Stoffe, Schulbuch

Aluminium 97 7.8 Aluminium Obwohl Aluminiumverbindungen in fast allen gesteinsbildenden Minera- lien vorkommen, konnte man das Metall erst 1827 herstellen. Aluminium war vor 150 Jahren teurer als Gold, wurde „Silber aus Lehm“ genannt und für Schmuckstücke verwendet. Der Grund für die späte Entdeckung ist, dass das Metall extrem unedel und daher schwer herstellbar ist. Erst die Entwicklung des Elektrolyseverfahrens zusammen mit der Entdec- kung der Erzaufbereitung hat eine großtechnische Produktion möglich gemacht. Heute werden weltweit ca. 44 Millionen Tonnen Aluminium hergestellt und es ist zum zweitwichtigsten Metall geworden. Herstellung von Aluminium Aluminium wird aus Bauxit gewonnen. Dieses Erz hat etwa 60 % Al 2 O 3 - Anteil. Der Rest sind Eisen-, Titan- und Siliciumoxid. Da diese Fremd- verbindungen die Elektrolyse stören, müssen sie vorher abgetrennt werden. Dazu dient das vom Österreicher Josef Bayer entdeckte Ver- fahren. Bauxit wird in konzentrierter, heißer Natronlauge gelöst. Dabei geht nur das Aluminiumoxid in Lösung, die Verunreinigungen bleiben ungelöst zurück. Sie können durch Filtrieren abgetrennt werden und bilden den Rotschlamm, ein Abfallprodukt, für das man bis heute keine vernünftige Verwendung gefunden hat. Er wird deponiert (Abb. 97.2). Die filtrierte heiße Lauge wird abgekühlt und verdünnt. Aus ihr schei- det sich reines Al(OH) 3 , Aluminiumhydroxid ab. Es wird abfiltriert, die Natronlauge kann nach dem Eindampfen wieder verwendet werden. Das Aluminiumhydroxid wird stark erhitzt und spaltet dabei Wasser ab. Es wird zu reinem Al 2 O 3 . Dieses Aluminiumoxid nennt man auch Tonerde (ist aber nicht identisch mit dem Ton als Mineral zum Töpfern). Aluminiumoxid muss für die Elektrolyse geschmolzen werden. Da sein Schmelzpunkt aber über 2000 °C liegt, verwendet man die Aluminium- verbindung Kryolith Na 3 AlF 6 als Schmelzhilfe. Bei 1000 °C schmilzt Kryo- lith, und in dieser Schmelze löst man das Aluminiumoxid. Die etwa 1000 °C heiße Schmelze befindet sich in einer Wanne aus elek- trisch leitfähigem Graphit. Von oben tauchen Graphitelektroden in die Schmelze. Nun schließt man etwa 5 V Gleichspannung an. Die Wanne bildet den negativen Pol (Katode), die Elektroden den positiven Pol (Anode). In der Wanne scheidet sich Aluminium ab, an der Elektrode Sauerstoff. Bei der hohen Temperatur der Schmelze verbrennen die Graphitanoden zu Kohlenstoffdioxid. (Abb. 97.2 und 98.1). Aus der Elektrolysewanne wird Aluminium, das bei 1000 °C flüssig ist, in regelmäßigen Abständen herausgepumpt. Man arbeitet mit Stromstär- ken von 140000 A. Dadurch bleibt die Schmelze flüssig. Das Verfahren hat auch eine Reihe von Nachteilen. Es entstehen geringe Mengen Hydrogenfluorid (HF), einer sehr umweltschädlichen Verbindung. Daher muss das Abgas der Anodenverbrennung gerei- nigt werden. Der Strombedarf für die Aluminiumherstellung ist riesig groß. Außerdem werden pro Tonne Al 0,5 Tonnen Graphitelektroden verbraucht. Aus diesem Grund ist gerade bei Aluminium das Recycling besonders wichtig. In den Industrieländern liegt die Recyclingrate heute schon bei ca. 50 %. Katode: Al 3+ + 3 e – → Al 4x Anode: 2 O 2– → O 2 + 4 e – 3x (denn die Anzahl der aufgenommenen und abgebenen Elektronen muss gleich sein!) Gesamtreaktion: 2 Al 2 O 3 → 4 Al + 3 O 2 Verbrennung der Anoden: C + O 2 → CO 2 Abb. 97.2: Die Produktion von Aluminium mittels Bayer-Ver- fahren (oberer Teil) und Elektrolyse (unterer Teil) Abb. 97.1: Gegenstände aus Aluminium Kryolith Al CO/CO 2 Al 2 O 3 C C C C NaOH Rot- Schlamm Bauxit Tonerde Calcinieren Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv