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10L1 & 10F1

Namen: Lea Burhenne, Leonie Horst und Sarah Aschenbrücker, Daniel Garret

 

Geschichte 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 => LEICHTMETALL

- Magnetismus: paramagnetisch

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

- relativ weiches Metall => sehr gut verformbar und dehnbar


Chemische Eigenschaften von Aluminium:

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

- sehr guter Korrosionsschutz

- 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:

• 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

• Legierungen:

-  Herstellung von Motoren und Getriebegehäuse

(=> Aluminiumgusslegierung)

• Elektrotechnik:

- Überlandleitungen

- aufgrund schlechter Kontaktierung schlecht für die Stromverbindung

=> Kupfer besser geeignet 

• Elektronik:

- Antennen und Hohlleiter

- Elektrodenmaterial

=> guter elektrischer Leitfähigkeit

• Verpackung und Behälter:

- Konservendosen, Alufolie

- Kochtöpfe und andere Küchengeräte
Aluminium-Folie (Alu-Papier)

• Optik und Lichttechnik:

- Spiegelbeschichtung in Scannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern, Spiegelreflexkameras

 • weitere Anwendungen:

- 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:

 -> 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

 

- 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

 Herstellung von Al durch Schmelzflusselektrolyse

 

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: 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

 

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