Anorganische Chemie: Metalle - Aluminium und Aluminiumverbindungen

Namen: Lea Burhenne, Leonie Horst und 2013
Sarah Aschenbrücker, Daniel Garret 2014,
Salomee Blum und Nela Zupanic 2019-11

Geschichte von der Entdeckung und Verwendung von Aluminium:

- 1825 erstmals von Hans Christian Orsted hergestellt

=> Reaktion von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam als Reduktionsmittel

- 1827: reineres Aluminium durch Verwendung von metallischem Kalium (Friedrich Wöhler)

=> Aluminium war teurer als Gold

- 1859: Veröffentlichung einer verfeinerten Herstellungsweise durch Henri Étienne Sainte-Claire Deville

=> größerer Gewinn -> Aluminiumpreis fiel um 90%

- 1886: Schmelzflusselektrolyseverfahren durch Hall und Héroult

- 1889: Carl Joseph Bayer -> Bayer-Verfahren

Namensgebung:

- vom lateinischen Wort "alumen" für Alaun

- zwei Namen in Gebrauch: Aluminium und Aluminum

Eigenschaften von Aluminium:

- Aggregatszustand (RT)=fest

- relativ weiches und zähes Leichtmetall

- chemisches Element mit Elementsymbol Al und Ordnungszahl 13

- dritte Hauptgruppe, 13. IUPAC-Gruppe (Borgruppe)

- stumpfes silbrig-weiches Leichtmetall

- das silbergraues Aussehen entsteht durch die stumpfe Oxidschicht, welche sich sich schnell an der Luft bildet

- sehr unedel, trotzdem oberflächliche Reaktion wegen Passivierung mit Luft und Wasser

Physikalische Eigenschaften von Aluminium:

- Atommasse: 26,9815u

- Aggregatzustand: fest

- Dichte (gering): 2,7 g/cm³ => Aluminium ist ein Leichtmetall

- Magnetismus: paramagnetisch

- Schmelzpunkt: 660,32°C, Siedepunkt: 2470°C

- relativ weiches Metall => sehr gut verformbar und dehnbar

- Elektronegativität von 1,61

- Molekülmasse von 27 u

Chemische Eigenschaften von Aluminium:

- reines Leichtmetall bildet an Luft/mit Sauerstoff sehr schnell dünne Oxidschicht => stumpfes, silbergraues Aussehen

- sehr guter Korrosionsschutz => kann nicht rosten

- einzigartige Eigenschaften => vielseitig einsetzbares Material

- 100 % recyclingfähig ohne Qualitätseinbußen

- Formschönheit, mechanische Eigenschaften, Langlebigkeit und Wertigkeit des Werkstoffes

- nicht giftig, nicht brennbar

Vorkommen von Aluminium:

- dritthäufigstes Element der Erdkruste nach Sauerstoff und Silicium (-> 7,57 Gewichtsprozent)

- häufigstes Metall weltweit!

- fast ausschließlich in gebundener Form (meist als „Bauxit“, dem unreinen Aluminium-Erz) aufgrund seines unedlen Charakter

- größte Menge: chem. gebunden in Form von Alumosilikaten

Verwendung von Aluminium:

Verwendung als Konstruktionswerkstoff:

- Bauen von Transportmitteln (vor allem in Luft- und Raumfahrt)

- Heizelementen (z.B.: Bügeleisen und Kaffeemaschinen)

- früher auch in Fassaden und Dachelementen

=> nur interessant, wenn Gewicht eine höhere Relevanz hat als Kosten

Verwendung als Legierung:

- Herstellung von Motoren und Getriebegehäuse

(=> Aluminiumgusslegierung)

Verwendung in der Elektrotechnik:

- Überlandleitungen

- aufgrund schlechter Kontaktierung schlecht für die Stromverbindung

=> Kupfer besser geeignet

Verwendung in der Elektronik:

- Antennen und Hohlleiter

- Elektrodenmaterial

=> gute elektrische Leitfähigkeit

Verwendung für Verpackung und Behälter:

- Konservendosen, Alufolie

- Kochtöpfe und andere Küchengeräte

In jedem Haushalt zu finden: Alufolie (sehr fein gewalztes Aluminium)

Verwendung in der Optik und Lichttechnik:

- Spiegelbeschichtung in Scannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern, Spiegelreflexkameras

weitere Anwendungen und Verwendung von Aluminium:

- Treibstoff einer Rakete

- Feuerwerksraketen

- Aluminieren von Stoffen -> Sie werden formbarer, weniger spröde und zunderbeständig

Produktion von Aluminium

• Primäraluminium =>Herstellung aus Mineralien
• Sekundäraluminium =>Herstellung durch Recycling
• Hauptproduktionsländer: Australien, China, Guinea, Indien, Jamaika
  
  

Gewinnung von Aluminium in drei Schritten:

1. Aufbereitung des Bauxits

- für Wirtschaftszwecke lediglich Gewinnung aus Bauxit: Bestandteile: - ca. 60% Aluminiumhydroxid

- ca. 30% Eisenoxid

- Siliciumverbindungen, Verunreinigungen

- Trennung des Bauxits von Begleitstoffen

2. Bayer-Verfahren zur Herstellung von reinem Aluminium:

-> Aufschluss mit Natronlauge: mit Natronlauge bei Erhitzung auf - 150 – 200 °C unter Druck setzen

-> Aluminiumhydroxid liegt jetzt als Aluminat-Ion in Lösung vor

• Eisenoxid wird abgefiltert
• Verdünnung und Abkühlung der Aluminat-Lösung
• es entsteht erneut nicht lösliches Aluminiumhydroxid
• Trennung aus der Natronlauge (diese wird wiederverwendet)
• Erhitzen des Aluminiumhydroxids auf 1200 °C
• es liegt nur noch sehr reines Aluminiumoxid vor (Rohstoff, der zur eigentlichen Gewinnung von Aluminium dient)

-> Schmelzflusselektrolyse zur Umformung in reines Aluminium

3. Schmelzflusselektrolyse (Hault-Heroult-Verfahren)

- Elektrolyseverfahren, wobei eine Elektrolyse von heißem geschmolzenem Salz durchgeführt wird

- Elektrolyse findet in gemauertem Elektrolyseofen statt

-> ist in mehrere Wannen eingesenkt, die innen mit Graphit beschichtet sind (mehrere Quadratmeter groß)

-> diese sind mit Aluminiumoxid gefüllt, welches mit der 10- bis 20-fachen Konzentration Kryolith angereichert ist

-> Kryolith dient zur Herabsetzung der Schmelztemperatur auf 950°C
(die Schmelzelektrolyse wäre sonst zu teuer -> Krytolith wird hinzugegeben => dadurch sinkt der Schmelzpunkt auf ca. 950°C)

- Elektrolyse wird bei einer Spannung von 4 bis 5 V und einer Stromstärke von 250.000 A durchgeführt

- von oben werden Kohleelektroden in die Schmelze eingeführt

-> dienen als Anoden

-> Oxid-Ionen werden an ihnen zu Sauerstoff oxidiert, welcher unter hoher Temperatur direkt mit den Elektroden reagiert -> Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid

- Absaugen dieser Gase

-> verlassen die Aluminiumhütte über einen Schornstein

- Kohleelektroden nutzen sich mit der Zeit ab -> werden deshalb durchgängig von oben nachgeführt

-> werden bei völliger Abnutzung erneuert

- Ofen ist an der Unterseite mit Graphit ausgekleidet -> Kathode

-> Reduzierung der Aluminium-Ionen zu Aluminiumatomen

-> gewonnenes Aluminium sammelt sich am Boden der Schmelzflusselektrolysezelle, die Elektrolyt-Schmelze bleibt darüber

-Fremdstoffe lösen sich in Warmhalteöfen =>Aluminium mit einer Reinheit von ca. 99,5 – 99,9%

-> es wird mehrmals am Tag abgestochen

- die Schmelzflusselektrolyse hat sehr hohen Energiebedarf

-> ca. 14 kWh pro 1kg produziertem Aluminium

-> die elektrische Energie bestimmt den Preis des Aluminiums

-> Recycling von Aluminium gewinnt an Bedeutung, weil die Energiepreise steigen

-> momentan liefert das Recycling 20% der Weltproduktion von Aluminium

-> Recycling spart gegenüber der Gewinnung aus Bauxit bis zu etwa 95% der Energie ein

Zusammenfassung Schmelzelektrolyse

-Bauxit mit heißer Natronlauge unter Druck erhitzt: -Al₂O₃H₂O+2H₂O+NaOH ---> NaAl(OH)₄
-Rotschlamm wird abfiltriert
-zurückbleibende Lösung wird verdünnt, damit Aluminiumhydroxid ausfällt

Verwendung von Aluminium:

-Preis: ~ 1500-2000€ / t
-Findet wegen der geringen Dichte oft in Luft- und Raumfahrt verwendung
-hauptsächlich Verkehr (Autoteile, ...)
-in der Elektronik weil:
-> guter Leiter
-> billiger als Kupfer
-> leicht zu verarbeiten
-> sehr leichtes Metall

Neues Verfahren zur Aluminiumgewinnung

=> das Elysis Verfahren (2015) soll ohne Graphitelektroden auskommen, so die Emissionen an CO₂ senken. Nicht berücksichtigt wird dabei allerdings der nach wie vor hohe Bedarf an elektrischen Strom.

- neue und umweltfreundlichere Produktionsmöglichkeit von Aluminium

- bei der Produktion=> Freisetzung von Sauerstoff statt Treibhausgasen wie bei der Schmelzflusselektrolyse

- Apple als Kooperationspartner, da Apple großen Bedarf an Aluminium bei der Produktion von Geräten hat

- soll bis 2024 marktreif sein.