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Raffination von Rohkupfer

Da Kupfer eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzt, ist Kupfer ein wichtiger Bestandteil der Wirtschaft. Die Leitfähigkeit von Kupfer ist von seiner Reinheit abhängig. Rohkupfer enthält viele verschiedene Metalle wie die edel Metall Silber, Gold und Platin sowie unedlere Metalle wie Zink, Arsen, Zinn, Blei und Eisen. Diese Metalle behindern die Leitfähigkeit von Kupfer massiv. Um reines Kupfer zu enthalten, muss man die Metalle aus dem Kupfer entfernen. Dabei spricht man von der elektrolytische Raffination. (Kurz: Raffination) Bei der Raffination von Kupfer stellt die Anode das Rohkupfer dar und die Kathode reines Kupfer. Die beiden Elektroden stehen in einen Eektrolyt aus Kupfersulfat. Es wird eine Spannung von 0,35V angelegt.

An der Anode werden Kupfer-Atome, sowie Eisen-, Zink-, Zinn- und Arsen-Atome zu Ionen oxidiert (alle Metalle bis zu einem Elektrodenpotenzial von 0,35V). Diese Ionen befinden sich dann alle in der Elektrolytlösung. Weil das Kupfer das größte Standardpotential der Metalle in der Elektrolytlösung besitzt, wird es an der Kathode zu Atomen reduziert und als reines Kupfer an der Kathode abgeschieden. Die anderen Metalle bleiben in der Lösung. Das bedeutet, dass die reine Kupfer-Elektrode an Kupfer gewinnt und die Rohkupfer – Elektrode Kupfer verliert. Die Anode wird durch den Verlust der oxidierten Metalle spröde und alle Metalle mit einem größeren Standardpotenzial als 0,35V sowie Verunreinigungen fallen zum Boden und bilden den unlöslichen Anodenschlamm. Aus diesem Anodenschlamm kann man noch Gold, Silber und Platin gewinnen.

Sauerstoffkorrosion von Eisen

Definition:
Wenn ein Werkstoff durch äußere Einflüsse zerstört wird, nennt man das Korrosion. Man unterscheidet zwischen mechanischer Korrosion und chemischer Korrosion. Bei der chemischen Korrosion wird der Werkstoff (Metall) durch Säure oder Luftsauerstoff zerstört. Man unterscheidet deshalb zwei Arten der Korrosion: Säurekorrosion und Sauerstoffkorrosion.

Beispiele:
- Autos fahren im Winter über gestreute Straßen → das Auto rostet.
- Metallbefestigungen von Verkehrsschildern (siehe Bild 1).
- Werkzeuge aus Eisen, die in sauerstoffreicher und feuchter Luft lagerten (siehe Bild 2).
- Denkmäler aus Stein werden durch sauren Regen zerstört.
- Motorschraube eines Schiffes, das durch Salzwasser fuhr.

Kommt Eisen an der Luft mit Wasser in Kontakt so beginnt es zu Rosten (siehe obige Bilder). Der Vorgang läuft folgendermaßen ab:
Zuerst gibt Eisen Elektronen an den im Wasser gelösten Sauerstoff ab, wobei Eisen(II)-Ionen entstehen. Dieser Vorgenag ist die Oxidation. Die Eisen(II)-Ionen lösen sich dann im Wasser.



Weil Sauerstoff Elektronen aufnimmt handelt es sich dabei um die Reduktion. Ein Sauerstoffmolekül reagiert dabei mit 2 Wassermolekülen zu 4 Hydroxidionen.



Für die gesamte Redoxreaktion gilt also:



Im Wasser befinden sich nun Eisen(II)-ionen und Hydroxidionen. Die Hydroxidionen bilden sich am meisten dort, wo die Sauerstoffkonzentration sehr hoch ist, also am Rand des Tropfens. Die Eisen(II)-Ionen bilden sich in den sauerstoffarmen Bereichen. Am Rand des Tropfens treffen die beiden neu entstandenen Ionen aufeinander, reagieren miteinander und bilden einen Niederschlag aus schwarzem Eisenhydroxid.



Das Eisenhydroxid wird anschließend durch weiteren Luftsauerstoff zu braunem Eisen(III)-oxid weiter oxidiert.



Es entstehen aber meist verschiedene Eisenoxide (Eisen(II,III)-oxid, und Eisen(II)-oxid). Die Rostschicht entsteht am Rand des Tropfens, also nicht dort, wo das Eisen oxidiert wird. Deshalb schützt die Rostschicht auch nicht das Eisen vor weiterer Korrosion.

Frage: Warum fördert (beschleunigt) das im Winter verwendete Streusalz (NaCl) das Rosten von Autos?

Antwort:
Das in Wasser gelöste Salz erhöht die Leitfähigkeit des Wassers, wodurch der Ladungstransport in der Lösung erleichtert wird. Das bewirkt eine schnellere Korrosion. Die Salz-Ionen wirken also katalytisch.

Rohstoffproblematik

Rohstoffabbau

Rohstoffe sind für die heutige Gesellschaft besonders wichtig. Würde es keine Rohstoffe geben, könnten wir keine Produkte herstellen, Heime beheizen, Elektrizität verwenden oder uns mit Fortbewegungsmitteln bewegen. All das ist nur möglich, wenn wir Rohstoffe importieren können. Zu den wichtigsten Rohstoffen zählen die Metalle. Kupfer, Eisen, Zink, Aluminium und Gold sind einige der am häufigsten benötigten Rohstoffe.
Das Problem an Rohstoffen ist, dass sie nicht wie Wind, Luft oder Bäume unbegrenzt und leicht verfügbar sind. Man muss regelrecht die Vegetation zerstören, nur um Metall oder fossile Brennstoffe abbauen zu können. Am Beispiel des problematischen Rohstoffabbau des Goldes soll das hier erläutert werden:
Gold ist wegen seines metallischem Glanz als Schmuck und Wertanlage, sowie wegen seiner optimalen Korroionsbeständigkeit hochbegehrt. Es kommt hauptsächlich in gediegener Form vor, ist aber meist in Gesteinen fein verteilt. Es wird entweder individuell (einzelne Golschürfer) oder industriell durch große multinationale Konzerne abgebaut.
Individueller Abbau:
Man zerkleinert die Gesteine (Erze) zu Staubkörnern und vermischt diese mit Wasser und Quecksilber zu einem Schlamm. Ein großer Teil des Goldes bildet mit Quecksilber ein Amalgam, dass leicht abgetrennt werden kann. Anschließend wird das Amalgam erhitzt, so das Quecksilber verdampft wird. Quecksilber ist ein hochgiftiges Schwermetall, das durch die Goldgewinnung in die Flüsse und in unsere Atmosphäre gelangt.
Da das Verfahren mit Quecksilber einfach und preiswert ist, wird Gold individuell immer noch so abgebaut.
Industrieller Abbau:
Dabei wird Cyanid-Lauge verwendet. Diese Lauge wird über das Erz geschüttet, sodass Gold durch die Lauge gelöst wird. Durch anschließende chemische Reduktion wird daraus wieder das reine Gold gewonnen.
Auch hier werden giftige Chemikalien verwendet, aber diese werden beim Abbau wiederverwendet. Außerdem baut sich die Cyanid-Lauge schneller ab als Quecksilber.
Das industrielle Verfahren dominiert heute die Goldgewinnung.

Ökologischer Rucksack

Um die Zerstörungen der Natur, die durch den Rohstoffabbau entstehen veranschaulichen zu könnnen wird der Begriff "ökologischer Rucksack" verwendet:
Der „Ökologischen Rucksack“ ist das Gewicht des Abraums beim Abbau, das Gewicht der Rohstoffe der Energieerzeugung für die Energie des Transports und das Gewicht der Abfälle bei der Herstellung des jeweiligen Produktes, abzüglich des Gewichts des Produkts.

So hat eine Jeans einen ökologischen Rucksack von ca. 30kg und ein Laptop von ca. 300kg.
Die Kosten für die Naturzerstörung werden so gut wie nie in die Produktpreise eingerechnet. Die muss später die Gesellschaft tragen.