Aluminiumgewinnung

Halte den Seitennamen im Heft fest. Zu den einzelnen Aufgaben brauchst du nicht die Nummer aufschreiben. Zumindest solltest du eine kurze Beschreibung der Fragestellung festhalten.

Eigenschaften

Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es wegen seiner Reaktionsfreudigkeit fast nur in chemisch gebundenem Zustand auf. Wegen seiner geringen Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf geringe Masse ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Bruchfestigkeit und die zu leichte Verformbarkeit bei Unfällen im Wege.

Das reine Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Diese passivierende Oxidschicht macht reines Aluminium bei pH-Werten von 4 bis 9 sehr korrosionsbeständig.

Aufgabe 1 Wie ist die Formel einer Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff? [Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Zur Erinnerung: Du bestimmt die Ladungen der Ionen von Aluminium und Sauerstoff und gleichst dann aus. Wie ist der systematische Name dieser Verbindung?

Diese Oxidschicht schützt auch vor weiterer Oxidation, ist aber bei der elektrischen Kontaktierung und beim Schweißen hinderlich. Sie kann durch elektrische Oxidation (Eloxal = elektrisch oxidiertes Aluminium) oder auf chemischem Weg verstärkt werden. Es entsteht dann eine 5 bis 25 Mikrometer dünne Schicht, die tiefere Schichten solange vor Korrosion schützt, wie keine Lücken, beispielsweise durch mechanische Beschädigung, in dieser Schicht entstehen. Sie kann auch eingefärbt werden.

Aufgabe 2 Was ist eine Oxidation? Schreibe die Reaktionsgleichung von Aluminium mit Sauerstoff in Symbolschreibweise auf [Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Erst die Reaktion mit Worten aufschreiben und diese dann in Symbolschreibweise übersetzen! [Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Noch was: Denk daran, dass Sauerstoff ein Gas ist.

Vorkommen

Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Allerdings kommt es aufgrund seines unedlen Charakters praktisch ausschließlich in gebundener Form vor. Die größte Menge befindet sich chemisch gebunden in Form von Alumosilikaten. Diese Silikate sind zum Beispiel Bestandteil von Ton, Gneis und Granit.

Seltener wird Aluminiumoxid in Form des Minerals Korund und seiner Varietäten Rubin (rot) und Saphir (farblos, verschiedenfarbig) gefunden. Die Farben dieser Kristalle beruhen auf Beimengungen anderer Metalloxide.

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  Korund

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  Rubin

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  Saphir

Das einzige wirtschaftlich wichtige Ausgangsmaterial für die Aluminiumproduktion ist Bauxit, das seinen Namen von dem Vorkommen in Südfrankreich (Les Baux) hat. Bauxit enthält ungefähr 60 % Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ , etwa 30 % Eisenoxid (Fe₂O₃) und Siliciumdioxid (SiO₂).

Aufgabe 3 Bestimme die Ladungen der Ionen in Fe2O3 und SiO2.

Aufgabe 4 Das Aluminiumhydroxid Al(OH)3 ist eine Ionenverbindungen. Dabei ist neben dem Aluminiumion noch das sogenannte Hydroxid-Ion enthalten. Es ist zusammengesetzt und hat die Formel OH. Es ist also eine Molekül mit Ladung. Bestimme aufgrund der Formel Aluminiumhydroxid Al(OH)3 die Ladung des Hydroxid-Ions.

Gewinnung

Da Aluminium aus den Alumosilikaten aufgrund der Bindungsverhältnisse praktisch nicht isoliert werden kann, ist eine wirtschaftliche großtechnische Gewinnung von metallischem Aluminium nur aus Bauxit möglich.

Das in diesem Erz enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch wird zunächst mit Natronlauge aufgelöst, um es von Fremdbestandteilen wie Eisen- und Siliciumoxid zu befreien.

Die Herstellung von Aluminium erfolgt ausschließlich durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren.

Aufgabe 5 Wir haben im Unterricht die Elektrolyse bei einer Lösung durchgeführt. Warum kann man die Elektrolyse auch in einer Schmelze durchführen?

• Aluminiumoxid - Schmelztemperatur 2045 °C
• Kryolith Na₃[AlF₆] - Schmelztemperatur 1012 °C

Zur Herabsetzung des Schmelzpunktes wird das Aluminiumoxid zusammen mit Kryolith geschmolzen. Das entstehende Gemisch, welches zu 80 bis 90 % aus Kryolith besteht, hat eine Schmelztemperatur von nur noch ca. 950 °C. Dadurch wird die erforderliche Arbeitstemperatur erheblich verringert, was die Schmelzflusselektrolyse überhaupt erst ermöglicht. Trotzdem ist der Prozess recht energieaufwändig.

Aufgabe 6 Wiederholung: Warum haben Verbindungen aus Ionen so hohe Schmelzpunkte? Warum ist der Schmelzpunkt bei der Aluminium-Verbindung besonders hoch? [Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Das könnte mit der Ladung der Aluminium-Ionen zusammenhängen!

Aufgabe 7 Bestimme die Dissoziationsgleichung für das Kryolith.[Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Die eckige Klammer bedeutet, dass das Aluminium zusammen mit dem Fluor eine besondere Verbindung eingeht, die so schwer voneinander zu trennen ist, dass man es hervorhebt. Du sollst aber trotzdem die einzelnen Ionen aufschreiben.

Bei der Elektrolyse entsteht an der den Boden des Gefäßes bildenden Kathode Aluminium und an der Anode Sauerstoff, der mit dem Graphit (Kohlenstoff) der Anode zu Kohlendioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert.

Aufgabe 8 Erkläre, warum sich welches Element an der Kathode bzw. Anode bildet.

Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen wegen des im Prozess entstehenden Sauerstoffs langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphit-Kathode (Gefäßboden) ist gegenüber dem Aluminium inert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.

Aufgabe 9 Stelle die Reaktionsgleichung zur Reaktion von Graphit mit Sauerstoff auf. [Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Überlege mal, was Graphit für ein Element ist? Warum passiert diese Reaktion nicht auch bei der Kathode? [Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Lies den Text vor diesem Kästchen noch einmal und schau das Bild an!

Wegen dem hohen Energiebedarf ist die Aluminiumherstellung ist nur in der Nähe preiswert zur Verfügung stehender Elektroenergie wirtschaftlich.

Fehler in Wikipedia

Im Artikel  Hall-Héroult-Prozess  wird als Reaktionsgleichung zur Zersetzung der Graphit-Elektroden folgendes angegeben:

$\mathrm {C + 2 \ O^{2-} \longrightarrow CO_2 \uparrow}$

Aufgabe 10 Was ist an dieser Reaktion falsch?[Tipp zeigen][Tipp wieder verstecken] Zwei Möglichkeiten gibt es: Entweder schaut man nur nach den Ladungen oder man zählt die Elektronen links und rechts.

Quellen:

• http://de.wikipedia.org/wiki/Aluminium
• http://de.wikipedia.org/wiki/Bauxit
• http://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Héroult-Prozess