Big Bang HTL 2, Schulbuch

Bereich Grundlagen der Chemie (II. Jahrgang, 3. Semester) 143 Metalle 10 Schutzschicht aus Aluminiumoxid, die es sehr beständig macht. Im Baubereich werden deshalb etwa Türen, Fenster und Fassadenverkleidungen aus Aluminium hergestellt. Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich ist die Verpackungs- industrie. Kleine Aluminiummengen werden auch im Maschinenbau und in Haushaltsprodukten verarbeitet. Primärproduktion (Herstellung aus Erz) Jährlich werden etwa 40 Mio. Tonnen Aluminium produziert. Diese Produktion umfasst vier Teilschritte: – Gewinnung des Erzes Bauxit – Reinigung des Erzes und Bildung von Aluminiumoxid – Herstellung von Kryolith Na 3 AlF 3 (hier nicht erläutert) – Elektrolytische Reduktion von Aluminiumoxid zu Aluminium Bauxit ist eines der häufigsten Erze der Welt. Es kommt in großen Mengen – vor allem in Jamaica, Brasilien, China und Indien – vor. Das Aluminium liegt darin vor allem als Alumi- niumhydroxid Al(OH) 3 vor. Meist ist das abgebaute Bauxit mit Eisenoxiden, Silizium, Titanoxiden und anderen Schwer- metalloxiden verunreinigt. Die Reinigung des Erzes erfolgt im sogenannten „Bayer-Ver- fahren“ . Dabei wird das Erz mit heißer 10%iger Natronlauge (4atm, 150 °C) vermischt. Bei diesen Bedingungen lösen sich die Aluminiumsalze, während die Verunreinigungen unlös- lich bleiben. Der unlösliche Rest wird abfiltriert, gewaschen und die überschüssige Natronlauge rückgewonnen. Die Ver- unreinigungen müssen als „Rotschlamm“, wie sie aufgrund der enthaltenen Eisenverbindungen heißen, endgelagert werden. Abb. 10.20: Alu-Fenster und Alu-Dosen Abb. 10.21: Schema Bayer-Verfahren Die Lösung wird indessen abgekühlt wobei Aluminium- hydroxid wieder auskristallisiert. Dieses wird abfiltriert und durch Erhitzen auf über 1000 °C in Aluminiumoxid umge- wandelt. Reaktionsgleichungen des Bayer-Verfahrens: Auflösen : Al(OH) 3 (s) + NaOH(aq) ® NaAlO 2 (aq) + 2H 2 O Ausfällen : NaAlO 2 (aq) + H 2 O ® Al(OH) 3 (s) + NaOH(aq) Umwandeln ins Oxid : Al(OH) 3 (s) ® Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 O(l) Da Aluminiumoxid einen hohen Schmelzpunkt (2000 °C) hat, wird es für die Elektrolyse in flüssigem Kryolith (900–1000 °C) gelöst. Eine Elektrolyse in wässriger Lösung ist aufgrund der Unlöslichkeit von Aluminiumoxid und der hohen Spannung von über 4V nicht möglich. Bei dieser Spannung würde das Wasser statt der Al 3+ Ionen die e – aufnehmen. Die Schmelzflusselektrolyse erfolgt in einer Graphitwanne, (siehe Abb. 10.23) in der das Aluminiumoxid gelöst zu etwa 5% im geschmolzenen Kryolith vorliegt. An die Graphit- wanne wird der negative Pol angelegt. Als Anoden (Pluspol) tauchen von oben mehrere Graphitblöcke in die Schmelze ein. An der Kathode (Minuspol) nimmt Al 3+ Elektronen auf und bildet elementares Aluminium. Es sammelt sich am Boden der Wanne und ist dort als eigentliche Kathode wirksam. Flüssiges Aluminium wird kontinuierlich abgezogen und oben neues Aluminiumoxid nachgefüllt. An den Anoden wird das Oxid (O –2 ) zum Sauer- stoff oxidiert, der bei den hohen Temperaturen sofort mit den Graphitanoden zu Kohlendioxid reagiert. Diese werden dadurch verbraucht und müssen regelmäßig ausgetauscht werden. Reaktionsgleichungen der Elektrolyse : Kathode : 4Al 3+ + 12 e – ® 4Al Anode : 6O 2– ® 3O 2 + 12e – C + O 2 ® CO 2 (g) Moderne Aluminiumelektrolysezellen arbeiten mit 150– 300 kA bei 4–4,5 Volt und produzieren etwa 1–2 t Aluminium am Tag. Ein großes Aluminiumwerk besteht aus etwa 400 solcher Zellen. ( F16 ) Abb. 10.22: Schema Schmelzflusselektrolyse Aluminium Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv