Klausur 2021_09_06

Question 1

1a)

i. Erläutern Sie den Begriff „gediegen“.
ii. Nennen Sie ein Beispiel für ein Element, welches gediegen vorkommt.

Answer 1

i. Metalle liegen in metallischer Form vor
ii. Sehr edle Metalle wie Au, Ag, Pt, Cu

Question 2

1b)

Ordnen Sie die Elemente Al, Cu, Mg, Ti und Zn entsprechend ihrer Dichte und
Schmelzpunkte mit > bzw. < Zeichen.

Answer 2

Dichte: Mg < Al < Ti < Zn < Cu

Schmelztemperatur: Zn < Mg < Al < Cu < Ti

Question 3

1c)

Die Reduktion von sulfidisch vorliegenden Metallen ist oft unwirtschaftlich.

i. Welcher Zusatzschritt wird häufig vor der eigentlichen Reduktionsstufe gewählt?
ii. Geben Sie eine kurze Erläuterung des Prozessschrittes.
iii. Geben Sie eine Reaktionsgleichung von Bleisulfid für diesen Prozess an.

Answer 3

i. Rösten
ii. Überführung von sulfidischen Metallen zu ihrer oxidischen Form
iii. PbS + 3/2 O2 = PbO + SO2

Question 4

1d)

Nennen Sie drei in der Metallurgie häufig genutzte Reduktionsmittel.

Answer 4

C, CO und H₂

Question 5

1e)

In der Graphik ist das Ellingham-Diagramm für Oxidationsreaktionen von Metallen abgebildet.
i. Welche Achsenbeschriftung trägt die X- und Y- Achse?

ii. Ordnen Sie die Linien 1, 2 und 3 den Elementen Cu, Al und C zu.

iii. Wieso macht die Gerade für Zink bei ca. 900 °C einen Knick? Warum ist
die Steigung der Geraden nach dem Knick größer?

Answer 5

i. siehe Bild
ii. siehe Bild
iii. Zink wechselt bei ca. 907Grad Celsius in der gasförmigen Zustand und erfährt einen Zuwachs der Entropie ==> stärkere Steigung im Diagramm

Question 6

1f)

Bei Sekundärrohstoffen ist eine Trennung von eisenreichem und eisenarmem
Material notwendig. Mit welchem Aggregat lässt sich Eisen größtenteils aus einer
gegebenen Schrottmischung abtrennen?

Answer 6

Magnetscheider

Question 7

1g)

Nennen Sie 2 Gründe, warum einige Erze vor der metallurgischen Verarbeitung
aufkonzentriert werden müssen.

Answer 7

1. Gehalt an Wertmetallen zu gering, für Direktgewinnung aus Erz (unwirtschaftlich)
2. Unnötige Energie- und Metallverluste in der weiteren Verarbeitung durch taubes Gestein (Gangart)

Question 8

2a)

i. Vervollständigen Sie das unten gegebene Fließbild der pyrometallurgischen
Kupfergewinnung, ausgehend vom Kupferkonzentrat zum Kathodenkupfer.

ii. Nennen Sie auch die erreichbaren Kupfergehalte in den
Hauptzwischenprodukten (im Fließbild mit einem „x“ markiert).

Hinweis: Gelbe Felder: Prozessschritte, Weiße Felder: Zwischenprodukte;
Benutzen Sie die Zahlen in den Kästchen des Diagramms, um Ihre Antwort
anzugeben.

Answer 8

Question 9

2 b)

i. Welches unerwünschte nicht-metallische Element soll aus dem
Kupferkonzentrat im Schwebeschmelz-Ofen entfernt werden?

ii. In welcher Verbindung wird es aus dem Ofen ausgetragen?
iii. Was wird daraus hergestellt?

Answer 9

i. Schwefel
ii. SO2-Abgas
iii. Schwefelsäure

Question 10

2 c)

i. In welchem Prozessschritt der pyrometallurgische Kupferherstellung wird
ein Elektrolichtbogenofen eingesetzt?

ii. Geben Sie das Einsatzmaterial an.
iii. Was sind die zwei Hauptziele dieses Lichtbogenofenprozesses?

Answer 10

i. Beim Schlackenarmschmelzen
ii. Schlacke aus dem Schwebeschmelzofen
iii. Gewinnung des Kupfers in der Schlacke und Herstellung einer verkaufsfähigen Schlacke (für Deich- Damm- und Straßenbau)

Question 11

2d)

i. Wozu dient die erste Stufe der pyrometallurgischen Kupferraffination?
ii. Wie wird der zugrundeliegende Reaktionsmechanismus genannt?
iii. Geben Sie eine Beispielreaktion hierfür an.

Answer 11

i. Einbringen von Sauerstoff, in die Schmelze, um selektive Oxidation der Begleitelemente zu ermöglichen
ii. selektive Oxidation
iii. O_Cu + Fe_Cu ==> FeO_Schlacke

Question 12

2 e) Es fallen unterschiedliche Arten von Kupferschrotten an.

i. Welche Reststoffen lassen sich in den Prozessschritten „Reduktion“,
“Konvertieren“ und „pyrometallurgische Raffination“ der abgebildeten
Sekundärroute einbringen? Geben Sie jeweils ein Beispiel für Kupferschrotte
an

Answer 12

Question 13

2 f)

In der Raffinationselektrolyse von Kupfer ist Silber im Elektrolyten unerwünscht.
Wie kann eine Silberfällung erreicht werden, sollte Silber anodisch in Lösung
gegangen sein?

Answer 13

reduzieren des elektrischen Potenzials der Elektrolyse (Vermutung)

Question 14

2 g)

Wo reichern sich die Elemente Au, Fe und Cu bei der Raffinationselektrolyse an?

Answer 14

Au: Anodenschlamm

Fe: Elektrolyt

Cu: Kathode

Question 15

2 h)

Eine Kupfer-Raffinationselektrolyse besteht aus 2 000 in Reihe geschalteten
Elektrolysezellen. In einer Zelle sind jeweils 36 Anoden und 35 Kathoden
untergebracht. Die kathodische Stromausbeute beträgt 95 %. Jede Zelle fasst
ein Elektrolytvolumen von 1,5 m3 mit einer Kupferkonzentration von 40 g/l.

Bestimmen Sie die maximal zulässige Menge an gelöstem Silber in g im
gesamten Elektrolyten pro Zelle, sodass es zu keiner kathodischen
Silberabscheidung kommt. Nehmen Sie an, dass die Elektrolyse nur mit einer
Elektrolyttemperatur von 25 °C betrieben wird.

(3 Punkte)

MCu=63,55 g/mol, MAg=107,87 g/mol
Standartpotentiale: Cu/Cu2+ = 0,34 V, Ag/Ag+= 0,80 V
R= 8,314 J/(mol*K), F=96485 C/mol

Hinweis: Geben Sie jede genutzte Formel sowie die entsprechenden Einheiten an.

Question 16

3a)

Aus welchen vier oxidischen Hautphasen setzt sich Bauxit typischerweise
zusammen?

Answer 16

Al₂O₃

SiO₂

Fe₂O₃

TiO₂

Question 17

3b) Der Bauxitaufschluss im Rohrreaktor ist schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt.
i. Erstellen auf dieser Basis eine zeichnerische Wärmebilanz des Rohrreaktors.

ii.Berechnen Sie anhand der in der Abbildung gegebenen Werte, welche
Energiemenge pro Tonne Al2O3 durch die Salzschmelze zugeführt werden
muss. Nehmen Sie dafür an, dass die Bauxit-Lösung nur aus Wasser besteht.

Question 18

3 c)

Benennen Sie in der folgenden Darstellung die Elemente einer
Schmelzflusselektrolysezelle. Benutzen Sie dafür die Zahlen in den Kästchen
des Diagramms, um Ihre Antwort anzugeben.

Answer 18

Question 19

3 d)

Feste Einschlüsse in Aluminiumschmelzen werden abhängig von ihrer
Entstehung in endogene und exogene Einschlüsse unterteilt.
i. Erklären Sie die Bildung beider Einschlussarten.

ii. Nennen Sie jeweils ein Beispiel.

Answer 19

i.

Endogene Einschlüsse: Verunreinigungen in fester Form die während des Schmelzens und Flüssighaltens entstehen können

Exogene Einschlüsse: Verunreinigungen in fester Form die von außen in die Schmelze gelangen

ii.

Bsp. endogener Einschluss: Al₂O₃, MgO

Bsp. exogene Einschlüsse: Karbide aus der Elektrolysezelle

Question 20

3 e) Nennen Sie zwei Vorteile der sekundären Aluminiumerzeugung (Recycling)

i. mit Bezug auf einen konkreten Prozessschritt
ii. mit Bezug auf Menge der Rückstände

Answer 20

i. deutlich geringerer Energiebedarf gegenüber der Elektrolyse
ii. Viel weniger Rückstände bei Produktion von Sekundäraluminium

Rückstände_Primär=2t pro t_{Primäraluminium}

Rückstände_Sekundär<100kg pro t_{Sekundäraluminium}

Question 21

3f)

Warum ist im kippbaren Drehtrommelofen (KDTO) ein niedrigerer spezifischer
Salzverbrauch möglich?

Answer 21

Durch die Kippfunktion lässt sich eine breiartige Schlacke entnehmen entgegensatz zum Drehtrommelofen in dem die Schlacke durch erhöhter Salzzugabe, für den Abstich, flüssig gehalten werden muss

Question 22

3 g)

i. Nennen Sie die vier wesentlichen Prozessschritte zur Aufbereitung von
Salzschlacken des Aluminiumrecyclings.

ii. In welchem Schritt wird die metallische Restfraktion ausgetragen und in
welchem der oxidische Rückstand?

Answer 22

i.
Brecher/Sieb,

Laugung,

Eindicker/Filter,

Zentrifuge/Trockner

ii.

metallische Restfraktion austragen: Brechen/Sieben

oxidischen Rückstand austragen: Eindicker/Filter

Question 23

4 a)

Warum werden die Einsatzstoffe der Zink-Primärgewinnung geröstet?

Answer 23

Da die Zinkblende in schwefelsäure relativ unlöslich ist wird eine Röstung durchgeführt

Question 24

4 b)

Mit welchem Wertmetall liegt Zn fast immer vergesellschaftet vor?

Answer 24

Blei

Question 25

4 c)

i. Mit welchem Element wird Zink hauptsächlich legiert?

ii. Wie wird diese Legierung, für die ca. ein Viertel der Zinkproduktionsmenge
eingesetzt wird, genannt?

Answer 25

i. Kupfer
ii. Messing

Question 26

4 d)

Wie lautet die Röstreaktionsgleichung zum Totrösten von ZnS? Beschriften Sie
normgerecht die Aggregatzustände der zinkhaltigen Produkte und Edukte.

Answer 26

<2ZnS> + {3O2} = <2ZnO> + {2SO2}

Röstung findet im Wirbelschichtofen statt

Question 27

4 e) Geben Sie die gesuchten Antworten zu den unten angegebenen Stichpunkten in
Bezug zur Neutrallaugung .

(Zinkhaltiger) Input der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 1:
• 2:
Aufgaben der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 3:
• 4:
Benötigte Chemikalien (1 Nennung; 0,25 Punkte):
• 5:
Produkte (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 6:
• 7:

Answer 27

(Zinkhaltiger) Input der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 1: Röstgut (ZnO)
• 2: Sekundärmaterial aus dem Wälzprozess

Aufgaben der Neutrallaugung (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 3: Lösen von Zink in der Lauge soll später in die Gewinnungselektrolyse einfließen
• 4: Entfernen von Verunreinigungen wie z.B. Eisen

Benötigte Chemikalien (1 Nennung; 0,25 Punkte):
• 5: MnO₂ zur Entfernung von Eisen

Produkte (2 Nennungen; 0,5 Punkte):
• 6: Neutrallauge
• 7: Neutrallaugerückstand

Question 28

4 f) Diskutieren Sie den Einfluss von Stromdichte und Temperatur auf die
Abscheidung von H2 an der Kathode.

Answer 28

Stromdichte: zunehmende Stromdichte erhöht die H₂-Überspannung und hat geringere H₂ Ausscheidungen zur folge

Temperatur: höhere Temperaturen behindern die Zn-Abscheidung und erniedrigen die H₂-Überspannung wodurch mehr H₂ abgeschieden wird

Question 29

4 g)

Beschreiben Sie kurz die chemisch / physikalischen Vorgänge, die zu einer
Zinkanreicherung beim Wälzprozess führen.

Answer 29

höherer Dampfdruck bestimmter Elemente und ihrer Verbindungen ermöglichen die Verflüchtigung dieser Elemente/Verbindungen Bsp. Zink, Zinkclorid

reduktion von ZnO mit C, legt das Zn frei wodurch es verdampfen kann

Question 30

5 a)

i. Nennen Sie die beiden Titanerze, die hauptsächlich für die Titanproduktion
genutzt werden.

ii. Wie lautet die chemische Formel dieser beiden Erze?
iii. Wie hoch ist in etwa deren TiO2-Gehalt?

Answer 30

i. Rutil und Ilmenit
ii. Rutil TiO₂, Ilmenit FeO ∙ TiO₂
iii. Rutil 92 - 98%, Ilmenit 37 - 62%

Question 31

5 b)

i. In welchem Aggregat findet die pyrometallurgische Anreicherung von
Ilmeniterzen statt?

ii. Wie hoch ist der TiO2-Gehalt im angereicherten Erz?
iii. Welches flüssige Nebenprodukt wird im Prozess gewonnen?

Answer 31

i. Lichtbogenofen/Elektroofen
ii. TiO₂-Schlacke enthält ca. 70%-75% TiO₂
iii. Roheisen

Question 32

5 c)

Nennen Sie drei metallurgische Öfen, in denen Titan umgeschmolzen werden
kann.

Answer 32

1. Vakuumlichtbogenofen
2. Elektronenstrahlofen
3. Vakuuminduktionsofen

Question 33

5 d)

Vervollständigen Sie die schematische Darstellung des Kroll-Verfahrens. Achten
Sie dabei auf die korrekte Beschriftung sowohl der Prozessschritte als auch der
nicht beschrifteten Pfeile. Benutzen Sie die Zahlen in den Kästchen des
Diagramms, um Ihre Antwort anzugeben

Answer 33

Question 34

5 e)

In einem Vakuumschmelzverfahren wird bei 1750°C reines Titan
umgeschmolzen.
Berechnen Sie, wieviel ppm Sauerstoff die Schmelze aufnimmt, wenn in der
Gasatmosphäre ein Sauerstoffpartialdruck von 1,3 ∗ 10−23 𝑏𝑎𝑟 eingestellt wird.
Nehmen Sie an, dass der Sauerstoff in der Titanschmelze ideal gelöst als TiO
vorliegt.

Gegeben:
Bildungsenthalpie TiO: ΔG°b,1750°C = -357 kJ/mol
R= 8,314 J/K/mol
MTi= 47,9 g/mol
MO= 15,9 g/mol
Tipp: Stellen Sie zunächst die Reaktionsgleichung für die Aufnahme von
Sauerstoff in die Schmelze auf.