Versuch 31: Thermitverfahren - Einleitung

In der Technik nutzt man das Thermitverfahren um Bahnschienen miteinander zu verschweißen. In eine Apparatur wird eine Mischung aus Aluminiumgrieß und Eisen(II,III)oxid gegeben und mit einem Zündstab gezündet. In einer sehr exothermen Reaktion bilden sich flüssiges Eisen und Aluminiumoxid.

Eisen hat eine größere Dichte als das Aluminiumoxid und sinkt so in der Schmelze nach unten und fließt aus einem Loch am Boden des feuerfesten Gefäßes in den Spalt zwischen zwei Eisenbahnschienen. Hintergrund des Verfahrens ist die Reduktion des Eisenerzes. Normalerweise findet die Eisengewinnung aus seinem Erz in riesigen Hochöfen mit hohen Temperaturen statt und reduziert wird es mit Hilfe von Kohlenstoff und dessen Oxiden.

Reduktion bedeutet chemisch die Zuführung von Elektronen zu einem Atom. Lässt man elektrischen Strom als Lieferant außen vor muss dazu ein anderes Atom diese Elektronen abgeben. Da die meisten Gebrauchsmetalle sehr reaktiv sind, kommen die meisten in der Umwelt nur in Form von Erzen (Verbindungen) vor. Sie haben dabei schon Elektronen abgegeben, die ihnen zugeführt werden müssen, um sie wieder zu gediegenen (elementaren) Metallen zu machen.

Im Falle des Thermitverfahrens dient das Aluminium als Elektronenlieferant und zugleich als Energielieferant. Chemische Reaktionen laufen nämlich nicht unbedingt spontan ab. Mischt man Aluminium und Eisenoxid passiert vorerst gar nichts. Die Reaktion startet erst bei entsprechenden Temperaturen. Da Aluminium bei der Reaktion mit Sauerstoff immense Energiemengen freigibt, muss lediglich diese Reaktion durch einen Zünder starten. Die frei werdende Energie bringt die restlichen Vorgänge in Gang und sorgt nebenbei auch für die Verflüssigung des entstehenden Eisens. Dass Thermitverfahren ist daher ein genialer Kniff zur Eisengewinnung, quasi aus der Hosentasche.

Sicherheitssymbole

Demonstrationsversuch Schutzbrille tragen! Leichtentzündlich In den Abfall geben. Schutzscheibe benutzen!

Chemikalien

  • Thermit-Gemisch
  • Thermitzünder

Materialien

  • Thermit - Apparatur
  • feuerfeste Platte
  • Sand

Durchführung

Man gibt das Thermit-Gemisch in den Tiegel auf dem Dreifuß und verschießt ihn mit dem Deckel. In den unteren Tiegel wird Sand gegeben. Danach zündet man das Gemisch im oberen Tiegel mit einem Thermitzünder. Apparatur, Gemisch und Zünder lassen sich im Lehrmittelhandel bestellen.

Entsorgung

Die abgekühlten Reaktionsprodukte können in den Abfall gegeben werden.

Ergebnisse

Das Gemisch beginnt zu glühen. Funken sprühen während das heiße, flüssige Eisen durch die Öffnung des Tiegels in den kleinen Tiegel unter dem Dreifuß fließt. Nach dem Abklingen der Reaktion findet man einen festen schweren Klumpen Eisen im unteren Tiegel. (Vor dem Anfassen abkühlen lassen!)

Teilweise sind weiße Spuren von Aluminiumoxid zu erkennen. Es findet eine Redoxreaktion mit starker Wärmeentwicklung (über 2400°C) statt, die entstehendes Eisen sofort schmelzen lässt. Eisen(III)oxid und Aluminium reagieren zu Eisen und Aluminiumoxid.

Reduktion: Fe3+ + 3e- → Fe

Oxidation: Al → Al3+ + 3e-

Gesamt: Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe + 851.5kJ

Das Thermitverfahren ist ein typisches Beispiel für eine Redoxreaktion. Nach veralteter allgemeiner Definition ist eine Redoxreaktion ein Übergang von Sauerstoff. Nimmt ein Stoff Sauerstoff auf wird er oxidiert. Gibt ein Stoff Sauerstoff ab wird er reduziert. Diese Definition kann man auf diesen Versuch anwenden.

Eisenoxid gibt Sauerstoff ab, Aluminium nimmt ihn auf. Dahinter steht allerdings ein anderer Ablauf, der durch eine genauere Beschreibung von Oxidation und Reduktion gedeutet werden kann. Eine Redoxreaktion ist nicht immer eine Reaktion mit Sauerstoff. Vielmehr ist eine Redoxreaktion eine Übertragung von Elektronen.

Bei der Oxidation gibt ein Stoff Elektronen ab; er wird oxidiert. Bei der Reduktion nimmt er Elektronen auf; er wird reduziert. Nach dieser Betrachtung nimmt Eisenoxid Elektronen auf. Es wird reduziert. Aluminium gibt Elektronen ab. Es wird oxidiert. Der Sauerstoff wandert auf Grund der neuen Ladungsverhältnisse zum Aluminiumion und bildet mit ihm zusammen Aluminiumoxid.

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