Elemente und Moleküle, Schulbuch

106 5 GRoSSteCHNISCHe CHeMIe Aluminium Obwohl Aluminium das häufigste Metall der festen Erdrinde ist, ist seine Gewinnung aus den überall vorkommenden Alumosilicaten nicht wirtschaftlich. Als Erz zur Alu- miniumgewinnung dient Bauxit , ein Aluminiumoxid bzw. Hydroxid mit starken Ver - unreinigungen, hauptsächlich durch SiO 2 , Eisenoxid und Titanoxid (Al 2 O 3 -Gehalt ca. 60 %). Da Aluminium zu den sehr unedlen Metallen gehört, ist seine Gewinnung nur durch Elektrolyse möglich. Dazu muss der Bauxit vorher in reines Aluminiumoxid umge - wandelt werden, da sich sonst die edleren Verunreinigungen mit Aluminium elekt- rolytisch abscheiden würden, was eine Gewinnung von Reinaluminium unmöglich macht. Die Bauxitreinigung erfolgt weltweit nach dem Bayer-Verfahren, das vom Österreicher Carl Bayer (1847–1904) 1892 entwickelt wurde. Bayer-Verfahren Bauxit wird fein gemahlen und unter Druck mit heißer, etwa 40%iger Natronlauge aufgeschlossen. Dabei gehen Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid in einen lösli - chen Hydroxokomplex, das Natriumaluminat, über. Die Verunreinigungen bleiben ungelöst zurück und werden aus der heißen Alumi- natlauge abfiltriert. Sie sind durch Eisenhydroxid rot gefärbt, weshalb man sie Rot- schlamm nennt. Sie sind ein Deponieprodukt, für das sich kaum Verwendung findet. Pro Tonne Al 2 O 3 fällt etwa eine Tonne Rotschlamm an. Um aus der gereinigten Aluminatlauge wieder Aluminiumhydroxid zu gewinnen, wird sie abgekühlt, etwas verdünnt und zur Beschleunigung der Kristallisation mit Alu- miniumhydroxid angeimpft. Durch das Verdünnen sinkt der pH-Wert und das Gleich - gewicht verschiebt sich auf die Seite von schwer löslichem Aluminiumhydroxid (Um - kehrung der Reaktion beim Bauxitaufschluss). Dieses wird abfiltriert und die entstehende Natronlauge wieder in den Aufschlussprozess rückgeführt. Das Alumi- niumhydroxid wird in einem Drehrohrofen zu Aluminiumoxid entwässert (= calci - niert) (Abb. 106.2). Elektrolyse Das so gereinigte Aluminiumoxid („ Tonerde “) kann nicht direkt elektrolysiert werden, da sein Schmelzpunkt über 2000 °C beträgt. Es wird bei der Elektrolyse in einer Schmelze eines tiefer schmelzenden Salzes gelöst. Dazu verwendet man Kryolith Na 3 [AlF 6 ]. Dieser schmilzt bei etwa 1000 °C, eine Mischung aus Kryolith mit ca. 8 % Al 2 O 3 bei 950 °C. Kryolith stört die Elektrolyse nicht, da sowohl für das Na + -Ion an der Katode als auch für das Fluorid-Ion an der Anode ein höheres Abscheidungspo- tenzial notwendig ist als für Aluminium und Sauerstoff. Die Schmelze wird in einer Wanne aus Grafitsteinen elektrolysiert, die zugleich als Katode wirkt. Von oben tauchen Grafitanoden in die Schmelze. Auf der Schmelze schwimmt ein Vorrat des spezifisch leichteren Al 2 O 3 , der sich in dem Maß auflöst, in dem er bei der Elektrolyse verbraucht wird (Abb. 107.1). Bei der Elektrolyse entsteht nicht Sauerstoff, sondern Kohlenstoffdioxid und die Grafitanode wird verbraucht. Daher verwendet man als Anodenmaterial ein Ge- misch aus Teer und Petrolkoks, das bei der Temperatur der Schmelze zu Grafit sin- tert, wobei sich der Teer zersetzt. So kann die Anode automatisch nachgeschoben werden und man muss die Elektrolyse für den Elektrodenwechsel nicht unterbre - chen (S ø derberg-Elektrode). Aluminium sammelt sich am Boden der Wanne flüssig an und wird in regelmäßigen Abständen von dort abgesaugt. Es hat einen Reinheitsgrad von 99,5–99,8 %, was für die meisten Verwendungszwecke ausreicht. Die Elektrolyse wird mit etwa 5 V Spannung betrieben, die Stromstärke beträgt bis zu 150 000 A. Dadurch entsteht so viel Wärme, dass die Schmelze von selbst flüssig bleibt. Die Aluminiumherstellung ist also sehr energieintensiv. Für 1 t Aluminium benötigt man etwa 4 t Bauxit, 0,5 t Elektrodenmaterial, 20 GJ Wärmeenergie zur Bauxitreinigung und 13,5 MWh (entspr. 49 GJ) elektrische Energie zur Elektrolyse (Abb. 107.2). Fp: 660 °C Dichte: 2,7 g/cm 3 Härte (Mohs) : 2,75 Abb. 106.1: Aluminium: Daten Aluminium 27,0 13 EN 1,5 Al Aufschluss des Bauxits: Al(OH) 3 + Na + + OH – → Na + + [Al(OH) 4 ] – Calcinieren: 2 Al(OH) 3 → Al 2 O 3 + 3 H 2 O Katode: 4 Al 3+ + 12 e – → 4 Al Anode: 3 C + 6 O 2– → 3 CO 2 ↑ + 12 e – C + CO 2 → 2 CO ↑ Abb. 106.4: Elektrodenreaktionen bei der Elektrolyse Abb. 106.3: Reaktionen beim Bayer-Verfahren Abb. 106.2: Das Bayer-Verfahren Calcinieren Waschen Wasser Al(OH) 3 Heizung Trocknen Rot- Schlamm Bauxit Tonerde Mahlen NaOH F Filter Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv