Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 31.07.13


Aluminium: Eigenschaften und Herstellung

Vortrag von Andreas Gollwitzer im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 11/12


Gliederung:

1 Eigenschaften
   
2.1 Physikalische Eigenschaften
    2.2 Chemische Eigenschaften

2 Darstellung
    3.1 Bayer-Verfahren - Aufschluss von Bauxit
    3.2 Schmelzflusselektrolyse des reinen Aluminiumoxids (Hall und Heroult)

3 Literaturverzeichnis


1 Eigenschaften

1.1 Physikalische Eigenschaften

Die Verpackungsindustrie nutzt die Dehnbarkeit des silberweißen Metalls um Aluminiumfolien einer Stärke von 0,004mm (Walzen) bis 0,0004mm (Hämmern) herzustellen, wie zum Beispiel bei der Verpackung von Ferrero Rocher.

Besonders die Flugzeug- und Autobauindustrie macht sich die geringe Dichte (2,702 g/cm3) des Leichtmetalls in reiner Form oder als Legierung zunutze. Je nach gewünschter Eigenschaft gibt es unter Anderem Zink-, Kupfer, Silicium- und Magnesiumlegierungen.

1.2 Chemische Eigenschaften

Die hohe Sauerstoffaffinität des Aluminiums und die damit verbundene stark exotherme Reaktionen finden sowohl beim Eisen-Thermitschweißen von Schienen (Reaktion von Eisenoxid mit Aluminium zu Aluminiumoxid und Eisen), als auch in der Feuerwerksindustrie Anwendung (Aluminium mit Luftsauerstoff zu Aluminiumoxid)

Aus der Stellung in der elektrochemischen Spannungsreihe (E°(Al/Al3+) = -1,68 V) lässt sich der unedle Charakter und die resultierende Funktion als Reduktionsmittel ableiten.

In der Realität kommt der unedle Charakter und die zu schlussfolgernde Reaktivität des Aluminiums kaum offensichtlich zur Geltung. (Vergleich: ebenfalls unedles Natrium (E°(Na/Na+)=-2,71V) reagiert sehr heftig in Wasser) Ursache ist seine hohe Sauerstoffaffinität, wodurch das Aluminium eine geschlossene schützende Oxidschicht bildet. Durch diese Aluminiumoxidschicht ist das Metall passiviert.


2 Darstellung

Aluminium kommt ist zwar das häufigste Element der Erdkruste, dennoch kommt es nicht gediegen vor. Dies liegt an der hohen Affinität zu Sauerstoff. Aus diesem Grund kommt Aluminium häufig in Oxiden bzw. deren Hydraten vor. Zur Darstellung von reinem Aluminium wird in der Industrie heutzutage häufig auf Bauxit (AlO(OH)) zurückgegriffen. Allerdings ist dieses Bauxit oft mit Eisenoxiden verunreinigt, weswegen man vor der Eigentlichen Darstellung von Aluminium, wie bei vielen Metallen mit geringer Elektronegativität die Schmelzflusselektrolyse, das so genannte Bayer-Verfahren anwendet.

2.1 Bayer-Verfahren - Aufschluss von Bauxit

  
Abb. 1:
Bayer-Verfahren

Im ersten Schritt wird die Amphoterie des basischen Oxids genutzt. Bauxit wird in Natronlauge in Lösung gebracht. Das saure Eisen(III)-oxid bleibt ungelöst und wird durch Filtration abgetrennt (Rotschlamm). Anschließend wird das gebildete Natriumaluminiumoxid NaAl(OH)4 mit Wasser wieder in das unlösliche Aluminiumhydroxid umgesetzt und abfiltriert. Das so erhaltene Aluminiumhydroxid wird nun in einem Trommelofen bei 1100 °C zum Al2O3 entwässert.

2.2 Schmelzflusselektrolyse des reinen Aluminiumoxids (nach Hall und Heroult)


Abb. 2: Aluminiumherstellung mittels Schmelzflusselektrolyse [10]

In der Schmelze dissoziiert das Aluminiumoxid und das Kryolith (Na3[AlF6]) in ihre Ionen. An der Kathode wird das Al3+ zu elementaren Aluminium reduziert. An der Anode wird der Sauerstoff zum Elementaren Sauerstoff oxidiert, welcher anschließend mit der Anode zu Kohlenmonoxid reagiert. Dadurch entsteht wiederum ein Teil der Energie die zum erhitzen der Salze benötigt wird. Um dabei den Energieverbrauch niedrig zu halten, wird stets eine eutektische Mischung aus Aluminiumoxid und Kryolith aufrecht erhalten (siehe Abb. 3). Das elementare Aluminium kann aus dem Ofen abgelassen werden.


Abb. 3: Eutektische Mischung aus Kryolith und Aluminiumoxid.


3 Literatur:

  1. Prof. Dr. J. Senker (SS 2011), Vorlesungsskript AC II, K9_HG3.pdf, SS2011
  2. Riedel, E.: Allgemeine und Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin, 1999.
  3. Arnold F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. deGruyter, Berlin, 1995.
  4. Jürgen Falbe, Manfred Regitz, RÖMPP Lexikon Chemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1996.
  5. Themenheft Naturwissenschaft im Unterricht: Band 7, 1988.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 31.07.13