Zahlreiche Metalle
werden mit dem Hochtemperaturverfahren Metallothermie
hergestellt.
Diese Methode wurde 1894 von GOLDSCHMIDT eingeführt.
Grundlage dieses Prozesses ist die Reduktion von Metalloxiden oder Halogeniden
durch unedle Metalle wie Aluminium, Erdalkali- oder Alkalimetalle, wobei
diese zu den entsprechenden Oxiden oder Fluoriden reagieren und das edlere
Metall reduziert wird. Die Bildung der Oxide oder Halogenide der unedlen
Metalle ist stark exotherm, sodass Temperaturen von 2200 - 2500 °C
erreicht werden.
Metallothermische Verfahren
Unter dem Begriff Metallothermie werden verschiedene Verfahren zusammengefasst,
die alle nach demselben Prinzip funktionieren. Sie werden nach dem Metall,
welches als Reduktionsmittel eingesetzt wird, benannt.
Beim Prozess der Aluminothermie werden z. B. Vanadium, Chrom oder Niobium gewonnen.
Eindrucksvoll ist als Demonstrationsversuch die Reduktion von Eisenoxid mit Aluminium in einem Tontopf (Blumentopf), bei der flüssiges Eisen gebildet wird (Bild 2).
Dieses Verfahren wird auch zum Thermitschweißen genutzt, um Schienen durch das flüssige Eisen miteinander zu verschweißen.
Die Magnesiothermie dient der Herstellung von Titan und Zirconium. Die Gewinnung von Titan nach diesem Verfahren wird Kroll-Verfahren genannt. Die Reaktion wird bei 850 °C unter einer Helium- oder Argonatmosphäre durchgeführt.
Die Calciothermie wird zur Herstellung von Seltenerdmetallen genutzt.
Vielfach wird bei den letzteren Verfahren, der Magnesio- und der Calciothermie, unter einer Schutzgasatmosphäre, d. h. unter Helium, Stickstoff oder Argon gearbeitet, da das entstehende Metall sonst bei den hohen Temperaturen sofort mit Sauerstoff reagieren würde.
Weitere Hochtemperaturverfahren zur
Gewinnung von Metallen
Formal lassen sich auch andere Herstellungsmethoden für Metalle,
die auf thermischen Prozessen beruhen, als metallothermische Verfahren
einordnen. Manche Metalle lassen sich bei hohen Temperaturen durch thermische
Zersetzung bestimmter Verbindungen gewinnen.
So werden beispielsweise beim van Arkel-de
Boer-Verfahren Übergangsmetallhalogenide wie Titantetraiodid
oder Zirconiumtetraiodid thermisch zersetzt, wobei das Metall in hoher
Reinheit entsteht. Hierbei wird das pulverförmige, verunreinigte
Metall zusammen mit etwas Iod in einem evakuierten Gefäß, in
dem sich ein Glühdraht aus Wolfram befindet, zunächst auf 500
°C erhitzt. Das Tetraiodid, das dabei gebildet wird, verdampft und
gelangt an den Wolframdraht, der eine Temperatur von 1200 °C hat.
Dort zersetzt sich das Iodid, und reines Metall scheidet sich am Draht
ab. Das frei werdende Iod reagiert nun mit weiterem verunreinigten Metall
wieder zum Iodid.
Dieses Prinzip wird übrigens auch in Halogenlampen (Bild 3) angewendet. Kleine Mengen von Iod, die in der Glühbirne sind, transportieren verdampfte Metallatome zurück an den Glühdraht und erhöhen dadurch dessen Lebensdauer. Außerdem ermöglicht der Rücktransport der Metallatome an den Draht eine höhere Glühfadentemperatur und somit ein helleres Licht.
Auch bei der Herstellung von Nickel mit dem Mond-Verfahren (Carbonyl-Verfahren) wird bei hohen Temperaturen gearbeitet. Als Ausgangsmaterial wird hier verunreinigtes Nickelmetall eingesetzt, das bei niedrigen Temperaturen mit Kohlenstoffmonooxid zu Nickeltetracarbonyl, einer Komplexverbindung, reagiert. Der entstandene Komplex wird anschließend bei höheren Temperaturen zersetzt, wobei reines Nickel und Kohlenstoffmonooxid entstehen.
