Das Aluminium

1

Experimentalvortrag von Tim Eggersglüß

2

Gliederung

1. Vorkommen

2. Geschichte und Darstellung des Aluminiums 3. Eigenschaften

4. Verwendung 5. Schulrelevanz

3

Elemente der Erdkruste

Aber: Aluminium kommt in der Natur nicht gediegen, sondern nur in Verbindungen vor.

4

Spannungsreihe

5

Bauxit

 Besteht aus: Aluminiumoxiden (50-60 %) Eisenoxiden

Siliciumoxiden Titanoxiden

 Weltweite bekannte Vorkommen (1990):

Roter Bauxit

Weißer Bauxit

• Feldspäte Tone BauxiteVerwitterung Verwitterung

6

Geschichte des Aluminiums

1825: Hans Christian Oersted stellt erstmals

(verunreinigtes) Aluminium durch die Reduktion von Aluminiumchlorid mittels Kaliumamalgam dar.

1827: Friedrich Wöhler stellt Aluminium durch die Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kalium dar.

1845: Aus kleinen Aluminiumkügelchen bestimmt er erste Eigenschaften des Aluminiums.

AlCl3(s) + 3 K(s) Al(s) + 3 KCl(s)

Geschichte des Aluminiums

1854: Henri Etienne Sainte-Claire Deville leitet

technische Gewinnung von Aluminium durch Reduktion von Aluminiumchlorid mit Natrium ein.

1855: Auf der Pariser Weltausstellung werden unter dem Namen „Silber aus Lehm“ erstmals Aluminiumbarren und Aluminiumschmuck ausgestellt.

8

Geschichte des Aluminiums

1866: Werner von Siemens erfindet die Dynamomaschine.

1869: Deville und Le Chatellier entwickeln den trockenen Aufschluss von Bauxit zur Aluminiumoxidgewinnung.

1886: Hall und Héroult melden unabhängig von einander Patente zur elektrolytische n Gewinnung von Aluminium aus

Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze an.

9

Die Schmelzflusselektrolyse

Anode verbrennt zu CO₂ und CO (COF₂, C₂F₄)

Al₂O_3(l) 2 Al³⁺_(solv) + ^{3 O2-}(solv)

2 Al³⁺_(solv) + ^{6 e- 2 Al(l)}

3 O^2-_(solv) ³/₂ O_2(g) + ^{6 e-}

Kathode:

Anode:

10

Das „Bayer-Verfahren“

1887/1892 Karl Josef Bayer entwickelt ein effizientes und wirtschaftliches Verfahren zu Aluminiumoxidgewinnung aus Bauxit.

Wasser

11

Das „Bayer-Verfahren“

Wasser

+ NaOH(aq) Na[Al(OH)₄]_(aq) Al(OH)_3(s)

Fe(OH)_3(s) SiO_2(s)

2 Al(OH)3(s) Al1 2 0 0 ° C 2O3(s) + 3 H2O(g)

+ 2 NaOH(aq) + Al2O3(s) Na2[Al2SiO6] + NaOH(aq)

12

Geschichte des Aluminiums

1887-1917: In Europa und Nordamerika werden zahlreiche Aluminiumfabriken gegründet.

Als Folge sinkt der Aluminiumpreis sehr stark, so dass Aluminium immer mehr Verwendung findet und zum Gebrauchsmetall wird.

13

Aluminium Recycling

Salzschmelze aus: 45 % NaCl (Schmelztemp. 800 °C) 45 % KCl (Schmelztemp. 770 °C) 10 % NaF (Schmelztemp. 992 °C)

610 °C

Die Salzschmelze nimmt dabei Verunreinigungen,

Legierungselemente und Qxidreste auf und schützt das Aluminium vor der Oxidation.

Das Sekundäraluminium ist daher nur unwesentlich unreiner als

Primäraluminium.

14

Ökobilanz der Aluminiumdarstellung

Zur Produktion 1 Tonne Aluminium benötigt man:

• 4 Tonnen Bauxit  2 Tonnen Aluminiumoxid

• 0,5 Tonnen Kohleelektrode

• 50 kg Kryolith

• 13 MWh Strom (Vergleich: Tagesverbrauch Köln ca. 26 MWh)

Weitere Umweltschäden durch: - Abgase

- Bauxitabbau

- Rotschlammentsorgung

15

Aluminiumrecycling

Beim Aluminiumrecycling werden im Vergleich zur Aluminiumproduktion 95 % des Energiebedarfs

eingespart.

47 % der Gesamtaluminiumproduktion in

Deutschland beruhen auf Sekundäraluminium.

Die Recyclingquote für Aluminium liegt in Deutschland bei über 80 % (laut GDA).

Lediglich in der Hi-Tech-Brache genügt die Reinheit des Sekundäraluminiums nicht den Ansprüchen.

16

Eigenschaften von Aluminium

Silberweißes Metall

Geringe Dichte 2,7 g/cm³ (Vergleich: Eisen 7,8 g/cm ³) Hohe Festigkeit

Guter Wärmeleiter

Geschmacklos und ungiftig Guter elektrischer Leiter

Gute Form- und Dehnbarkeit

Niedrige Schmelztemp. 660 °C (Vergleich Eisen: 1535 °C) Korrosionsbeständig

17

Die Passivierung des Aluminiums

Aluminium in Kupferchlorid:

Aluminium in Kupfersulfat:

Das Aluminium reagiert entsprechend seiner Stellung in der Spannungsreihe und reduziert das edlere Kupfer:

Gleichzeitig kommt es auch zur Reduktion des Wassers durch das Aluminium:

Al₂O_3(s) + 8 Cl^-_(aq) + 4 H₃O⁺_(aq) 2 [AlCl₄]^-_(aq) +4 H₂O_(l)

[AlCl₄]^–_(aq)+ 4 H₂O_(l) Al(OH)₂Cl_(aq) + 3 Cl^-_(aq) + 2 H₃O⁺_(aq)

2 Al_(s) + 6 H₂O(l) 2 Al³⁺_(aq) +3 H_2(g) + 6 OH^- _(aq)

Keine Reaktion; die Oxidschicht schützt das unedle Aluminium.

Die Oxidschicht wird durch Chloridionen zerstört:

2 Al(s) + 3 Cu²⁺(aq) 3 Cu(s) + 2 Al³⁺(aq)

18

Die Aluminium-Luft-Batterie

Anode (Aluminiumdose):

Kathode (Kohleelektrode):

•Beim Sauerstoff handelt es sich um gelösten Luftsauerstoff.

• Durch die poröse Struktur der

Kohleelektrode kann stetig neuer Sauerstoff in Lösung gehen.

Al_(s) Al³⁺_(aq) + 3 e^-

O_2(aq) + 2 H₂O_(l) + 4 e^- 4 OH^-_(aq)

19

Aluminium in Säuren und Basen

Basen zerstören die Oxidschicht:

Salzsäure zerstört die Oxidschicht (Chloridionen).

Schwefelsäure zerstört die Oxidschicht nur bei hohen Temperaturen:

Salpetersäure verstärkt die Oxidschicht

Al₂O_3(s) + 6 H₃O⁺_(aq) 2 Al³⁺_(aq) + 9 H₂O_(l)

2 Al_(s) + 3 HNO_3(aq) Al₂O_3(s) + 3 HNO_2(aq)

Al₂O_3(s) + 2 OH^-_(aq) + 3 H₂O_(l) 2[Al(OH)₄]^-_(aq)

Das Eloxalverfahren

Elektrolytische Oxidation des Aluminiums

schützende Oxidschicht des Aluminiums wird verstärkt

6 H3O⁺(aq) + 6e- 3 H2(g) + 6 H2O(l)

2 Al_(s) + 9 H₂O(l) Al₂O_3(s) + 6 H₃O⁺_(aq) + 6 e^-

Kathode (Graphitelektrode):

Anode (Aluminium):

Gesamtreaktion:

2 Al_(s) + 3 H₂O_(l) Al₂O_3(s) + 3 H_2(g)

21

Das Eloxalverfahren

Normale Oxidschicht

Eloxierte Oxidschicht

Adsorptiv gefärbte Oxidschicht

Elektrolytisch gefärbte Oxidschicht

22

Anwendung des Eloxalverfahrens

• Korrosionsbeständigkeit verstärken

• Schaffen einer noch härteren Oberfläche

• Produktion elektrischer Isolatoren aus Aluminium mit sehr hoher Temperaturbeständigkeit

• Dauerhaftes Färben von Aluminium

23

Eigenschaften  Anwendung

Silberweißes Metall

Geringe Dichte 2,7 g/cm³ Hohe Festigkeit

Guter Wärmeleiter

Geschmacklos und ungiftig Guter elektrischer Leiter

Gute Form- und Dehnbarkeit

Niedrige Schmelztemp. (660 °C)

Korrosionsbeständig

24

Die Aluminothermie

Bei dem Verfahren wird die hohe Sauerstoffaffinität des

Aluminiums ausgenutzt, um andere Metalloxide zu reduzieren:

Die nötige Aktivierungsenergie liefert das Verbrennen einer Zündmischung aus Magnesiumpulver und Bariumperoxid:

Die beiden Reaktionen zusammen sind so exotherm, dass Temperaturen von bis zu 2400 °C erreicht werden und das Reaktionsprodukt schmilzt.

3 Fe₃O_4(s) + 8 Al_(s) 4 Al₂O_3(s) + 9 Fe_(l)

Mg_(s) + BaO_2(s) MgO_(s) + BaO_(s)

25

Die Aluminothermie

Anwendung findet die Aluminothermie noch heute beim Verschweißen von Schienen.

Durch das Beimischen von

Legierungsmetallen können mit dem

Thermitverfahren beliebige Legierungen erzeugt werden.

Da die Schlacke eine deutlich geringere Dichte hat als das

entstandene Metall, kommt es nur zu minimalen Verunreinigungen des Metalls.

26

Aluminium Nachweis mit Morin

Morin

27

Aluminium „im Haushalt“

•In Deos mit „anti-transpirierender“ Wirkung und Alaunstift ist Alaun enthalten (KAI(SO₄)₂) .

•Alaun hat eine adstringierende (zusammenziehende) Wirkung auf der Haut .

•Schweißdrüsen und kleine Wunden werden verschlossen .

•Alaun behindert das Bakterien- wachstum und gilt daher in

gewisser Weise als desinfizierend.

28

Aluminium „im Haushalt“

Rohrreiniger enthält winzige Aluminiumkügelchen.

Diese werden bei Kontakt mit Wasser durch die basischen Bestandteile des Rohreinigers zersetzt.

Es entsteht Wärme und Wasserstoff, die die Verstopfungen auf physikalische Weise auflockern sollen.

Magentabletten enthalten häufig Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃).

Dieses wirkt bei Kontakt mit Wasser basisch, so dass es der Übersäuerung im Magen entgegenwirkt.

29

Schulrelevanz

Jahrgang 10: Redoxreaktionen:

30

Schulrelevanz

Jahrgang 12: Wahlthema Angewandte Chemie

Aufmerksamkeit

32

Spondylolyse, Spondylolysthese

Spondylolyse

Spondylolysthese