eisenoxid kohlenstoff experiment

Redox-Reaktionen

Bei einer Redox -Reaktion (Reduktions-Oxidations-Reaktion) findet eine Elektronenübertragung auf den Reaktionspartner statt. Bekannte Beispiele sind Verbrennungsreaktionen, das Rosten von Eisen und die Energiegewinnung aus der Nahrung.

Info für Lehrer*innen

Der oxidationsbegriff.

Im 18. Jahrhundert erforschte der französische Chemiker Antoine de Lavoisier Gesetz vom Erhalt der Masse . Auch weißt du, dass bei Verbrennungen viel Energie frei wird: Verbrennungsreaktionen sind stark exotherm !">Verbrennungsreaktionen . Er erkannte, dass bei einer Verbrennung die vorliegende Substanz eine Oxide , beispielsweise Eisenoxid (Fe 2 O 3 ), Magnesiumoxid (MgO). Die Begriffe Oxide und Oxidation leiten sich von Oxygenium (griech. Säureerzeuger) für Sauerstoff ab.">Verbindung mit Sauerstoff eingeht. Daraus formulierte er die Oxidationstheorie , die er auf Verbrennungen, aber auch auf andere Vorgänge , anwendete.

breaking bsp (katex innerhalb eines sb-units): 4 Fe$$_2$$

Redox-Reaktionen genauer betrachtet

Durch weitere Erkenntnisse und das Atommodell nach Bohr konnte Anfang des 20. Jahrhunderts veranschaulicht werden, dass bei Reaktionen wie einer Verbrennungsreaktion Elektronen übertragen werden. So wurden die Begriffe Reduktion und Oxidation definiert.

Bei einer gekoppelt ab, daher spricht man von Redox-Reaktionen."> Redox-Reaktion werden Elektronen auf den Reaktionspartner übertragen . Die Oxidation beschreibt dabei die Elektronenabgabe, die Elektronen (negativ geladen) aufgenommen. Daher verringert sich die Ladungszahl, sie wird reduziert."> Reduktion die Elektronenaufnahme.

Betrachten wir dazu die Verbrennung von Magnesium genauer! Dabei werden die Außenelektronen von Magnesium auf Sauerstoff Edelgaszustand erreicht.">übertragen . Magnesium wird dabei oxidiert (gibt Elektronen ab), Sauerstoff wird reduziert (nimmt Elektronen auf). Bei dieser Reaktion ist Magnesium das Reduktionsmittel , Sauerstoff ist das Oxidationsmittel .

Die Definitionen werden auch auf Reaktionen, bei denen kein Sauerstoff beteiligt ist, angewendet. Betrachte die Reaktion von Natrium mit Chlor zu Natriumchlorid (Kochsalz)! Bestimmt kannst du die Beschreibungen richtig zuordnen.

Chemiker*innen verdeutlichen die Elektronenübertragung, indem sie eine Reaktion in Teilreaktionen , getrennt nach Oxidation und Reduktion, anschreiben. Beim Ausgleichen einer Reaktion muss berücksichtigt werden, dass bei der Teilreaktion der Oxidation so viele Elektronen abgegeben werden, wie bei der Reduktion aufgenommen werden.

Luca hat versucht, die Teilreaktionen zur Reaktionsgleichung „Calcium reagiert mit Chlor“ aufzustellen, dabei sind ihm aber 7 Fehler unterlaufen. Wie gut kennst du dich bereits mit den Inhalten aus? Überprüfe folgende Übersicht und korrigiere die Fehler!

Beispiele für Redox-Reaktionen

Verbrennungsreaktionen sind schnelle Redox-Reaktionen. Wie du bereits weißt, braucht jede Verbrennung Sauerstoff. Wenn nicht ausreichend Sauerstoff zum Ort der Verbrennung gelangt, spricht man von einer unvollständigen Verbrennung . Dabei können Nebenprodukte wie Ruß und Kohlenstoffmonoxid (ein Atemgift) entstehen.

Langsame Redox-Reaktionen liegen beispielsweise beim Rosten von Eisen (bzw. Korrosion versteht man die Zerstörung von Materialien durch die Reaktion mit der Umgebung. Häufig geschieht dies durch die Reaktion mit Sauerstoff unter der Anwesenheit von Wasser oder Wasserdampf. Bei der Korrosion von Eisen spricht man von Rosten .">Korrodieren von Metallen), bei der Verrottung von Bioabfällen und bei der Zellatmung bezeichnet.">Gewinnung von Energie aus Traubenzucker in unseren Körperzellen vor.

Korrosionsschutz

Metalle sind unterschiedlich unedlen und edlen Metallen . Unedle Metalle sind beispielsweise Aluminium, Chrom und Zink. Edle Metalle sind beispielsweise Silber, Gold und Platin. Edle Metalle sind korrosionsbeständiger. ">korrosionsbeständig . Um Materialien vor der Einwirkung von Wasser, Sauerstoff und korrosionsfördernden Sustanzen (wie Säuren) zu schützen, kann man sie mit einer dünnen 2 O 3 ) eingesetzt werden. Es werden aber nicht nur Metalle galvanisiert. Es können – meist zu dekorativen Zwecken – auch Kunststoffe mit Metallschichten überzogen werden.">Metallschicht überziehen. Häufig werden Armaturen für Badezimmer und Küchen verchromt . So wird das darunter liegende Material (meist Eisen) vor Korrosion geschützt – und es sieht gut aus. Dachrinnen sind oftmals mit einer Zinn - oder Zinkschicht überzogen.

Beim Galvanisieren wird der Vorgang der Elektrolyse angewendet. Dabei wird die Elektronenübertragung durch das Anlegen von Gleichstrom erzwungen. In einer Lösung liegen Ionen des Elements, das als Überzug dienen soll, vor. Auf der Oberfläche des Materials, das galvanisiert wird, nehmen die Ionen Elektronen auf und lagern sie so als metallisches Element ab.

Galvanisiere selbst Gegenstände!

Elektrolyse

Neben der Galvanisierung wird die Elektrolyse beispielsweise zur Gewinnung von Metallen (aus Salzlösungen) oder anderen Stoffen (z. B. Chlor, Wasserstoff, Sauerstoff) oder zur Reinigung von Metallen angewendet.

Bei der Elektrolyse wird durch elektrischen Strom eine Redox-Reaktion erzwungen .

Beispielsweise können durch Elektrolyse elementares Kupfer und Chlorgas aus einer Kupfersulfatlösung (CuCl 2 ) gewonnen werden.

Cu 2+ + 2 Cl - Cu + Cl 2

Wasser kann durch Elektrolyse in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Im 19. Jahrhundert hat August Wilhelm Hofmann dazu eine Apparatur entwickelt, die die Wasserelektrolyse veranschaulicht.

Hofmannscher Apparat

Hier findest du die Anleitung, um eine kleine Elektrolyseapparatur selbst zu bauen!

Elektrochemie

Überlege, in welchen Gegenständen man Batterien und Akkus (Akkumulatoren) verwendet! Kannst du dir einen Alltag ohne diese vorstellen?

Grundlage für Batterien und Akkumulatoren ist eine elektrochemische Zelle (galvanisches Element), das aus 2 unterschiedlichen Metallen als Elektroden besteht. Diese sind in eine Elektrolytlösung (Salzlösung) getaucht, räumlich getrennt und elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Metalle haben ein unterschiedliches Bestreben, Elektronen abzugeben bzw. aufzunehmen. Je höher das Bestreben, Elektronen aufzunehmen, umso edler ist ein Metall. Der Stromfluss liegt daher immer vom unedleren zum edleren Metall vor.

Mit diesem Wissen kann beispielsweise Eisen mit einer Kupferschicht überzogen werden. Gibt man einen Eisennagel in eine Lösung mit Kupfer-Ionen, gibt Eisen an seiner Oberfläche Elektronen an die Kupfer-Ionen ab – somit lagert sich metallisches Kupfer am Eisennagel ab.

Die Online-Aufgaben können nur eingeloggte User*innen verwenden. Dafür brauchen Sie eine Lizenz für SchuBu+

Sorry, we're currently doing technical maintenance on Binogi, please come back in an hour

Thank you for visiting nature.com. You are using a browser version with limited support for CSS. To obtain the best experience, we recommend you use a more up to date browser (or turn off compatibility mode in Internet Explorer). In the meantime, to ensure continued support, we are displaying the site without styles and JavaScript.

• View all journals
• Explore content
• About the journal
• Publish with us
• Sign up for alerts
• Published: 25 September 2024

Direct evidence for a carbon–carbon one-electron σ-bond

• Takuya Shimajiri   ORCID: orcid.org/0000-0002-4948-2739 1 , 2   nAff3 ,
• Soki Kawaguchi   ORCID: orcid.org/0000-0001-5198-6699 1 ,
• Takanori Suzuki 1 &
• Yusuke Ishigaki   ORCID: orcid.org/0000-0001-7961-3595 1  

Nature ( 2024 ) Cite this article

Metrics details

• Electronic structure
• Near-infrared spectroscopy
• Optical materials and structures
• Physical chemistry
• Structure elucidation

Covalent bonds share electron pairs between two atoms and make up the skeletons of most organic compounds in single, double and triple bonds. In contrast, examples of one-electron bonds remain scarce, most probably due to their intrinsic weakness 1 , 2 , 3 , 4 . Although several pioneering studies have reported one-electron bonds between heteroatoms, direct evidence for one-electron bonds between carbon atoms remains elusive. Here we report the isolation of a compound with a one-electron σ-bond between carbon atoms by means of the one-electron oxidation of a hydrocarbon with an elongated C–C single bond 5 , 6 . The presence of the C•C one-electron σ-bond (2.921(3) Å at 100 K) was confirmed experimentally by single-crystal X-ray diffraction analysis and Raman spectroscopy, and theoretically by density functional theory calculations. The results of this paper unequivocally demonstrate the existence of a C•C one-electron σ-bond, which was postulated nearly a century ago 7 , and can thus be expected to pave the way for further development in different areas of chemistry by probing the boundary between bonded and non-bonded states.

This is a preview of subscription content, access via your institution

Access options

Access Nature and 54 other Nature Portfolio journals

Get Nature+, our best-value online-access subscription

24,99 € / 30 days

cancel any time

Subscribe to this journal

Receive 51 print issues and online access

185,98 € per year

only 3,65 € per issue

Buy this article

• Purchase on SpringerLink
• Instant access to full article PDF

Prices may be subject to local taxes which are calculated during checkout

Data availability

The X-ray data have been deposited with the Cambridge Crystallographic Data Centre under reference numbers 2301032 – 2301035 ( 1 •+ I 3 − , main_sample1), 2301036 – 2301039 ( 1 •+ I 3 − , sub_sample2) and 2301040 – 2301043 ( 1 2+ (I 3 − ) 2 ). All other data are presented in the main text or the  Supplementary Information .

Canac, Y. et al. Isolation of a benzene valence isomer with one-electron phosphorus-phosphorus bonds. Science 279 , 2080–2082 (1998).

Article   ADS   CAS   PubMed   Google Scholar  

Moret, M., Zhang, L. & Peters, J. C. A polar copper–boron one-electron σ-bond. J. Am. Chem. Soc. 135 , 3792–3795 (2013).

Article   CAS   PubMed   Google Scholar  

Hübner, A. et al. Confirmed by X-ray crystallography: the B ⋅ B one-electron σ bond. Angew. Chem. Int. Ed. 53 , 4832–4835 (2014).

Article   Google Scholar  

Graziano, B. J. et al. One-electron bonds in copper–aluminum and copper–gallium complexes. Chem. Sci. 13 , 6525–6531 (2022).

Article   PubMed   PubMed Central   Google Scholar  

Ishigaki, Y., Shimajiri, T., Takeda, T., Katoono, R. & Suzuki, T. Longest C–C single bond among neutral hydrocarbons with a bond length beyond 1.8 Å. Chem 4 , 795–806 (2018).

Article   CAS   Google Scholar  

Shimajiri, T. The Nature of Ultralong C–C Bonds (Springer Nature, 2023).

Pauling, L. The nature of the chemical bond. II. The one-electron bond and the three-electron bond. J. Am. Chem. Soc. 53 , 3225–3237 (1931).

Lewis, G. N. The atom and the molecule. J. Am. Chem. Soc. 38 , 762–785 (1916).

Langmuir, I. The arrangement of electrons in atoms and molecules. J. Franklin Inst. 187 , 359–362 (1919).

Clark, T. Odd-electron .sigma. bonds. J. Am. Chem. Soc. 110 , 1672–1678 (1988).

Ioffe, A. & Shaik, S. Ethane cation-radical isomers and their interconversion pathways. Electron shift isomerism in cation radicals. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 3 , 1461 (1993).

Zuilhof, H., Dinnocenzo, J. P., Reddy, C. & Shaik, S. Comparative study of ethane and propane cation radicals by B3LYP density functional and high-level ab initio methods. J. Phys. Chem. 100 , 15774–15784 (1996).

de Sousa, D. W. O. & Nascimento, M. A. C. One-electron bonds are not ‘half-bonds’. Phys. Chem. Chem. Phys. 21 , 13319–13336 (2019).

Article   PubMed   Google Scholar  

Claxton, T. A., Overill, R. E. & Symons, M. C. R. Possible structures for C 2 H 6 + and B 2 H 6 − E.S.R. evidence and UHF calculations. Mol. Phys. 27 , 701–706 (1974).

Article   ADS   CAS   Google Scholar  

DuPont, T. J. & Mills, J. L. Arylborane anions. Electrochemical study. J. Am. Chem. Soc. 97 , 6375–6382 (1975).

Hudson, R. L. & Williams, F. Electron spin resonance spectrum of trimethyl borate ([(MeO)3B.cntdot.B(OMe)3]−). A novel .sigma. radical with a one-electron bond. J. Am. Chem. Soc. 99 , 7714–7716 (1977).

Kasai, P. H. & McLeod, D. Electron spin resonance study of molecular anions generated in argon matrix at 4°K: ESR spectrum of B 2 H 6 − . J. Chem. Phys. 51 , 1250–1251 (1969).

Iwasaki, M., Toriyama, K. & Nunome, K. Electron spin resonance study of electronic and geometrical structures of C 2 H 6 + and other simple alkane cations at 4.2 K: possible evidence for Jahn–Teller distortion. J. Am. Chem. Soc. 103 , 3591–3592 (1981).

Wang, J. T. & Williams, F. E.S.R. spectra of the hexamethyldisilane and hexamethyldigermane radical cations. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1981 , 666–668 (1981).

Shida, T., Kubodera, H. & Egawa, Y. Confirmation of the cation radicals of hexamethylethane and hexamethyldisilane by ESR and other spectroscopy. Chem. Phys. Lett. 79 , 179–182 (1981).

Hoefelmeyer, J. D. & Gabbaï, F. P. An intramolecular boron–boron one-electron σ-bond. J. Am. Chem. Soc. 122 , 9054–9055 (2000).

Cataldo, L. et al. Formation of a phosphorus–phosphorus bond by successive one-electron reductions of a two-phosphinines-containing macrocycle: crystal structures, EPR, and DFT investigations. J. Am. Chem. Soc. 123 , 6654–6661 (2001).

Rao, V. R. & Hixson, S. S. Arylcyclopropane photochemistry. Electron-transfer-mediated photochemical addition of methanol to arylcyclopropanes. J. Am. Chem. Soc. 101 , 6458–6459 (1979).

Dinnocenzo, J. P., Todd, W. P., Simpson, T. R. & Gould, I. R. Nucleophilic cleavage of one-electron .sigma. bonds: stereochemistry and cleavage rates. J. Am. Chem. Soc. 112 , 2462–2464 (1990).

Miyashi, T., Ikeda, H., Konno, A., Okitsu, O. & Takahashi, Y. Photoinduced electron-transfer reactions of the cope and related systems. Pure Appl. Chem. 62 , 1531–1538 (1990).

Ikeda, H. et al. Photoinduced electron-transfer degenerate cope rearrangement of 2,5-diaryl-1,5-hexadienes: a cation-radical cyclization–diradical cleavage mechanism. J. Am. Chem. Soc. 120 , 87–95 (1998).

Ikeda, H. et al. Photoinduced electron-transfer cope rearrangements of 3,6-diaryl-2,6-octadienes and 2,5-diaryl-3,4-dimethyl-1,5-hexadienes: stereospecificity and an unexpected formation of the bicyclo[2.2.0]hexane derivatives. J. Org. Chem. 64 , 1640–1649 (1999).

Ikeda, H., Hoshi, Y. & Miyashi, T. 1,3-Bis(4-methoxyphenyl)cyclohexane-1,3-diyl cation radical: divergent reactivity depending upon electron-transfer conditions. Tetrahedron Lett. 42 , 8485–8488 (2001).

Gomberg, M. Triphenylmethyl, ein Fall von dreiwerthigem Kohlenstoff. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 33 , 3150–3163 (1900).

Gomberg, M. An instance of trivalent carbon: triphenylmethyl. J. Am. Chem. Soc. 22 , 757–771 (1900).

Kahr, B., Van Engen, D. & Mislow, K. Length of the ethane bond in hexaphenylethane and its derivatives. J. Am. Chem. Soc. 108 , 8305–8307 (1986).

Takeda, T. et al. Hexaphenylethanes with an ultralong C–C bond: expandability of the C–C bond in highly strained tetraarylpyracenes. Chem. Lett. 42 , 954–962 (2013).

Suzuki, T. et al. Expandability of ultralong C–C bonds: largely different C1–C2 bond lengths determined by low-temperature X-ray structural analyses on pseudopolymorphs of 1,1-bis(4-fluorophenyl)-2,2-bis(4-methoxyphenyl)pyracene. Chem. Lett. 43 , 86–88 (2014).

Shimajiri, T., Suzuki, T. & Ishigaki, Y. Flexible C–C bonds: reversible expansion, contraction, formation, and scission of extremely elongated single bonds. Angew. Chem. Int. Ed. 59 , 22252–22257 (2020).

Dyker, G., Hagel, M., Henkel, G. & Köckerling, M. Naphthyl-substituted carbocations: from peri interaction to cyclization. Eur. J. Org. Chem. 2008 , 3095–3101 (2008).

Cordoneanu, A., Drewitt, M. J., Bavarian, N. & Baird, M. C. Synthesis and characterization of weakly coordinating anion salts of a new, stable carbocationic reagent, the dibenzosuberenyl (dibenzotropylium) ion. New J. Chem. 32 , 1890 (2008).

Nishiuchi, T. et al. Anthracene‐attached persistent tricyclic aromatic hydrocarbon radicals. Chem. Asian J. 14 , 1830–1836 (2019).

Sun, D., Rosokha, S. V. & Kochi, J. K. Donor-acceptor (electronic) coupling in the precursor complex to organic electron transfer: intermolecular and intramolecular self-exchange between phenothiazine redox centers. J. Am. Chem. Soc. 126 , 1388–1401 (2004).

Small, D. et al. Intermolecular π-to-π bonding between stacked aromatic dyads. Experimental and theoretical binding energies and near-IR optical transitions for phenalenyl radical/radical versus radical/cation dimerizations. J. Am. Chem. Soc. 126 , 13850–13858 (2004).

Nojo, W., Ishigaki, Y., Takeda, T., Akutagawa, T. & Suzuki, T. Selective formation of a mixed-valence state from linearly bridged oligo(aromatic diamines): drastic structural change into a folded columnar stack for half-filled polycations. Chem. Eur. J.   25 , 7759–7765 (2019).

Casado, J. et al. Evidence for multicenter bonding in dianionic tetracyanoethylene dimers by Raman spectroscopy. Angew. Chem. Int. Ed. 52 , 6421–6425 (2013).

Kubo, T. et al. Long carbon-carbon bonding beyond 2 Å in Tris(9-fluorenylidene)methane. J. Am. Chem. Soc. 143 , 14360–14366 (2021).

Dutan, C. et al. Electron transfer between two silyl-substituted phenylene rings: EPR/ENDOR spectra, DFT calculations, and crystal structure of the one-electron reduction compound of a Di(m-silylphenylenedisiloxane). J. Am. Chem. Soc. 125 , 4487–4494 (2003).

Frisch, J. M. et al. Gaussian 16, Revision C.01 (Gaussian, Inc., 2019).

Lu, T. & Chen, F. Multiwfn: a multifunctional wavefunction analyzer. J. Comput. Chem. 33 , 580–592 (2012).

Glendening, E. D., Reed, A. E., Carpenter, J. E. & Weinhold, F. NBO v.3.1 (Gaussian, Inc., 2001).

Dolomanov, O. V., Bourhis, L. J., Gildea, R. J., Howard, J. A. K. & Puschmann, H. OLEX2: a complete structure solution, refinement and analysis program. J. Appl. Crystallogr. 42 , 339–341 (2009).

Sheldrick, G. M. SHELXT – Integrated space-group and crystal-structure determination. Acta Crystallogr. A Found. Adv. 71 , 3–8 (2015).

Article   ADS   PubMed   PubMed Central   Google Scholar  

Sheldrick, G. M. Crystal structure refinement with SHELXL. Acta Crystallogr. C Struct. Chem. 71 , 3–8 (2015).

Download references

Acknowledgements

We thank E. Fukushi and Y. Takata (Hokkaido University) for recording mass spectra, H. Hirata (Hokkaido University) for recording electron spin resonance spectra, S. Noro, Y. Saito and A. Yamazaki for recording solid-state UV/Vis/NIR spectra, as well as J. P. Gong and T. Nakajima for recording solid-state IR spectra. Parts of the theoretical calculations were carried out at the Research Center for Computational Science, Okazaki, Japan (Project 23-IMS-C218). We would also like to thank U. F. J. Mayer at www.mayerscientificediting.com for proofreading our manuscript. This work was supported by the Masason Foundation (to S.K.) and by the Research Program ‘Five-star Alliance’ in ‘NJRC Mater. & Dev.’ of MEXT (Japan). Y. I. and T. Shimajiri acknowledge financial support from a Toyota Riken Scholarship. This work was furthermore supported by Grants-in-Aid from MEXT (JSPS Nos. 23K13726 to T. Shimajiri, 23K20275 to T. Suzuki, and 23K21107 and 23H04011 to Y.I.) and JST PRESTO (No. JPMJPR23Q1) to Y.I.

Author information

Takuya Shimajiri

Present address: Department of Chemistry, Graduate School of Science, The University of Tokyo, Tokyo, Japan

Authors and Affiliations

Department of Chemistry, Faculty of Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan

Takuya Shimajiri, Soki Kawaguchi, Takanori Suzuki & Yusuke Ishigaki

Creative Research Institution, Hokkaido University, Sapporo, Japan

You can also search for this author in PubMed   Google Scholar

Contributions

T. Shimajiri, T. Suzuki and Y.I. developed the concept of this study. T. Shimajiri and S.K. conducted the synthetic and spectroscopic experiments as well as the theoretical calculations. T. Shimajiri, T. Suzuki and Y.I. supervised the project. T. Shimajiri prepared the manuscript with feedback from all authors.

Corresponding authors

Correspondence to Takuya Shimajiri or Yusuke Ishigaki .

Ethics declarations

Competing interests.

The authors declare no competing interests.

Peer review

Peer review information.

Nature thanks Tobias Krämer and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work. Peer reviewer reports are available.

Additional information

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Supplementary information

Supplementary information, peer review file, rights and permissions.

Springer Nature or its licensor (e.g. a society or other partner) holds exclusive rights to this article under a publishing agreement with the author(s) or other rightsholder(s); author self-archiving of the accepted manuscript version of this article is solely governed by the terms of such publishing agreement and applicable law.

Reprints and permissions

About this article

Cite this article.

Shimajiri, T., Kawaguchi, S., Suzuki, T. et al. Direct evidence for a carbon–carbon one-electron σ-bond. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1

Download citation

Received : 24 November 2023

Accepted : 20 August 2024

Published : 25 September 2024

DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07965-1

Share this article

Anyone you share the following link with will be able to read this content:

Sorry, a shareable link is not currently available for this article.

Provided by the Springer Nature SharedIt content-sharing initiative

By submitting a comment you agree to abide by our Terms and Community Guidelines . If you find something abusive or that does not comply with our terms or guidelines please flag it as inappropriate.

Quick links

• Explore articles by subject
• Guide to authors
• Editorial policies

Sign up for the Nature Briefing newsletter — what matters in science, free to your inbox daily.

Beitrag zur Kenntnis des Systems Schwefel‐Eisen‐Kohlenstoff

• December 2016
• Archiv für das Eisenhüttenwesen 3(6):427-435
• This person is not on ResearchGate, or hasn't claimed this research yet.

Discover the world's research

• 25+ million members
• 160+ million publication pages
• 2.3+ billion citations

No full-text available

To read the full-text of this research, you can request a copy directly from the authors.

• Recruit researchers
• Join for free
• Login Email Tip: Most researchers use their institutional email address as their ResearchGate login Password Forgot password? Keep me logged in Log in or Continue with Google Welcome back! Please log in. Email · Hint Tip: Most researchers use their institutional email address as their ResearchGate login Password Forgot password? Keep me logged in Log in or Continue with Google No account? Sign up

Advertisement

Wasserstoff als Reduktionsmittel für die Eisen- und Rohstahlerzeugung – Ist-Situation, Potentiale und Herausforderungen

Hydrogen as a Reducing Agent for Ironmaking and Steelmaking: Status, Potentials, and Challenges

• Originalarbeit
• Published: 10 March 2015
• Volume 160 , pages 96–102, ( 2015 )

Cite this article

• Eduard Bäck 1 ,
• Johannes Schenk 2 ,
• Karim Badr 3 ,
• Axel Sormann 4 &
• Jan Friedemann Plaul 5  

1495 Accesses

2 Citations

1 Altmetric

Explore all metrics

Zusammenfassung

Bei allen modernen Verfahren zur Roheisen- und Eisenschwammerzeugung wird Wasserstoff in verschieden hohen Anteilen im Gemisch mit Kohlenmonoxid als gasförmiges Reduktionsmittel eingesetzt. Für die Erzeugung von Eisenschwamm wurden Direktreduktionsanlagen im industriellen Maßstab mit reinem Wasserstoff betrieben. Aufgrund der physikalisch-chemischen Eigenschaften hat Wasserstoff im Plasmazustand ein sehr hohes chemisches Reduktionspotential im Vergleich zu Kohlenstoff. Das eröffnet die Möglichkeit eines innovativen – disruptiven – Verfahrenskonzeptes, der direkten Erzeugung von Rohstahl aus Erz mit Wasserstoffplasma in einem Verfahrensschritt ohne direkte Treibhausgasemissionen. Mit den bisher durchgeführten Grundlagenuntersuchungen an der Montanuniversität Leoben, die von Prof. Herbert Hiebler gestartet und vorangetrieben wurden, wurden Basisdaten für so ein Verfahren ermittelt. Für eine industrielle Umsetzung des Verfahrenskonzeptes sind aber noch weitergehende Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten durchzuführen, um Lösungsvorschläge für eine Produktionsanlage in Up-scaling-Schritten zu testen.

All recent ironmaking processes for the production of hot metal and sponge iron use a certain amount of hydrogen in a mixture with carbon monoxide as a gaseous reductant. The production of sponge iron in direct reduction plants with pure hydrogen has been proven on an industrial scale. Hydrogen has a very high chemical reduction potential in plasma state in comparison to carbon. Consequently the process concept of a highly innovative, i.e. disruptive smelting reduction process for direct steelmaking from iron ore with hydrogen plasma avoiding any greenhouse gas emissions becomes conceivable. Prof. Herbert Hiebler initiated and promoted fundamental research at the Montanuniversitaet Leoben, which provides the basic data for such a process. However, the industrial implementation of the process concept requires further research and development for the upscaling of the technology to a production plant.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Subscribe and save.

• Get 10 units per month
• Download Article/Chapter or eBook
• 1 Unit = 1 Article or 1 Chapter
• Cancel anytime

Price includes VAT (Russian Federation)

Instant access to the full article PDF.

Rent this article via DeepDyve

Institutional subscriptions

Explore related subjects

• Environmental Chemistry

Plaul, F.: Schmelzreduktion von hämatitischen Feinerzen im Wasserstoff-Argon-Plasma, Diss., Leoben, Montanuniv., Lehrstuhl für Metallurgie, 2005

Antrekowitsch, H.; Ellersdorfer, M.; Hofstätter, H.; Lehner, M.; Matthai, S.; Moser, P.; Theodoridou. V.; Treimer, R.; Wagner, Ch.; Oberndorfer, M.: CCU – Carbon Capture and Utilization, Endbericht, Montanuniversität Leoben, September 2011

Squires, A. M.; Johnson, C. A.: The H-Iron Process, Journal of Metals, 9 (1957), Nr. 4, S. 586–590

Reed, T. F.; Agarwal, J. C.; Shipley, E. H.: NU-IRON, A fluidized Bed Reduction Process, Journals of Metals, 12 (1960), Nr. 4, S. 317–320

Chatterjee, A.: Sponge Iron Production by Direct Reduction of Iron Oxide, 2nd Edition, New Delhi, PHI Learning Private Limited, 2012

Google Scholar  

Elmquist, S. A.; Weber, P.; Eichberger, H.: Operational results of the CIRCORED fine ore direct reduction plant in Trinidad, Stahl und Eisen, 122 (2002), Nr. 2, S 59–64

Sormann, A.: Untersuchungen zur Schmelzreduktion von Eisenoxiden mit Wasserstoff als Reduktionsmittel, Diss., Leoben, Montanuniv., Institut für Eisenhüttenkunde, 1992

Sormann, A.; Hiebler, H; Preßlinger H.: Proc. Int. Conf. on New Smelting Red. and Near Net Shape Casting Techn. for Steel, Vol. 4, Pohang, 1990, pp. 57–74

Bäck, E.; Hiebler, H.: Schmelzreduktion von Eisenoxiden mit Argon-Wasserstoff-Plasma, Proceedings of Iron and Steelmaking Conference, 24.–26.9.1997, Szczyrk, Polen, 1997

Bäck, E.: Schmelzreduktion von Eisenoxiden mit Argon-Wasserstoff-Plasma, Diss., Leoben, Montanuniv., Institut für Eisenhüttenkunde, 1998

Bäck, E.; Hiebler, H.: Schmelzreduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff in einem Plasmaofen, BHM, 143 (1998), pp. 153–158

Bäck, E.; Hiebler, H.: Schmelzreduktion von Eisenoxid mit Zusätzen von oxidischen Schlackenbildnern in einem Plasmaofen mit Wasserstoff, BHM, 143 (1998), pp. 259–264

Schützenhöfer, W.; Bäck, E.; Hiebler, H.: Theoretical and experimental considerations of steel production in one step out of iron ores, Abstracts DUNAFERR of the 8th Metallurgical Conf. on Energy-Environmental-Materials Management. 9.–10. Sept. 1999

Wiesinger, H.: Bewertung der Wasserstoffschmelzreduktion zur Stahlerzeugung, Diss., Leoben, Montanuniv., Institut für Eisenhüttenkunde, 2000

Linzer, B.: Schmelzreduktion von Feinerzen im Argon-Wasserstoff-Plasma, Dipl.-Arb., Leoben, Montanuniv., Lehrstuhl für Metallurgie, 2002

Plaul, J. F., Krieger, W.: Wasserstoff-Plasma-Schmelzreduktion: Ein alternativer Weg zur Stahlerzeugung, BHM, 149 (2004), pp. 235–239

Plaul, J. F.; Krieger, W.: Proc. 1st Chinese-German Seminar on Fundamentals of Iron and Steelmaking, Beijing, 18.–19. October 2004, China, Beijing, 2004

Plaul, J. F.; Krieger, W; Bäck, E.: Reduction of fine ores in argon-hydrogen plasma. steel research int., 76 (2005), pp. 548–554

K. Badr, E. Bäck, W. Krieger:Plasma Reduction of Iron Oxide by Methane Gas and its Process Up-scaling. steel research int., 78 (2007), pp. 275–280

Badr, K.: Smelting of Iron Oxides Using Hydrogen Based Plasmas, Diss., Leoben, Montanuniv., Lehrstuhl für Metallurgie, 2007

Rajput, P.; Sabat, K. C.; Paramguru, R. K.; Bhoi, B.; Mishra, B. K.: Direct reduction of iron in low temperature hydrogen plasma, Ironmaking and Steelmaking, 41 (2014), Nr. 10, S. 721–731

Download references

Author information

Authors and affiliations.

HTL Leoben, Leoben, Österreich

Eduard Bäck

Lehrstuhl für Eisen- und Stahlmetallurgie, Montanuniversität Leoben, Franz-Josef Str. 18, 8700, Leoben, Österreich

Johannes Schenk

RHI AG, RHI AG, Österreich

voestalpine Stahl Donawitz GmbH, Leoben, Österreich

Axel Sormann

VAI Metals Technologies Private Limited, Kolkata, India

Jan Friedemann Plaul

You can also search for this author in PubMed   Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Johannes Schenk .

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Bäck, E., Schenk, J., Badr, K. et al. Wasserstoff als Reduktionsmittel für die Eisen- und Rohstahlerzeugung – Ist-Situation, Potentiale und Herausforderungen. Berg Huettenmaenn Monatsh 160 , 96–102 (2015). https://doi.org/10.1007/s00501-015-0346-5

Download citation

Received : 23 January 2015

Accepted : 30 January 2015

Published : 10 March 2015

Issue Date : March 2015

DOI : https://doi.org/10.1007/s00501-015-0346-5

Share this article

Anyone you share the following link with will be able to read this content:

Sorry, a shareable link is not currently available for this article.

Provided by the Springer Nature SharedIt content-sharing initiative

Schlüsselwörter

• Wasserstoff
• Schmelzreduktion
• Direktreduktion
• Smelting reduction
• Direct reduction
• Find a journal
• Publish with us
• Track your research