Das heterogene Gleichgewichtssystem FeO/CO und das Boudouard-Gleichgewicht

Experimente:
Versuch: Reduktion von Eisenoxid mit Kohle
Versuch: CO reduziert Eisenoxid


Eisenoxid wird im Hochofen durch Kohlenstoffmonoxid reduziert (-> Versuch). Über die Vorgänge berichten wir auf einer besonderen Webseite. Die im Hochofen ablaufenden Reaktionen sind ein Beispiel für die thermodynamische Betrachtungsweise von Gleichgewichtsprozessen. Denn dabei stellen sich chemische Gleichgewichte ein. Das wichtigste Gleichgewicht ist

Die Gleichgewichtskonstante ist unter der Berücksichtigung des Umstands, dass die Aktivitäten der festen Phasen nicht berücksichtigt werden, wie folgt definiert:

Bei den Konzentrationen handelt es sich um die Gleichgewichtskonzentrationen. Für die Freie Energie gilt unter Berücksichtigung der Restreaktionsarbeit:

Diese Konzentrationswerte sind nun frei wählbar, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Unternehmens "Hochofenprozess" gesteuert werden kann.

Wählt man das Verhältnis CCO2 / CCO kleiner als K, so verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts. Es wird also bevorzugt Eisenoxid reduziert und dabei CO2 gebildet.
Wird das Verhältnis CCO2 / CCO dagegen größer als K, so verschiebt sich das Gleichgewicht nach links. Es wird also bevorzugt Eisenoxid zurückgebildet und dabei CO gebildet.

Zur Effektivitätssteigerung ist es also am besten, den Wert des Konzentrationsquotienten in der Restreaktionsarbeit besonders niedrig zu halten.
Man wird also dafür sorgen müssen, dass CO2 ständig aus dem Gleichgewicht verschwindet. Dann nimmt CCO2 ab, der Wert des Konzentrationsquotienten sinkt.
Noch besser wirkt sich aus, dass man einen Weg gefunden hat, einen Teil des CO2 in CO zurückzuverwandeln. Dann sinkt nicht nur die Konzentration von CO2, sondern zusätzlich nimmt die von CO zu. Damit wird das Konzentrationsverhältnis noch kleiner. Das geschieht tatsächlich mit Hilfe des im Hochofen parallel ablaufenden Boudouard-Gleichgewichts.

(Zur graphischen Darstellung der Konzentrations-Temperaturkurve dieses Gleichgewichts klicke hier.)

Dieses wiederum wird vorangetrieben, indem man ständig das gebildete CO aus dem Gleichgewicht abzieht - zur Reduktion von Eisenoxid. Verbraucht wird beim ganzen Prozess deshalb eigentlich nur die Kohle bzw. der Kohlenstoff, weshalb man auch gern etwas ungenau sagt, dass man mit Kohle Eisenoxid reduziert...

Das überschüssige CO2 wird mit etwas CO und Stickstoff als Gichtgas ausgestoßen. Ständig werden Kohle und Eisenoxid nachgeschoben. Durch das alles wird ein günstiges (weil kleines) CCO2 / CCO-Verhältnis aufrechterhalten.
Einmal angeworfen brennt ein Hochofen monatelang. Man spricht hier treffend von einem Fließgleichgewicht, das allerdings nicht die Komplexität von biologischen Fließgleichgewichten hat. Fließgleichgewichte zeichnen sich dadurch aus, dass sich ihre Abläufe fern vom chemischen Gleichgewicht bewegen.


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Letzte Überarbeitung: 14. Juni 2010, Dagmar Wiechoczek