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Aluminium Silber aus Lehm? Übungen im Experimentalvortrag  Sylvia Pross  SoSe 2007 Abbildung: 1 + 2.

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1 Aluminium Silber aus Lehm? Übungen im Experimentalvortrag  Sylvia Pross  SoSe Abbildung: 1 + 2

2 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

3 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

4 1. Vorkommen häufigstes Metall der Erdkruste dritthäufigstes Element Sauerstoff 45, 5 % Silicium 25, 7 % Aluminium 8,3 % Eisen 6,2 % Calcium 4,6 % kein gediegenes Vorkommen

5 1. Vorkommen Sauerstoffverbindungen Verbindungen des Aluminiums Aluminiumtrihydroxid Al(OH) 3 Hygrargillit, Bauxit Aluminiumoxidhydroxid AlO(OH) Diaspor, Böhmit, Bauxit Dialuminiumtrioxid Al 2 O 3 Korund, Schmirgel Abbildung 3-5

6 1. Vorkommen α-Aluminiumoxid („Tonerde“) Korund (Kanada, USA, Indien) Schleif- und Poliermittel hochfeuerfeste Keramik Fasern synthetische Edelsteine Schmirgel (Naxos, Kleinasien) Beimengungen von Eisenoxid und Quarz

7 Korund-Struktur O 2- -Ionen: hexagonal dichteste Packung Al 3+ : Besetzung 2 / 3 der Oktaederlücken Al 3+ -Ionen oktaedrisch von 6 O 2- -Ionen; O 2- -Ionen tetraedrisch von 4 Al 3+ -Ionen 1. Vorkommen (1) (2)(3)(4) Abbildung. 6-9

8 1. Vorkommen Edelsteine aus Aluminiumoxid und Spuren anderer Elemente Rubin Aluminiumoxid mit Spuren von Cr 3+ -Ionen Saphir Aluminiumoxid mit Spuren von Fe 3+ -Ionen & Ti 4+ -Ionen Abbildung

9 1. Vorkommen „Alumosilikate“ Feldspäte Glimmer Tone Bauxite Verwitterung Abbildung

10 1. Vorkommen Bauxit 1821 Entdeckung durch Pierre Berthier bei Les Baux in der Provence Ausgangsmaterial der Aluminiumgewinnung rote Bauxite % Fe 2 O 3 und 1-5 % SiO 2, weiße Bauxite 5 % Fe 2 O 3 und 25 % SiO 2 Abbildung

11 1. Vorkommen Kryolith Na 3 [AlF 6 ] („Eisstein“) Vorkommen an der Südküste Grönlands ausgeschöpft Technische Darstellung: Al(OH) 3 (aq) + 6 HF (aq) + 3 NaOH (aq) Na 3 [AlF 6 ] (s) + 6 H 2 O → Aluminiumherstellung Abbildung. 20

12 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

13 silberglänzendes Leichtmetall (Dichte: 2,699 g/cm 3 ) kubisch dichteste Packung Smp. 660,4 °C, Sdp °C hohe elektrische Leitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit hohe Dehnbarbeit hohe Korrosionsbeständigkeit 2. Eigenschaften

14 Oxidschicht (Passivierung) löslich in nicht oxidierenden Säuren Al (s) + 3 H + (aq) Al 3+ (aq) / 2 H 2 (aq) löslich in stark saurer oder alkalischer Lösung starkes Reduktionsmittel 2. Eigenschaften

15 Demo 1 Abflussreiniger 2. Eigenschaften

16 Stark alkalische Lösung → Zerstörung der Oxidschicht Al 2 O 3 (s) + 2 OH - (aq) + 3 H 2 O → 2[Al(OH) 4 ] - (aq) Al (s) + 2 H + (aq) 2 Al 3+ (aq) + H 2 (g) ↑ Al 3+ + OH - [Al(OH) 4 ] -

17 Demo 2 Salzsäure 2. Eigenschaften

18 Versuch 1 Reinigung von angelaufenem Silberbesteck

19 2. Eigenschaften „Anlaufen“ des Silbers 2 Ag (s) + H 2 S (g) + ½ O 2 (aq) Ag 2 S (s) + H 2 O Abbildung 21

20 2. Eigenschaften Oxidation des Aluminiums Al → Al 3+ (aq) + 3 e - Reduktion des Silbers 3 Ag + (s) + 3 e - → 3 Ag (s) Gesamtreaktion 2 Ag 2 S (s) + Al (s) + 4 H 2 O 4 Ag (s) + [Al(OH) 4 ] - (aq) + 2 H 2 S (g) (E°(Al/Al 3+ ) = -1,66 V) (E°(Ag/Ag + ) = 0,79 V)

21 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

22 25 % Baugewerbe 18 % Herstellung von Flugzeugen, Eisenbahnwaggons, Bussen, Autos, Fahrrädern 17 % Produktion von Containern und Verpackungsmaterial 14 % Leitungen 3. Verwendung Abbildung 22-26

23 Versuch 2 Aluminium-Nachweis (Morin) 3. Verwendung

24 Morin 3. Verwendung

25 (aq) 3. Verwendung

26 Jablonski-Diagramm 3. Verwendung Abbildung 27

27 1897 Entwicklung von Hans Goldschmidt Triebkraft: Sauerstoffaffinität des Aluminiums „Desoxidation“ des Eisens → Thermitschweißen Aluminothermie 3. Verwendung Abbildung 28-29

28 3 Fe 3 O 4 (s) + 8 Al (s) 4 Al 2 O 3 (s) + 9 Fe (s) +2\ Freisetzung von schwer reduzierbaren Metallen aus ihren Oxiden keine Carbidbildung Reaktion: 3. Verwendung

29 Versuch 3 Eloxalverfahren 3. Verwendung

30 Eloxal-Verfahren Elektrolytische Oxidation des Aluminiums 1911 Entwicklung von de Saint Martin Verstärkung der Oxidschicht → Erhöhung des Korrosionsschutzes (beständig gegen Witterungseinflüsse, Seewasser, Säuren, Alkalilaugen) → Elektrische Isolierung Kondensatorplatten, -drähte 3. Verwendung

31 Anode (Oxidation) 6 OH - (aq) 3 H 2 O + 3 O (nasc.) + 6 e - 2 Al (s) 2 Al 3+ (aq) + 6 e - Kathode (Reduktion) 6 H 3 O + (aq) + 6e – 3 H 2 (g) ↑ + 6 H 2 O Verwendung

32 Zwischenreaktion 2 Al (s) + 6 H 3 O + (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H 2 (g) ↑ + 6 H 2 O 2 Al (s) + 3 O nasc. Al 2 O 3 (s) Gesamtreaktion 2 Al (s) + 3 H 2 O Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 (g) ↑ 3. Verwendung

33 Struktur leitet sich von γ -Al 2 O 3 ab: kubisch dichteste Packung Al 3+ -Ionen in oktaedrischen und tetraedrischen Lücken Oxidschicht ausschließlich oktaedrische Lücken besetzt 3. Verwendung

34 Demo 3 Aluminium-Nachweis (Alizarin S)

35 3. Verwendung Al 3+ (aq) + 6 NH 3 (aq) NH 4 + (aq) (aq)

36 3. Verwendung Versuch 4 Anfärben des Aluminiums

37 3. Verwendung (aq) Färben des eloxierten Aluminiums mit Alizarin S Abbildung 30

38 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

39 4. Geschichtliche Aspekte I 1897 Verwendung im Baugewerbe 1899 Sportwagen mit Alu-Karosserie 1900 Einzug in die Flugzeugindustrie 1916 erstes Aluminium- Flugzeug 1911 Alufolie als Schokoladenverpackung Abbildung 31-32

40 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

41 5. Geschichtliche Aspekte II 1808 Namensgebung durch Sir Humphrey Davy 1821 Entdeckung von Bauxit durch Pierre Berthier 1825 erstmalige Isolierung von Aluminium durch Hans Christian Oersted 1827 Verbesserung des Verfahrens durch Friedrich Wöhler Abbildung 33-34

42 1854 Entdeckung des ersten technisch erfolgreichen Herstellungs-Prozesses durch Henri Sainte-Claire Deville AlCl 3 (s) + 3 Na (s) Al (s) + 3 NaCl (s) 1855 Pariser Weltausstellung 1866 Erfindung des Dynamos durch Werner von Siemens ∆ 5. Geschichtliche Aspekte II

43 1886 Entwicklung eines Verfahrens zur großtechnischen Herstellung durch P.T. Herault und C.M. Hall 1887 Verbesserung des Verfahrens durch Karl Josef Bayer (Bayerverfahren) 1992 Patentanmeldung durch K.J. Bayer für den Aufschluss von Bauxit im Autoklaven 5. Geschichtliche Aspekte II Abbildung 35-36

44 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

45 6. Darstellung Versuch 5 Amphoterie (Aluminiumhydroxid)

46 6. Darstellung Al(OH) 3 (aq) + 3 H 3 O + (aq) Al 3+ (aq) + 6 H 2 O Al(OH) 3 (aq) + OH - (aq) Al(OH) 4 - (aq) Aluminiumhydroxid gehört zu den amphoteren Hydroxiden

47 6. Darstellung [Al(H 2 O) 6 ] 3+ (aq) + H 2 O [AlOH(H 2 O) 5 ] 2+ (aq) + H 3 O + (aq) Aluminiumsalze bei hohen und niedrigen pH-Werten löslich [Al(H 2 O) 6 ] 3+ (aq) + OH - (aq) Al(OH) 3 (s) ↓ Al(OH) 3 (s) + OH - (aq) [Al(OH) 4 ] - (aq)

48 6. Darstellung Die Aluminiumgewinnung erfolgt in zwei Arbeitsgängen: 1. Gewinnung von reinem Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) aus Bauxit (Bayer-Verfahren) 2. Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Prozess)

49 6. Darstellung Bayer-Verfahren (1) Erhitzen des Bauxits mit Natronlauge Al(OH) 3 (s) + NaOH (aq) Na[Al(OH) 4 ] (aq) Fe(OH) 3 (aq) + NaOH (aq) Na[Fe(OH) 4 ] (aq) (2) Dekantieren, Feinfiltration (3) Kristallisation (4) Dehydratisierung 2 Al(OH) 3 (aq) Al 2 O 3 (s) + 3 H 2 O

50 6. Darstellung Hall-Héroult-Prozess Abbildung 37

51 6. Darstellung Elektrodenvorgänge schematisiert: Schmelze: Al 2 O 3 2 Al O 2- Kathode: 2 Al e - 2 Al Anode: 3 O 2- 1½ O e - Al 2 O 3 2 Al 1½ O 2 Eutektisches Gemisch (Smp. 935 °C): 81,5 % Na 3 AlF 6, 18,5 % Al 2 O 3,

52 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

53 7. Ökologische Aspekte Abbildung 38-44

54 Übersicht Vorkommen Eigenschaften Verwendung Geschichtliche Aspekte I Geschichtliche Aspekte II Darstellung Ökologische Aspekte Schulrelevanz

55 8. Schulrelevanz 10 G: Fakultative Unterrichtsinhalte/ Aufgaben: Großtechnische Elektrolysen Aluminiumgewinnung „vom Bauxit zum Aluminium“ ökologische Betrachtungen Metalle als Werkstoffe Werkstoffe in der Technik: Eisen, Aluminium, Kupfer Wichtige Gebrauchsmetalle Energie- und Ressourcenfragen Recyclingverfahren

56 Aluminium Silber aus Lehm? Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

57 Abbildung 1: Abbildung 2: Abb. 4: Abb. 5: Abb : Abb. 9: Abb. 10: Abb. 11: Abb. 12: Abb : Abb.15: Abb. 16: Abb : Abb. 19: Abb. 20: Abb. 21: Abb. 22: polytec-50.html Abb. 23: Abb. 24: Abb. 25: Abb. 26: Abb. 27: Abb. 28: Abb. 29: Abb. 30: Internet-Bildquellen:

58 Abb. 31: Abb. 32: Abb. 33: Abb. 34: Abb : Abb. 37: Lehrbuch der allgemeinen und anorganischen Chemie, A. Fr. Holleman; E.Wiberg, De Gruyter, 1955, 101. Auflage, New York Abb : Internet-Bildquellen:

59 6. Verwendung Eloxalverfahren Weitere Reaktionen an der Anode 2 Al OH - Al 2 O H + 2 Al H 2 O Al 2 O H + 2 Al HSO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H +


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