Das Aluminium

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Das Aluminium

Experimentalvortrag von Tim Eggersglüß

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Experimentalvortrag

Gliederung

1. Vorkommen

2. Geschichte und Darstellung des Aluminiums

3. Eigenschaften

4. Verwendung

5. Schulrelevanz

Thema: Aluminium

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Elemente der Erdkruste

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

Experimentalvortrag Thema: Aluminium

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SpannungsreiheExperimentalvortrag Thema: Aluminium

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BauxitExperimentalvortrag

Besteht aus: Aluminiumoxiden (50-60 %) Eisenoxiden Siliciumoxiden Titanoxiden

Weltweite bekannte Vorkommen (1990):

Roter Bauxit

Weißer Bauxit

• Feldspäte Tone BauxiteVerwitterung Verwitterung

Thema: Aluminium

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Geschichte des AluminiumsExperimentalvortrag

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)

Thema: Aluminium

Geschichte des AluminiumsExperimentalvortrag

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.

Thema: Aluminium

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Geschichte des Aluminiums

1866: Werner von Siemens erfindet die Dynamomaschine.

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

Experimentalvortrag

1886: Hall und Héroult melden unabhängig von einander Patente zur elektrolytische n Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze an.

Thema: Aluminium

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Die SchmelzflusselektrolyseExperimentalvortrag

Anode verbrennt zu CO2 und CO (COF2, C2F4)

Al2O3(l) 2 Al3+

(solv) + 3 O2-

(solv)

2 Al3+

(solv) + 6 e- 2 Al (l)

3 O2-

(solv)3/2 O2(g) + 6 e

-

Kathode:

Anode:

Thema: Aluminium

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

Experimentalvortrag

Wasser

Thema: Aluminium

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Das „Bayer-Verfahren“Experimentalvortrag

Wasser

+ NaOH(aq) Na[Al(OH)4](aq) Al(OH)3(s)

Fe(OH)3(s)

SiO2(s)

2 Al(OH)3(s) Al2O3(s) + 3 H2O(g) 1 2 0 0 °C

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

+ NaOH(aq)

Thema: Aluminium

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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.


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Aluminium Recycling

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

Experimentalvortrag

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.

Thema: Aluminium

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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


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AluminiumrecyclingBeim 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.


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Eigenschaften von AluminiumExperimentalvortrag

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

Thema: Aluminium

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Die Passivierung des Aluminiums

Aluminium in Kupferchlorid:

Experimentalvortrag

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 H

3O+

(aq) 2 [AlCl

4]-

(aq) +

4 H

2O

(l)

[AlCl4]–

(aq) + 4 H

2O

(l) Al(OH)

2Cl

(aq) + 3 Cl-

(aq) + 2 H

3O+

(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:

Thema: Aluminium

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

(aq)

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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.

Experimentalvortrag

Al(s)

Al3+(aq)

+ 3 e-

O2(aq)

+ 2 H2O

(l) + 4 e- 4 OH-

(aq)

Thema: Aluminium

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Aluminium in Säuren und BasenBasen zerstören die Oxidschicht:

Salzsäure zerstört die Oxidschicht (Chloridionen).

Schwefelsäure zerstört die Oxidschicht nur bei hohen Temperaturen:

Salpetersäure verstärkt die Oxidschicht

Experimentalvortrag

Al2O3(s) + 6 H3O+

(aq) 2 Al3+(aq) + 9 H2O(l)

2 Al(s) + 3 HNO3(aq) Al2O3(s) + 3 HNO2(aq)

Al2O3(s) + 2 OH-(aq) + 3 H2O(l) 2[Al(OH)4]

-(aq)

Thema: Aluminium

Das Eloxalverfahren

Elektrolytische Oxidation des Aluminiums

schützende Oxidschicht des Aluminiums wird verstärkt

Experimentalvortrag

6 H3O+

(aq) + 6e- 3 H2(g) + 6 H2O(l)

2 Al(s) + 9 H2O(l) Al2O3(s) + 6 H3O+

(aq) + 6 e-

Kathode (Graphitelektrode):

Anode (Aluminium):

Gesamtreaktion:2 Al(s) + 3 H2O(l) Al2O3(s) + 3 H2(g)

Thema: Aluminium

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Das Eloxalverfahren

Normale Oxidschicht

Experimentalvortrag

Eloxierte Oxidschicht

Adsorptiv gefärbte Oxidschicht

Elektrolytisch gefärbte Oxidschicht

Thema: Aluminium

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Anwendung des Eloxalverfahrens

• Korrosionsbeständigkeit verstärken

• Schaffen einer noch härteren Oberfläche

• Produktion elektrischer Isolatoren aus Aluminium mit

sehr hoher Temperaturbeständigkeit

• Dauerhaftes Färben von Aluminium


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Eigenschaften Anwendung

Experimentalvortrag

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

Thema: Aluminium

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Die Aluminothermie

Experimentalvortrag

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 Al

2O

3(s) + 9 Fe

(l)

Mg(s)

+ BaO2(s)

MgO(s)

+ BaO(s)

Thema: Aluminium

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Die AluminothermieExperimentalvortrag

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.

Thema: Aluminium

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Aluminium Nachweis mit MorinExperimentalvortrag Thema: Aluminium

Morin

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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.


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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.


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Schulrelevanz

Jahrgang 10: Redoxreaktionen:


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Schulrelevanz

Jahrgang 12: Wahlthema Angewandte Chemie


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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Spondylolyse, Spondylolysthese

Spondylolyse bezeichnet einen Spalt im Gelenkfortsatz

Spondylolysthese bezeichnet das Wirbelgleiten bei

Spondylolyse

Experimentalvortrag

Das Aluminium

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