Aufgabe Modul C - 3.3, 3.4 · Abitur Hessen Chemietechnik LK 2021

Kohlenstoffmonoxid CO wird bei der industriellen Eisengewinnung im Hochofenprozess als Reduktionsmittel eingesetzt. Dazu wird es aus Koks (Kohlenstoff) durch Einblasen von Heißluft („Wind“, 900 °C) gebildet. Bei der Reduktion des Metalls wird es zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoff und Kohlenstoffmonoxid stehen dabei in einem Gleichgewicht (BOUDOUARD-Gleichgewicht).

$$\mathrm{CO_2(g) + C(s) \rightleftharpoons 2\,CO(g)} \quad \Delta\mathrm{H_m^0} = +172{,}5\,\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$$

Material 3

Aufbau und Funktion eines Hochofens

In einem Hochofen wird von oben Eisenerz mit Koks und Kalkstein eingefüllt. In die Verbrennungszone wird Heißluft eingeblasen, wodurch Koks in diesem Bereich zu Kohlenstoffmonoxid CO reagiert.

Das CO reduziert das Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$ aus dem Erz nun stufenweise, wobei jeweils Kohlenstoffdioxid gebildet wird. In der vergleichsweise kälteren Vorwärmzone des Hochofens bildet sich zunächst $\mathrm{Fe_3O_4}$, ein Mischoxid aus Eisen(II)-oxid FeO und Eisen(III)-oxid $\mathrm{Fe_2O_3}$. Dieses sogenannte Eisen(II, III)-oxid wird daher sowohl mit $\mathrm{Fe_3O_4}$ als auch mit $\mathrm{FeO\cdot Fe_2O_3}$ beschrieben.

Dieses $\mathrm{Fe_3O_4}$ rutscht nun weiter abwärts in die heißere indirekte Reduktionszone. Hier wird es weiter zu FeO und dieses schließlich in der ca. 1000 °C heißen, direkten Reduktionszone zu flüssigem Roheisen Fe reduziert. Das Eisen sammelt sich am Boden des Hochofens. Auf ihm schwimmt die „Schlacke“ (Kalk und Begleitmineralien des Erzes), welche das Roheisen vor der Oxidation durch den Wind schützt. Das Roheisen und die Schlacke werden von Zeit zu Zeit durch seitliche Stichlöcher abgelassen.

Hinweis: Bei allen Schritten ist CO Reduktionsmittel.

Material 4

Molare Standardbildungsenthalpien $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}$ und molare Standardentropien $\mathrm{S_m^0}$ ausgewählter Verbindungen

· $\Delta_\mathrm{f}\mathrm{H_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$ · $\mathrm{S_m^0}\text{ in }\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol\cdot K}}$

CO (g) · $-111$ · $198$

$\mathrm{CO_2}$ (g) · $-394$ · $214$

C (s) · $0$ · $6{,}00$

FeO (s) · $-272$ · $61{,}0$

$\mathrm{Fe_2O_3}$ (s) · $-824$ · $87{,}0$

$\mathrm{Fe_3O_4}$ (s) · $-1118$ · $146$

$\mathrm{O_2}$ (g) · $0$ · $205$

3.3

In der Verbrennungszone liegt das BOUDOURD-Gleichgewicht im Vergleich zu den vorherigen Zonen viel weiter auf der Produktseite.

Erklären Sie diesen Sachverhalt sowie den Einfluss, den eine Druckerhöhung auf die Lage des BOUDOURD-Gleichgewichts haben würde.

3.4

Da es sich beim BOUDOURD-Gleichgewicht um ein technisch wichtiges Gleichgewicht handelt, liegen genaue Messungen dazu vor. Bei der Temperatur $T = 1000\text{ K}$ beträgt die Gleichgewichtskonstante für das BOUDOURD-Gleichgewicht $K_p = 1{,}85\text{ bar}$.

Steht reines $\text{CO}_2$-Gas mit einem Ausgangsdruck von $1\text{ bar}$ bei einer Temperatur von $T = 1000\text{ K}$ in einem geschlossenen Behälter über glühendem Kohlenstoff, so wird sich das BOUDOURD-Gleichgewicht einstellen.

Berechnen Sie die Partialdrücke von $p(\text{CO})$ und $p(\text{CO}_2)$ im Gleichgewicht sowie die Gleichgewichtskonstante $K_c$ (in mol/L).