Lehrerversuch; 30 min.

Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Geräte
Quarzglasrohr (ca. 20 cm lang, d = 1,5 cm), Stopfen mit gewinkeltem Glasrohr, Stopfen mit Glasrohr (ausgezogene Spitze), Glaswolle, 2 Bunsenbrenner, Magnet.

Chemikalien
Aktivkohle (gekörnt), Eisen(III)-oxid, Sauerstoff (O).

Durchführung
Ein senkrecht im Stativ eingespanntes Quarzrohr wird am unteren Ende mit einem Stopfen verschlossen, in dem ein Glasrohr gasdicht eingeführt und mit einer Sauerstoffflasche verbunden ist. Das Reaktionsrohr wird folgendermaßen beschickt:
Auf eine Schicht von Glaswolle folgt gekörnte Aktivkohle (etwa 7 cm hoch), dann Eisen(III)-oxid (etwa 2 cm hoch), dann wiederum eine Schicht Aktivkohle gefolgt von einer Schicht aus Eisen(III)-oxid. Die oberste Schicht wird dann mit Glaswolle abgedeckt und das Quarzglasrohr mit Stopfen und Glasrohr verschlossen.
Mit Hilfe von zwei schräg gestellten Bunsenbrennern wird die unterste Kohleschicht zum Glühen gebracht und dann Sauerstoff durch das Reaktionsrohr geleitet. Sodann erhitzt man das Eisen(III)-oxid und anschließend die obersten Schichten. Das am oberen Glasrohr entweichende Kohlenstoffmonooxid wird abgefackelt.
Wenn beide Kohleschichten glühen, wird die Sauerstoffzufuhr vermindert und die Brenner werden entfernt. Beim Nachlassen des Glühens, stellt man die Sauerstoffzufuhr ab und lässt das Reaktionsrohr abkühlen. Anschließend prüft man das Reaktionsprodukt mit einem Magneten.

Ergebnis
Es ist schwarzes Eisenpulver entstanden, das vom Magneten angezogen wird.

Auswertung
An den chemischen Prozessen, die zur Reduktion von Eisen(III)-oxid führen, sind folgende zwei Schritte beteiligt:

I. Entstehung des Reduktionsmittels Kohlenstoffmonooxid in den Aktivkohleschichten des Hochofenmodells (Oxidation):

2 C + O₂ ———> 2 CO

II. Indirekte Reduktion des Eisenerzes: Das heiße Kohlenstoffmonooxid steigt in die darüberliegende Schicht von Eisen(III)-oxid und reduziert dieses bei einer Temperatur von etwa 400 °C, wobei es selbst oxidiert wird (Redoxreaktion):

3 Fe₂O₃ + CO ———> 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO ———> 3 FeO + CO₂

FeO + CO ———> Fe + CO₂

Hinweis
Es ist unbedingt erforderlich, die Sauerstoffzufuhr nach dem Aufglühen der Aktivkohle zu reduzieren, da andernfalls die Aktivkohle durch den Sauerstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird. Kohlenstoffmonooxid entsteht nur bei einer unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoff.

Literatur
J. Reiss, Alltagschemie im Unterricht, Aulis Verlag Deubner & CO KG, Köln 1994, 18 f.