- (aq)

                             2 [Au(CN)₂]^- (aq) + Zn (s) → 2 Au (s, rein) + [Zn(CN)₄]^2- (aq)

Trockenzelle bzw. Leclanché Zelle: Zinkgehäuse, daß innen mit Papier (als poröse Barriere) ausgekleidet ist. Das metallische Zink wirkt als Zellanode und liefert an den äußeren Stromkreis durch die Anodenreaktion Elektronen:
Zn (s) ---> Zn²⁺(aq) + 2 e^-

Der Behälter ist mit einer feuchten Paste aus Ammoniumchlorid, Mangan(IV)oxid, fein verteilten Kohlenstoffkügelchen und einem inerten Füllmaterial (normalerweise Stärke) gefüllt. Die Kathode besteht aus einem Kohlenstab in der Mitte des Behälters. Kathodenreaktion:
MnO₂ (s) + H₂O (l) + e^- ---> MnO(OH) (s) + OH^- (aq)

Alkalische Zelle: Ammoniumchlorid wird durch Natrium- (NaOH) oder Kaliumhydroxid (KOH) ersetzt. Mehr Leistung, gleichmäßiger Stromfluß.
Anodenreaktion:
Zn (s) + 2 OH^- (aq) ---> Zn(OH)₂ (s) + 2 e^-
Kathodenreaktion:
2 MnO₂(s) + 2 H₂O(l) + 2 e^- ---> 2MnO(OH) (s) + 2 OH^- (aq)

Blei-Säure-Zelle: Jede Zelle enthält mehrere Gitter, die als Elektroden wirken. Die Elektroden sind anfangs eine harte Blei-Antimon-Legierung, die mit einer Paste von Blei(II)sulfat bedeckt sind. Der Elektrolyt ist Schwefelsäure. Während der Aufladung wird ein Teil des Blei(II)sulfats auf einer Elektrode zu Blei reduziert und auf der anderen Elektrode zu Blei(IV)oxid oxidiert. Daher hat eine voll aufgeladene Blei-Säure-Zelle metallisches Blei auf einem Set der Blei-Antimon-Elektroden abgeschieden und es wird Blei(IV)oxid auf dem zweiten Elektrodenset abgeschieden. Diese Gitterelektroden innerhalb der Zelle sind abwechselnd Anode und Kathode und sind voneinander durch ein faseriges Gewebe getrennt. Die Entladungsreaktion an der Anode ist die Oxidation des Bleimetalls zu Pb²⁺ in Gegenwart von Hydrogensulfationen aus der Schwefelsäure.

Anodenreaktion:
Pb (s) + HSO₄^- (aq) ---> PbSO₄(s) + H⁺(aq) + 2 e^-
An der Kathode wird das PbO₂(s) zu Pb²⁺ während der Entladung reduziert.

Kathodenreaktion:
PbO₂ (s) + 3 H⁺(aq) + HSO₄^-(aq) + 2 e^- ---> PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

Die Gleichung für die gesamte Zellreaktion während der Entladung:
PbO₂(s) + Pb(s) + 2 H⁺(aq) + 2 HSO₄^-(aq) ---> 2 PbSO₄(s) + 2H₂O(l)
Bei der Entladung wird Schwefelsäure (H₂SO₄) verbraucht, wenn die Zelle wieder geladen wird, wird Schwefelsäure erzeugt.

Nickel-Cadmium-Zelle: Wiederaufladbar. Die Elektroden bestehen aus einem Edelstahlgitter und der Elektrolyt ist eine Kaliumhydroxidlösung (KOH). Die Elektronen kommen aus der Oxidation von metallischem Cadmium.

Anodenreaktion:
Cd (s) + 2 OH^-(aq) ---> Cd(OH)₂ (s) + 2 e^-
Die Kathodenreaktion ist die Reduktion von Nickel(III)hydroxid.

Kathodenreaktion:
2 Ni(OH)₃ (s) + 2 e^- ---> 2 Ni(OH)₂(s) + 2 OH^-(aq)

Brennstoffzelle: einfache Version einer Brennstoffzelle: wäßriges Kaliumhydroxid als Elektrolyt.

Oxidationsreaktion des Wasserstoffs:

Anodenreaktion:
H₂ (g) + 2 OH^-(aq) ---> 2 H₂O + 2 e^-
Reduktion von Sauerstoff an der Kathode.

Kathodenreaktion:
O₂(g) + 2 H₂O(l) + 4 e^- ---> 4 OH^-(aq)
Nettoreaktion ist die Bildung von Wasser!

Die echten Erdakalimetalle – Kalzium, Strontium, Barium – werden entweder elektrolytisch oder durch Reduktion mit Aluminium in einer Version des Thermitprozesses gewonnen. Für Barium lautet dieser beispielsweise:
3BaO(s) + 2Al(s) → Al₂O₃(s) + 3Ba(s)

Metallisches Magnesium wird durch Reduktion erzeugt, entweder elektrolytisch oder mit einem chemischen Reduktionsmittel. Die elektrolytische Methode verwendet Meerwasser oder Salzsolen als wichtigstes Rohmaterial. Der erste Schritt besteht in der Fällung des Magnesiumhydroxid mit Kalziumhydroxid, das aus der thermischen Zersetzung von Kalziumkarbonat aus Muscheln gewonnen wird:
Mg²⁺(aq) + 2OH^-(aq) → Mg(OH)₂(s)
Das gefällte Magnesiumhydroxid wird abfiltriert und mit Salzsäure behandelt:
Mg(OH)₂(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + 2H₂O(l)
Die Säure wird aus der Einwirkung von Chlor (aus der Elektrolyse) auf Erdgas erhalten:
CH₄(g) + Cl₂(g) → CH₃Cl(g) + HCl(g)
Schließlich wird das Magnesiumchlorid getrocknet, in eine elektrolytische Zelle gebracht und geschmolzen. Bei der Elektrolyse wird Magnesium an der Kathode und Chlor an der Anode erzeugt:
MgCl₂(l)  → (Elektrolyse) Mg(s) + Cl₂(g)

Silizium ist die zweithäufigste Substanz in der Erdkruste in Form der Silikate, der Steine und als Siliziumdioxid (SiO₂) des Sandes. Es wird durch Reduktion mit hochreinem Kohlenstoff in einem elekrischen Bogenofen aus Quarzit gewonnen, der granularen Form des Quarzes. Das Rohprodukt wird dann Chlorgas ausgesetzt und bildet dabei Siliziumtetrachlorid, das destilliert werden kann und mit Wasserstoff zu einer reineren Form des Elementes reduziert wird.

SiCl₄(l) + 2H₂(g) → Si(g) + 4HCl(g)

Weitere Reinigung: In einem Prozeß wird ein einzelner großer Kristall durch langsames Ziehen eines festen Stabes aus der Schmelze gewonnen. Dann werden die Kristalle zonengeschmolzen und dabei wird das Silizium auf eine Konzentration von weniger als ein Fremdatom pro Milliarde Siliziumatomen raffiniert.

Eine Aluminiumanwendung basiert auf der stark exothermen Thermitreaktion mit Metalloxiden:
Fe₂O₃(s) + 2Al(s) → 2Fe(l) + Al₂O₃(s) ΔH⁰ = -852kJ

Diese Reaktion wird zum Schweißen von Schienen oder anderen großen Rohren verwendet, ebenso wie zum Reduzieren jener oxidischen Erze, für die Kohlenstoff ein zu schwaches Reduktionsmittel ist.

Metallisches Aluminium wird aus dem Hallprozeß gewonnen, der darauf basiert, daß eine Mischung von Aluminiumoxid und Kryolith, Na₃AlF₆, bei 950°C schmilzt (reines Aluminiumoxid schmilzt bei 2050°C). die Schmelze wird in einer Einheit elektrolysiert, die aus Graphitanoden und einem mit Stahl ausgekleideten Behälter der als Kathode dient, besteht. Die Elektrolysenreaktionen sind.

Kathodenreaktion:
Al³⁺(Schmelze) + 3e^- → Al(l)

Anodenreaktion:
2O^2-(Schmelze) + C(s, Gr) → CO₂(g) + 4e^-

Die Gesamtreaktion lautet:
4Al³⁺(Schmelze) + 6O^2-(Schmelze) + 3C(s, Gr) → 4Al(l) + 3CO₂(g)

Im Hallprozeß wird Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith gelöst und die Mischung wird in einer Zelle mit Kohlenanoden und einer Stahlkathode elektrolysiert.

Der Aluminiumgehalt in den meisten Mineralien ist niedrig und die gängige Aluminiumquelle (Bauxit) ist ein hydratisiertes, unreines Oxid, Al₂O₃ * xH₂O. Das Bauxiterz wird im Bayerprozeß zu Aluminiumoxid verarbeitet. Das Rohbauxit wird zuerst mit wäßrigem Natriumhydroxid behandelt, das amphotere Aluminiumoxid und saures Siliziumoxid auflöst, wobei die Eisen- und Titanhydroxide als roter Schlamm zurückbleiben.
Al₂O₃ * xH₂O(s) + 2OH^-(aq) + 3H₂O(l) →(170°C) 2Al(OH)₄^-(aq) + xH₂O(l)
Fe₂O₃ * xH₂O(s) + 3H₂O(l) → (170°C) 2Fe(OH)₃(s) + xH₂O(l)

Dann wird das saure Oxid Kohlendioxid durch die Aluminatlösung geblasen. Dadurch wird die OH^- Konzentration abgesenkt und es kommt zu einer teilweisen Zersetzung des Aluminations und zu Ausfällen von Aluminiumhydroxid:
Al(OH)₄^-(aq) + CO₂(g) → Al(OH)₃(s) + HCO₃^-(aq)
Das Aluminiumhydroxid wird entfernt und durch Erhitzen auf 1200°C zum Oxid entwässert:
2Al(OH)₃(s) →(1200°C) Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)

Extraktionsprozess (amorphe Form des Bors wird gewonnen):
B₂O₃ (s) + 3 Mg (s) → 2 B (s) + 3 MgO (s)
Reduktion einer füchtigen Borverbindung an einem aufgeheizten Draht
2 BBr₃ (s) + 3 H₂ (g) → 2 B (s) + 6 HBr (g)

Disporportionierungsreaktion ist eine Reaktion, bei der die Oxidationszahl eines Elementes unter Bildung von 2 verschiedenen Substanzen aus einer einzigen Substanz, die das Element enthält, simultan zunimmt und abnimmt.
2Cu⁺(aq) → Cu(s) + Cu²⁺(aq)

Wasser ist auch amphoter und kann daher sowohl als Brönstedbase als auch als Brönstedsäure wirken:
CH₃COOH(aq) + H₂O(l) ↔ H₃O⁺(aq) + CH₃CO₂^-(aq)
H₂O(l) + NH₃(aq) ↔ NH₄⁺(aq) + OH^-(aq)
Wasser ist Lewisbase und bildet Komplexe.