Aufgabe 3 · Abitur NRW Chemie LK · Viele Wege führen zum Eisen 2025

Material 1: Hochofenprozess [1]

Im Hochofenprozess werden Eisenerze zu elementarem Eisen umgesetzt. Wichtige Eisenerze sind Hämatit (Eisen(III)-oxid ($\text{Fe}_2\text{O}_3$)) und Magnetit (Eisen(II,III)-oxid ($\text{Fe}_3\text{O}_4$)). Ein einmal in Betrieb genommener Hochofen arbeitet 8 bis 10 Jahre ohne Unterbrechung und liefert täglich bis zu 12.000 Tonnen Roheisen.

Im Hochofen werden die Ausgangsstoffe Eisenerz, Koks (ein stark kohlenstoffhaltiger Brennstoff, vereinfacht Kohlenstoff) und Zuschlagsstoffe zur Reaktion gebracht. Zuschlagsstoffe dienen hierbei der Abtrennung unerwünschter Begleitstoffe in Form von Schlacke. Von unten wird heiße Druckluft in den Hochofen eingeblasen. Im Gasstrom laufen die beiden folgenden Reaktionen ab: Zunächst verbrennt der Koks zu Kohlenstoffdioxid, das durch überschüssigen Koks sofort zu Kohlenstoffmonooxid reduziert wird (sogenanntes Boudouard-Gleichgewicht, vgl. Abb. 1).

Die im Hochofen bei ca. 800 °C ablaufenden Prozesse können für Hämatit vereinfacht in einer Reaktionsgleichung zusammengefasst werden:

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$

Dabei entstehen ca. 1,18 t Kohlenstoffdioxid pro Tonne Eisen.

Betrachtet man die Reduktion des Eisen(III)-oxids im Hochofen genauer, so stellt man fest, dass das Erz nicht in einem einzigen Schritt zu Eisen reduziert wird, sondern dass es in den verschiedenen Zonen des Hochofens zu unterschiedlichen Reaktionen kommt, z. B. der Reduktion von Eisen(III)-oxid mit Kohlenstoffmonooxid zu Eisen(II,III)-oxid und Kohlenstoffdioxid. Weitere Reaktionen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tab. 1: Änderung der Enthalpien ausgewählter Reaktionen (bei $T = 298{,}15\text{ K}$, $p = 101{,}325\text{ kPa}$) [2] Reaktionsgleichung · $\Delta H$ in kJ

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2$ · $-25$

$\text{Fe}_3\text{O}_4 + 4\,\text{CO} \rightarrow 3\,\text{Fe} + 4\,\text{CO}_2$ · $-14$

Material 2: Eisen mithilfe von Wasserstoff (Direkt-Reduktionsverfahren) [3] – [5]

Die Produktion von Eisen war im Jahr 2020 deutschlandweit für ca. sechs Prozent der Kohlenstoffdioxid-Gesamtemissionen verantwortlich. Um diese Emissionen zu senken, erproben verschiedene Firmen den Betrieb einer Eisenverhüttung mit Wasserstoff. Das Eisenerz (z. B. Eisen(III)-oxid) wird im Prozess zunächst durch Verbrennung von Erdgas (hauptsächlich Methan) auf ca. 950 °C erhitzt. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid-Emissionen von etwa 37 kg pro Tonne Eisen. Bei der anschließenden Reaktion des Erzes mit dem Wasserstoff gemäß der folgenden Reaktionsgleichung entstehen elementares Eisen und Wasserdampf:

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{H}_2\text{O} \quad (\Delta H = +98\text{ kJ})$

Die Industrie unterteilt den Wasserstoff je nach Herstellungsart wie in nachfolgender Übersicht dargestellt:

Grüner Wasserstoff

Herstellung durch Elektrolyse von Wasser, wobei die dafür notwendige Energie aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird.

Grauer Wasserstoff

Herstellung aus Erdgas unter Erzeugung von Kohlenstoffdioxid gemäß der Gleichung:

$\text{CH}_4 + 2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2$

Blauer Wasserstoff

Herstellung aus Erdgas, anfallendes Kohlenstoffdioxid wird abgeschieden und gespeichert oder für Produkte weiterverwendet

Türkiser Wasserstoff

Herstellung aus Erdgas mittels Methanpyrolyse (thermischer Zersetzung), anfallender fester Kohlenstoff wird abgeschieden und gespeichert

Tab. 2: Standardentropien ausgewählter Substanzen (bei $T = 298{,}15\text{ K}$, $p = 101{,}325\text{ kPa}$) [2] · Aggregatzustand · $S^\circ$ in $\frac{\text{J}}{\text{K}\cdot\text{mol}}$

Eisen · s · 27

Eisen(III)-oxid · s · 87

Wasser · g · 189

Wasserstoff · g · 131

3

Berechnen Sie, ab welcher Temperatur die Bildung von Eisen und Wasserdampf aus Eisen(III)-oxid und Wasserstoff freiwillig abläuft (M 2).

Erläutern Sie zwei Gründe für die Abweichung zwischen der von Ihnen berechneten Temperatur und den realen Reaktionsbedingungen (M 2). [11 BE]