Im Alltag begegnen wir vielen Metallen: Silber, Gold und Platin sind in Schmuck enthalten (Abb. 1.1). Kupfer benötigen wir unter anderem für Kabel und wenn wir Kabel zusammenlöten wollen, benötigen wir Zinn. Aluminium ist als besonders leichtes Metall für viele Gegenstände beliebt. Auch Eisen ist ein sehr wichtiges Metall. Es wird unter anderem für Stahlseile in Aufzügen, für Brücken und in vielen Maschinen verwendet. Da Eisen jedoch leicht rostet, wird es oft durch eine Zink-Schicht geschützt. Ein weiteres heute sehr wichtiges Metall ist Lithium. Wir benötigen es für die Akkus in unseren Smartphones, Tablets, Elektroautos usw. Doch wo kommen all diese Metalle eigentlich her?
Metalle kommen meist als Verbindung in Erzen und selten rein, also gediegen vor
Nur wenige Metalle kommen in ihrer Reinform in der Natur vor. Wir sprechen dabei von gediegenen Metallen. Zu den gediegenen Metallen gehören unter anderem Gold, Silber und Platin. Die meisten Metalle kommen in sogenannten Erzen vor. Erze sind Salze, aus denen mit einem vertretbaren energetischen Aufwand das entsprechende Metall gewonnen werden kann (Abb. 1.2). Bei den wichtigsten Erzen handelt es sich um Oxide, Carbonate, Sulfide und Halogenide. Silicate kommen besonders oft vor. Die Gewinnung der Metalle aus Silicaten ist allerdings sehr aufwendig. Wir nutzen sie also nur, wenn die Metalle nicht ausreichend in anderen Erzen vorkommen.
In der folgenden Tabelle (Abb. 2) sind einige für die Metallherstellung wichtigste Erze und eine Auswahl gediegener Metalle dargestellt:
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Name des Erzes und Verhältnisformel bzw. Elementsymbol |
(Gebundene) Metalle |
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|---|---|---|
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Oxide |
Böhmit: Aluminium-Oxid-Hydroxid $\ce{AlOOH}$ Eisentitanat: Eisen(II)-titanoxid $\ce{FeTiO3 }$ Chromit: Eisen-Chrom-Oxid $\ce{FeCr2O4}$ Eisen(III)-oxid $\ce{Fe2O3}$ Eisen(II,III)-oxid $\ce{Fe3O4}$ Zinn(IV)-oxid $\ce{SnO2}$ |
Aluminium Eisen & Titan Eisen & Chrom Eisen Eisen Zinn |
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Carbonate |
Magnesiumcarbonat $\ce{MgCO3}$ Calciumcarbonat $\ce{CaCO3}$ Zinkcarbonat $\ce{ZnCO3}$ Lithiumcarbonat $\ce{Li2CO3}$ |
Magnesium Calcium Zink Lithium |
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Sulfide |
Zinksulfid $\ce{ZnS}$ Chalkopyrit: Kupfer-Eisen-sulfid $\ce{CuFeS2}$ Blei(II)-sulfid $\ce{PbS}$ |
Zink Kupfer & Eisen Blei |
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Halogenide |
Natriumchlorid $\ce{NaCl}$ Kaliumchlorid $\ce{KCl}$ |
Natrium Kalium |
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Silicate |
Spodumen $\ce{LiAlSi2O6}$ |
Lithium |
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Gediegene Metalle |
Platin $\ce{Pt}$ Silber $\ce{Ag}$ Gold $\ce{Au}$ |
Platin Silber Gold |
Metall-Gewinnung benötigt viel Energie
Um Metalle aus ihren Erzen zu gewinnen, benötigen wir sehr viel Energie. Doch warum ist das so? Du hast bereits gelernt, dass Teilchen gerne in der Edelgaskonfiguration vorliegen. Schauen wir uns als Beispiel die Teilchen des Erzes Natriumchlorid an. Hier liegen Natrium-Ionen (\(\ce{Na^+}\)) und Chlorid-Ionen (\(\ce{Cl^-}\)) vor. Das Natrium-Ion liegt in der Edelgaskonfiguration des Neon-Atoms vor, das Chlorid-Ion in der des Argon-Atoms. Es handelt sich also um sehr stabile Teilchen. Um aus diesen sehr stabilen Ionen nun die weniger stabilen Natrium-Atome und Chlor-Atome herzustellen, muss also das Chlorid-Ion ein Elektron an das Natrium-Ion abgeben (Abb. 3).
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung;
Da dabei beide Teilchen die Edelgaskonfiguration verlieren, ist das allerdings nur möglich, wenn sehr viel Energie aufgewendet wird. Häufig können die Metalle aber auch nicht direkt aus einem Erz gewonnen werden, sondern müssen zuerst zu einem anderen Salz reagieren, aus dem dann das Metall gewonnen werden kann. Dieser Zwischenschritt kostet wiederum Energie. Die Gewinnung von Metallen ist also in jedem Fall mit einem hohen Energieaufwand verbunden.
Bei der Metallgewinnung sind einige Reaktionsschritte bis zum reinen Metall notwendig
Im ersten Schritt müssen die Erze aufbereitet werden. Die Erze kommen meistens nicht als Reinstoffe vor. Daher muss das gewünschte Erz von anderen Erzen und Verunreinigungen mithilfe physikalischer Methoden getrennt werden. Außerdem können Metalle, wie bereits beschrieben, häufig nicht direkt aus dem Erz gewonnen werden. Diese müssen zuerst in eine Form gebracht werden, die zur Weiterverarbeitung geeignet ist. Das ist häufig bei Sulfiden der Fall, welche durch das sogenannte Rösten in Oxide umgewandelt werden. Die Oxide können dann zur Metallgewinnung direkt genutzt werden. Sobald man also ein Salz hat, das für die Metallgewinnung geeignet ist, wird das entsprechende Metall-Ion durch eine chemische Reaktion zum Metall-Atom reduziert. Da hierbei ein Metall-Ion durch Elektronenaufnahme in ein Metall-Atom umgewandelt wird, spricht man hier von einer Reduktion.
\(\ce{Metall-Ion + Elektron(en) \rightarrow Metall-Atom}\)
Dabei entsteht neben dem gewünschten Metall die sogenannte Schlacke. Es handelt sich dabei um eine flüssige Schicht auf dem entstandenen Metall, das aus dem anhaftenden Gestein und Verunreinigungen besteht. Die Schlacke schwimmt über dem Metall, da sie eine geringere Dichte hat. Das flüssige Metall, welches unter der Schlacke ist, kann am Schluss abgegossen werden. Die Schlacke wird z.B. als Baustoff weiterverwendet. Das abgegossene Metall liegt jetzt aber meistens noch nicht in ausreichend reiner Form vor und muss in einem letzten Schritt gereinigt werden. Diesen Prozess nennen wir Raffination. Dafür gibt es verschiedene Methoden, wie beispielsweise die Elektrolyse oder die Destillation. Welches Verfahren dabei gewählt wird, hängt vom jeweiligen Metall ab.
In den folgenden Artikeln erfährst du noch mehr über die Metallgewinnung und die entsprechenden Verfahren.
Zusammenfassung
Metalle sind wichtiger Bestandteil unseres Alltags. Meistens kommen Metalle in der Natur in Erzen (gebunden) vor und weniger als Reinstoffe (gediegen). Um die Metalle aus den Erzen zu gewinnen wird viel Energie benötigt. Zudem sind mehrere Schritte notwendig, bei denen unterschiedliche chemische Reaktionen stattfinden. Den Prozess nennen wir Raffination.