AluminiumSilber aus Lehm?

Aluminium

Silber aus Lehm?

Übungen im Experimentalvortrag  Sylvia Pross  SoSe 2007

http://www.pacific-news.de/pn11/rekult.htmlAbbildung: 1 + 2

Übersicht

• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

Übersicht

• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

1. Vorkommen

• häufigstes Metall der Erdkruste

• dritthäufigstes Element Sauerstoff 45, 5 % Silicium 25, 7 % Aluminium 8,3 % Eisen 6,2 % Calcium 4,6 %

• kein gediegenes Vorkommen

1. Vorkommen

Sauerstoffverbindungen Verbindungen des Aluminiums

Aluminiumtrihydroxid Al(OH)₃ Hygrargillit, Bauxit

Aluminiumoxidhydroxid AlO(OH) Diaspor, Böhmit, Bauxit

Dialuminiumtrioxid Al₂O₃ Korund, Schmirgel

Abbildung 3-5

1. Vorkommen

α-Aluminiumoxid („Tonerde“) Korund (Kanada, USA, Indien)

• Schleif- und Poliermittel

• hochfeuerfeste Keramik

• Fasern

• synthetische Edelsteine

Schmirgel (Naxos, Kleinasien)

Beimengungen von Eisenoxid und Quarz

Korund-Struktur

O^2--Ionen: hexagonal dichteste Packung Al³⁺: Besetzung ²/₃ der Oktaederlücken Al³⁺-Ionen oktaedrisch von 6 O^2--Ionen;

O^2- -Ionen tetraedrisch von 4 Al³⁺-Ionen

1. Vorkommen

(1) (2) (3) (4)

Abbildung. 6-9

1. Vorkommen

Edelsteine aus Aluminiumoxid und Spuren anderer Elemente

Rubin

Aluminiumoxid mit Spuren von Cr³⁺ -Ionen

Saphir

Aluminiumoxid mit Spuren von Fe³⁺ -Ionen & Ti⁴⁺ -Ionen

1. Vorkommen

„Alumosilikate“

Feldspäte Glimmer

Tone

Bauxite

Verwitterung

Verwitterung

Abbildung. 13-16

1. Vorkommen

Bauxit

1821 Entdeckung durch Pierre Berthier bei Les Baux in der Provence

Ausgangsmaterial der Aluminiumgewinnung rote Bauxite

20-25 % Fe₂O₃ und 1-5 % SiO₂, weiße Bauxite

5 % Fe₂O₃ und 25 % SiO₂

1. Vorkommen

Kryolith Na₃[AlF₆] („Eisstein“)

Vorkommen an der Südküste Grönlands ausgeschöpft Technische Darstellung:

Al(OH)_{3 (aq)} + 6 HF _(aq) + 3 NaOH _(aq)

Na₃[AlF₆] _(s) + 6 H₂O

→ Aluminiumherstellung

Abbildung. 20

Übersicht

• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

• silberglänzendes Leichtmetall (Dichte: 2,699 g/cm³)

• kubisch dichteste Packung

• Smp. 660,4 °C, Sdp. 2330 °C

• hohe elektrische Leitfähigkeit

• hohe Wärmeleitfähigkeit

• hohe Dehnbarbeit

• hohe Korrosionsbeständigkeit

2. Eigenschaften

• Oxidschicht (Passivierung)

• löslich in nicht oxidierenden Säuren

Al _(s) + 3 H⁺ _(aq) Al³⁺ _(aq) + 1¹/₂ H_{2 (aq)}

• löslich in stark saurer oder alkalischer Lösung

• starkes Reduktionsmittel

2. Eigenschaften

Demo 1

Abflussreiniger

2. Eigenschaften

2. Eigenschaften

Stark alkalische Lösung → Zerstörung der Oxidschicht Al₂O_{3 (s)} + 2 OH^- _(aq) + 3 H₂O → 2[Al(OH)₄]^- _(aq)

0 +1 +3 0

2 Al _(s) + 2 H⁺ _(aq) 2 Al³⁺ _(aq) + H_{2 (g)} ↑

Al³⁺ + OH- [Al(OH)₄]^-

Demo 2 Salzsäure

2. Eigenschaften

2. Eigenschaften

Versuch 1

Reinigung von

angelaufenem Silberbesteck

2. Eigenschaften

„Anlaufen“ des Silbers

2 Ag _(s) + H₂S _(g) + ½ O_{2 (aq)} Ag₂S _(s) + H₂O

Abbildung 21

2. Eigenschaften

Oxidation des Aluminiums Al → Al³⁺_(aq) + 3 e^-

Reduktion des Silbers 3 Ag⁺_(s) + 3 e^- → 3 Ag _(s) Gesamtreaktion

2 Ag₂S _(s) + Al _(s) + 4 H₂O

4 Ag + [Al(OH) ]^- + 2 H S

(E°(Al/Al³⁺) = -1,66 V)

(E°(Ag/Ag⁺) = 0,79 V)

Übersicht

• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

25 % Baugewerbe

18 % Herstellung von Flugzeugen, Eisenbahnwaggons, Bussen, Autos, Fahrrädern

17 % Produktion von Containern und Verpackungsmaterial 14 % Leitungen

3. Verwendung

Versuch 2

Aluminium-Nachweis (Morin)

3. Verwendung

O H

OH O

OHOH

OH O

Morin

3. Verwendung

O H

O O

OHOH

OH O

O H

O O OH OH O

H

O OH

O O O H

O H

O H

O

Al³⁺

(aq)

3. Verwendung

Jablonski-Diagramm

3. Verwendung

1897 Entwicklung von Hans Goldschmidt

Triebkraft: Sauerstoffaffinität des Aluminiums

„Desoxidation“ des Eisens

→ Thermitschweißen

http://www.goldschmidt-thermit.com/pictures/geschichte_document3_co_th.jpg

Aluminothermie

3. Verwendung

Abbildung 28-29

3 Fe₃O_{4 (s)} + 8 Al _(s) 4 Al₂O_{3 (s)} + 9 Fe _(s)

+2\+3 0 +3 0

• Freisetzung von schwer reduzierbaren Metallen aus ihren Oxiden

• keine Carbidbildung Reaktion:

3. Verwendung

Versuch 3

Eloxalverfahren

3. Verwendung

Eloxal-Verfahren

Elektrolytische Oxidation des Aluminiums

1911 Entwicklung von de Saint Martin Verstärkung der Oxidschicht

→ Erhöhung des Korrosionsschutzes

(beständig gegen Witterungseinflüsse, Seewasser, Säuren, Alkalilaugen)

→ Elektrische Isolierung

3. Verwendung

Anode (Oxidation)

6 OH^- _(aq) 3 H₂O + 3 O _(nasc.) + 6 e^- 2 Al _(s) 2 Al³⁺ _(aq) + 6 e^-

Kathode (Reduktion)

6 H₃O⁺ _(aq) + 6e^– 3 H_{2 (g)} ↑ + 6 H₂O

0 +3

-2 0

+1 0

3. Verwendung

Zwischenreaktion

2 Al _(s) + 6 H₃O⁺ _(aq) 2 Al ³⁺ _(aq) + 3 H_{2 (g)} ↑ + 6 H₂O 2 Al _(s) + 3 O _nasc. Al₂O_{3 (s)}

Gesamtreaktion

2 Al _(s) + 3 H₂O Al₂O_{3 (s)} + 3 H_{2 (g)} ↑

3. Verwendung

Struktur leitet sich von γ-Al₂O₃ ab:

kubisch dichteste Packung

Al³⁺ -Ionen in oktaedrischen und tetraedrischen Lücken

Oxidschicht

ausschließlich oktaedrische Lücken besetzt

3. Verwendung

3. Verwendung

Demo 3

Aluminium-Nachweis

(Alizarin S)

3. Verwendung

SO₃H

O O

O H

O SO₃H

O O

O SO₃H

O O

OH O

Al³⁺

OH

SO₃H

OH O

O H

O

Al³⁺ _(aq) + 6 NH_{3 (aq)} + 3

+ 6 NH₄⁺ _(aq)

(aq)

3. Verwendung

Versuch 4

Anfärben des Aluminiums

3. Verwendung

SO₃H

O O O

H

O SO₃H

O O

O SO₃H

O O

OH O

Al³⁺

OH

(aq)

Färben des eloxierten Aluminiums mit Alizarin S

Abbildung 30

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• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

4. Geschichtliche Aspekte I

1897 Verwendung im Baugewerbe 1899 Sportwagen mit Alu-Karosserie 1900 Einzug in die Flugzeugindustrie 1916 erstes Aluminium- Flugzeug

1911 Alufolie als Schokoladenverpackung

Abbildung 31-32

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• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

5. Geschichtliche Aspekte II

1808 Namensgebung durch Sir Humphrey Davy 1821 Entdeckung von Bauxit durch Pierre Berthier 1825 erstmalige Isolierung von Aluminium

durch Hans Christian Oersted

1827 Verbesserung des Verfahrens durch Friedrich Wöhler

Abbildung 33-34

1854 Entdeckung des ersten technisch

erfolgreichen Herstellungs-Prozesses durch Henri Sainte-Claire Deville

AlCl_{3 (s)} + 3 Na _(s) Al _(s) + 3 NaCl _(s) 1855 Pariser Weltausstellung

1866 Erfindung des Dynamos durch Werner von Siemens

∆

5. Geschichtliche Aspekte II

1886 Entwicklung eines Verfahrens

zur großtechnischen Herstellung durch P.T. Herault und C.M. Hall 1887 Verbesserung des Verfahrens

durch Karl Josef Bayer (Bayerverfahren)

1992 Patentanmeldung durch K.J. Bayer für den Aufschluss von Bauxit im Autoklaven

5. Geschichtliche Aspekte II

Abbildung 35-36

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• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

6. Darstellung

Versuch 5 Amphoterie

(Aluminiumhydroxid)

6. Darstellung

Al(OH)_{3 (aq)} + 3 H₃O⁺ _(aq) Al³⁺ _(aq) + 6 H₂O Al(OH)_{3 (aq)} + OH^- _(aq) Al(OH)₄^- _(aq)

Aluminiumhydroxid gehört zu den

amphoteren Hydroxiden

6. Darstellung

[Al(H₂O)₆]³⁺ _(aq) + H₂O [AlOH(H₂O)₅]²⁺ _(aq) + H₃O⁺ _(aq)

Aluminiumsalze bei hohen und niedrigen pH-Werten löslich

[Al(H₂O)₆]³⁺ _(aq) + OH^- _(aq) Al(OH)_{3 (s)} ↓ Al(OH)_{3 (s)} + OH^- _(aq) [Al(OH)₄]^- _(aq)

6. Darstellung

Die Aluminiumgewinnung erfolgt in zwei Arbeitsgängen:

1. Gewinnung von reinem Aluminiumoxid (Al₂O₃) aus Bauxit (Bayer-Verfahren)

2. Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Prozess)

6. Darstellung

Bayer-Verfahren

(1) Erhitzen des Bauxits mit Natronlauge

Al(OH)_{3 (s)} + NaOH _(aq) Na[Al(OH)₄] _(aq) Fe(OH)_{3 (aq)} + NaOH _(aq) Na[Fe(OH)₄] _(aq) (2) Dekantieren, Feinfiltration

(3) Kristallisation

(4) Dehydratisierung

2 Al(OH)_{3 (aq)} Al₂O_{3 (s)} + 3 H₂O

6. Darstellung

Hall-Héroult-Prozess

6. Darstellung

Elektrodenvorgänge schematisiert:

Schmelze: Al

O

2 Al

+ 3 O

Kathode: 2 Al

+ 6 e

2 Al Anode: 3 O

1½ O

+ 6 e

Al

O

2 Al 1½ O

Eutektisches Gemisch (Smp. 935 °C):

81,5 % Na

AlF

, 18,5 % Al

O

,

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• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

7. Ökologische Aspekte

Abbildung 38-44

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• Vorkommen

• Eigenschaften

• Verwendung

• Geschichtliche Aspekte I

• Geschichtliche Aspekte II

• Darstellung

• Ökologische Aspekte

• Schulrelevanz

8. Schulrelevanz

10 G: Fakultative Unterrichtsinhalte/ Aufgaben:

• Großtechnische Elektrolysen Aluminiumgewinnung

„vom Bauxit zum Aluminium“

ökologische Betrachtungen

• Metalle als Werkstoffe

Werkstoffe in der Technik: Eisen, Aluminium, Kupfer

• Wichtige Gebrauchsmetalle

• Energie- und Ressourcenfragen

• Recyclingverfahren

Aluminium

Silber aus Lehm?

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Abbildung 1: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html

Abbildung 2: http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78 Abb. 4: http://www.a-m.de/images/mineral/diaspor_gr.jpg

Abb. 5: http://tw.strahlen.org/fotoatlas/Korund6.jpg

Abb.6 + 7 + 8: http://www.chemie.uni-hamburg.de/ac/AKs/Prosenc/v6.pdf

Abb. 9: http://www.fkf.mpg.de/jansen/p430/weinmann/Chemie%20der%20Uebergangselemente%202006_06_19.pdf Abb. 10: http://www.edelstein-essenzen.de/images/rubin.jpg,

Abb. 11: http://de.wikipedia.org/wiki/Saphir

Abb. 12: http://www.skielka-designschmuck.de/lexikon/saphir/index.php3 Abb. 13 + 14: http://www.gimizu.de/kabinett/klasse_8g.html

Abb.15: http://de.wikipedia.org/wiki/Kaolinit

Abb. 16: http://cc.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/mineralien/grafik/bauxit.jpg Abb. 17 + 18: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html

Abb. 19: http://www.szabozalan.hu/landscapes/gant_bauxit_mine.jpg

Abb. 20: http://umdb.um.u-tokyo.ac.jp/DKoubutu/FMPro?-db=jmiya_.fp5&key=35&-img

Abb. 21: http://www.buetzer.info/fileadmin/pb/HTML-Files/WebHelp/Die_Adsorption_von_Gasen_und_gel_sten_Stoffen.htm Abb. 22: http://www.heinzebauoffice.de/hbo/typID_53/obID_76510/kustnr_1560/module_2000/modulePageID_1/context_1/rehau- polytec-50.html

Abb. 23: http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/aluminium/aluminium.htm

Abb. 24: http://www1.messe-berlin.de/vip8_1/website/MesseBerlin/htdocs/www.innotrans.de/de/Presse/Neuheiten/index.jsp Abb. 25: http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78

Abb. 26: http://www.jbergsmann.at/DSCF0038-alu-schneiden-300x300_27u.jpg

Abb. 27: http://icecube.berkeley.edu/~bramall/work/astrobiology/images/Jablonski-Diagram.jpg Abb. 28: http://www.goldschmidt-thermit.com/pictures/geschichte_document3_co_th.jpg

Abb. 29: http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/eisen/images/schiene.jpg Abb. 30: http://www.alutecta.de/alutecta_home/0_p/alugrafikeloverd.gif

Internet-Bildquellen:

Abb. 31: http://www.konstruktionspraxis.de/sh/fachartikel/kp_sh_fachartikel_1964409.html Abb. 32: http://www.earlyaviator.com/archive/JPL/1900.07.02_LZ1_3_jpl.jpg

Abb. 33: http://www.andreas-gym.de/agym165/woehler.jpg Abb. 34: http://www.cozmo.dk/bio/oersted/orstptr.jpg

Abb. 35 + 36: http://www.mschaumann.de/history/Die%20Geschichte%20des%20Aluminiums.htm Abb. 37:

Lehrbuch der allgemeinen und anorganischen Chemie, A. Fr. Holleman; E.Wiberg, De Gruyter, 1955, 101. Auflage, New York Abb. 38-43: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html

http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78

http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Min__rohstoffe/Bilder/Mir__ALCOA-Huntley__Bauxite__Mine__g,property=default.jpg

Internet-Bildquellen:

6. Verwendung

Eloxalverfahren

Weitere Reaktionen an der Anode 2 Al³⁺ + 3 OH^- Al₂O₃ + 3 H⁺

2 Al³⁺+ 3 H₂O Al₂O₃ + 6 H⁺ 2 Al³⁺ + 3 HSO₄ Al₂(SO₄)₃ + 3H⁺