Elementares Metall aus Metalloxiden gewinnen

Metalle werden in der Natur oft in Kombination mit Sauerstoffatomen gefunden – in Form von Metalloxiden. Vor Tausenden von Jahren entdeckten Menschen, wie man einigen dieser Metalloxiden den Sauerstoff entziehen kann und somit Metall in Reinform gewinnt. Die Sauerstoffatome lassen sich irgendwie aus den Oxiden entfernen. Doch wie? Wir nutzen die Tatsache, dass jedes einzelne Element eine andere Reaktionsfähigkeit mit Sauerstoff aufweist.

Hier ist eine Liste von Metallen, die danach sortiert ist, wie leicht die Metalle mit Sauerstoff reagieren – eine Reaktionsreihe. Von diesen Metallen ist Magnesium am reaktionsfreudigsten, während Silber die geringste Reaktionsfähigkeit aufweist. Nimmt man die Oxide von einem der Metalle, die unten auf der Liste stehen, wie etwa Kupfer... ...und erhitzt es zusammen mit einem Metall von weiter oben in der Liste, zum Beispiel Eisen... Was wird wohl mit dem Sauerstoff geschehen? Das Element mit der geringsten Reaktionsfähigkeit war anfangs ein Oxid.

Die Reaktion zeigt, dass der Sauerstoff zu dem Element geht, das reaktionsfreudiger ist. Aus dem Metall, das weiter unten in der Liste steht, bildet sich ein elementares Metall, während das reaktionsfreudigere Metall zu einem Oxid wird. Jedes Metall aus der Liste ist in der Lage, Sauerstoff von allen Metallen unter ihm zu entziehen. Blei kann den Sauerstoff von Kupferoxid und Silberoxid entreißen, aber nicht von Zinkoxid. Dies macht es einfacher, elementare Metalle wie Silber oder Kupfer zu gewinnen, die weiter unten in dieser Liste stehen, als solche, die weiter oben in der Liste stehen, wie Aluminium oder Zink.

Fügen wir ein weiteres Element zur Liste hinzu: Kohlenstoff – ein Nichtmetall. Was hat ein Nichtmetall in einer Liste der Reaktionsfähigkeiten von Metallen zu tun? Na ja, so wie die metallischen Elemente in der Reaktionsreihe ist auch Kohlenstoff von Nutzen, um den Oxiden der weiter unten platzierten Metalle den Sauerstoff zu entziehen. Erhitzen wir zum Beispiel Eisenoxid mit Kohlenstoff,... so entreißt der Kohlenstoff den Sauerstoff aus dem Eisen und bildet reines, elementares Eisen.

Was geschieht mit dem Sauerstoff? Es bindet sich an den Kohlenstoff und bildet Kohlendioxid. Dies erklärt auch, warum verschiedene Metalle im Laufe der Geschichte zu verschiedenen Zeitpunkten entdeckt wurden. Sie spiegeln die Reaktionsreihe mit Sauerstoff genau wider. Silber ist seit prähistorischen Zeiten bekannt, da es in der Natur in fast reiner Form zu finden ist.

Kupfer wird seit circa sechstausend Jahren genutzt, und Blei seit etwa fünftausend Jahren. Der Grund dafür lässt sich anhand ihrer Positionen in der Reaktionsreihe erkennen: Beide lassen sich mithilfe des Kohlenstoffes in Brennholz relativ einfach reinigen – die Temperatur eines Holzfeuers ist dafür hoch genug. Vor etwa dreitausend Jahren entdeckten Schmiede, dass sich mit Holzkohle – welches höhere Temperaturen als gewöhnliches Brennholz erzeugen kann – elementares Eisen aus Eisenoxiden gewinnen lässt. Dieser Vorgang des Schmelzens wurde in der Eisenzeit ins Leben gerufen. Elemente, die in der Reaktionsreihe über Kohlenstoff stehen, lassen sich viel schwieriger von ihren Oxiden befreien.

Obwohl sich in der Erdkruste viel Aluminium und Magnesium befindet, wurden diese Metalle erst ab dem 19. Jahrhundert – vor 200 Jahren – in ihrer Reinform produziert, mithilfe von Elektrizität. Also: Wenn... ein Oxid eines Metalls – zusammen mit einem reaktionsfreudigeren Element in dieser Reaktionsreihe – genug erhitzt wird,... ...so bindet sich der Sauerstoff mit dem reaktionsfreudigeren Element. Ein Metall, das als Oxid in die Reaktion eintritt, kann also in seine elementare, sauerstofffreie Form umgewandelt werden.