Aluminium Silber aus Lehm? Übungen im Experimentalvortrag  Sylvia Pross  SoSe 2007 Aluminium Silber aus Lehm? Abbildung: 1 + 2 http://www.pacific-news.de/pn11/rekult.html

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

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

häufigstes Metall der Erdkruste dritthäufigstes Element 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

Sauerstoffverbindungen Verbindungen 1. Vorkommen Sauerstoffverbindungen Verbindungen des Aluminiums Aluminiumtrihydroxid Al(OH)3 Hygrargillit, Bauxit Aluminiumoxidhydroxid AlO(OH) Diaspor, Böhmit, Bauxit Dialuminiumtrioxid Al2O3 Korund, Schmirgel Abbildung 3-5

α-Aluminiumoxid („Tonerde“) Korund (Kanada, USA, Indien) 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

O2--Ionen: hexagonal dichteste Packung 1. Vorkommen Korund-Struktur O2--Ionen: hexagonal dichteste Packung Al3+: Besetzung 2/3 der Oktaederlücken Al3+-Ionen oktaedrisch von 6 O2--Ionen; O2- -Ionen tetraedrisch von 4 Al3+-Ionen (1) (2) (3) (4) Abbildung. 6-9

Edelsteine aus Aluminiumoxid und Spuren anderer Elemente Rubin 1. Vorkommen Edelsteine aus Aluminiumoxid und Spuren anderer Elemente Rubin Aluminiumoxid mit Spuren von Cr3+ -Ionen Saphir von Fe3+ -Ionen & Ti4+ -Ionen Abbildung. 10-12

„Alumosilikate“ Feldspäte Glimmer Tone Bauxite 1. Vorkommen Verwitterung Tone Verwitterung Bauxite Abbildung. 13-16

1821 Entdeckung durch Pierre Berthier bei Les Baux in der Provence 1. Vorkommen Bauxit 1821 Entdeckung durch Pierre Berthier bei Les Baux in der Provence Ausgangsmaterial der Aluminiumgewinnung rote Bauxite 20-25 % Fe2O3 und 1-5 % SiO2, weiße Bauxite 5 % Fe2O3 und 25 % SiO2 Abbildung. 17-19

Kryolith Na3[AlF6] („Eisstein“) 1. Vorkommen Kryolith Na3[AlF6] („Eisstein“) Vorkommen an der Südküste Grönlands ausgeschöpft Technische Darstellung: Al(OH)3 (aq) + 6 HF (aq) + 3 NaOH (aq) Na3[AlF6] (s) + 6 H2O → Aluminiumherstellung Abbildung. 20

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

silberglänzendes Leichtmetall (Dichte: 2,699 g/cm3) 2. Eigenschaften silberglänzendes Leichtmetall (Dichte: 2,699 g/cm3) kubisch dichteste Packung Smp. 660,4 °C, Sdp. 2330 °C hohe elektrische Leitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit hohe Dehnbarbeit hohe Korrosionsbeständigkeit

Oxidschicht (Passivierung) löslich in nicht oxidierenden Säuren 2. Eigenschaften Oxidschicht (Passivierung) löslich in nicht oxidierenden Säuren Al (s) + 3 H+ (aq) Al3+ (aq) + 11/2 H2 (aq) löslich in stark saurer oder alkalischer Lösung starkes Reduktionsmittel

2. Eigenschaften Demo 1 Abflussreiniger

Stark alkalische Lösung → Zerstörung der Oxidschicht 2. Eigenschaften Stark alkalische Lösung → Zerstörung der Oxidschicht Al2O3 (s) + 2 OH- (aq) + 3 H2O → 2[Al(OH)4]- (aq) 0 +1 +3 0 2 Al (s) + 2 H+ (aq) 2 Al3+ (aq) + H2 (g) ↑ Al3+ + OH- [Al(OH)4]-

2. Eigenschaften Demo 2 Salzsäure

angelaufenem Silberbesteck 2. Eigenschaften Versuch 1 Reinigung von angelaufenem Silberbesteck

„Anlaufen“ des Silbers 2 Ag (s) + H2S (g) + ½ O2 (aq) Ag2S (s) + H2O 2. Eigenschaften „Anlaufen“ des Silbers 2 Ag (s) + H2S (g) + ½ O2 (aq) Ag2S (s) + H2O Abbildung 21

Oxidation des Aluminiums Al → Al3+(aq) + 3 e- Reduktion des Silbers 2. Eigenschaften Oxidation des Aluminiums Al → Al3+(aq) + 3 e- Reduktion des Silbers 3 Ag+(s) + 3 e- → 3 Ag (s) (E°(Al/Al3+) = -1,66 V) (E°(Ag/Ag+) = 0,79 V) Gesamtreaktion 2 Ag2S (s) + Al (s) + 4 H2O 4 Ag (s) + [Al(OH)4]- (aq) + 2 H2S (g)

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

3. Verwendung Versuch 2 Aluminium-Nachweis (Morin)

3. Verwendung Morin

3. Verwendung (aq)

3. Verwendung Jablonski-Diagramm Abbildung 27

1897 Entwicklung von Hans Goldschmidt 3. Verwendung Aluminothermie 1897 Entwicklung von Hans Goldschmidt Triebkraft: Sauerstoffaffinität des Aluminiums „Desoxidation“ des Eisens → Thermitschweißen Abbildung 28-29 http://www.goldschmidt-thermit.com/pictures/geschichte_document3_co_th.jpg

3 Fe3O4 (s) + 8 Al (s) 4 Al2O3 (s) + 9 Fe (s) 3. Verwendung Reaktion: +2\+3 0 +3 0 3 Fe3O4 (s) + 8 Al (s) 4 Al2O3 (s) + 9 Fe (s) Freisetzung von schwer reduzierbaren Metallen aus ihren Oxiden keine Carbidbildung

3. Verwendung Versuch 3 Eloxalverfahren

Elektrolytische Oxidation des Aluminiums 3. Verwendung 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

6 OH- (aq) 3 H2O + 3 O (nasc.) + 6 e- 2 Al (s) 2 Al3+ (aq) + 6 e- 3. Verwendung Anode (Oxidation) 6 OH- (aq) 3 H2O + 3 O (nasc.) + 6 e- 2 Al (s) 2 Al3+ (aq) + 6 e- Kathode (Reduktion) 6 H3O+ (aq) + 6e– 3 H2 (g) ↑ + 6 H2O -2 +3 +1

2 Al (s) + 6 H3O+ (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H2 (g) ↑ + 6 H2O 3. Verwendung Zwischenreaktion 2 Al (s) + 6 H3O+ (aq) 2 Al 3+ (aq) + 3 H2 (g) ↑ + 6 H2O 2 Al (s) + 3 O nasc. Al2O3 (s) Gesamtreaktion 2 Al (s) + 3 H2O Al2O3 (s) + 3 H2 (g) ↑

Struktur leitet sich von γ-Al2O3 ab: kubisch dichteste Packung 3. Verwendung Struktur leitet sich von γ-Al2O3 ab: kubisch dichteste Packung Al3+ -Ionen in oktaedrischen und tetraedrischen Lücken Oxidschicht ausschließlich oktaedrische Lücken besetzt

3. Verwendung Demo 3 Aluminium-Nachweis (Alizarin S)

3. Verwendung Al3+ (aq) + 6 NH3 (aq) + 3 + 6 NH4+ (aq) (aq)

Anfärben des Aluminiums 3. Verwendung Versuch 4 Anfärben des Aluminiums

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

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

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

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

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

Entdeckung des ersten technisch 5. Geschichtliche Aspekte II Entdeckung des ersten technisch erfolgreichen Herstellungs-Prozesses durch Henri Sainte-Claire Deville AlCl3 (s) + 3 Na (s) Al (s) + 3 NaCl (s) 1855 Pariser Weltausstellung Erfindung des Dynamos durch Werner von Siemens ∆ http://www.andreas-gym.de/agym165/woehler.jpg

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

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6. Darstellung Versuch 5 Amphoterie (Aluminiumhydroxid)

Aluminiumhydroxid gehört zu den amphoteren Hydroxiden 6. Darstellung Aluminiumhydroxid gehört zu den amphoteren Hydroxiden Al(OH)3 (aq) + 3 H3O+ (aq) Al3+ (aq) + 6 H2O Al(OH)3 (aq) + OH- (aq) Al(OH)4- (aq)

[Al(H2O)6]3+ (aq) + H2O [AlOH(H2O)5]2+ (aq) + H3O+ (aq) 6. Darstellung [Al(H2O)6]3+ (aq) + H2O [AlOH(H2O)5]2+ (aq) + H3O+ (aq) [Al(H2O)6]3+ (aq) + OH- (aq) Al(OH)3 (s) ↓ Al(OH)3 (s) + OH- (aq) [Al(OH)4]- (aq) Aluminiumsalze bei hohen und niedrigen pH-Werten löslich

Die Aluminiumgewinnung erfolgt in zwei Arbeitsgängen: 6. Darstellung Die Aluminiumgewinnung erfolgt in zwei Arbeitsgängen: Gewinnung von reinem Aluminiumoxid (Al2O3) aus Bauxit (Bayer-Verfahren) 2. Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Prozess)

(1) Erhitzen des Bauxits mit Natronlauge 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) Al2O3 (s) + 3 H2O

Hall-Héroult-Prozess 6. Darstellung Hall-Héroult-Prozess Abbildung 37

Eutektisches Gemisch (Smp. 935 °C): 81,5 % Na3AlF6 , 18,5 % Al2O3, 6. Darstellung Eutektisches Gemisch (Smp. 935 °C): 81,5 % Na3AlF6 , 18,5 % Al2O3, Elektrodenvorgänge schematisiert: Schmelze: Al2O3 2 Al3+ + 3 O2- Kathode: 2 Al3+ + 6 e- 2 Al Anode: 3 O2- 1½ O2 + 6 e- Al2O3 2 Al 1½ O2

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7. Ökologische Aspekte Abbildung 38-44

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10 G: Fakultative Unterrichtsinhalte/ Aufgaben: 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

Aluminium Silber aus Lehm? Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! http://www.pacific-news.de/pn11/rekult.html

Internet-Bildquellen: Abbildung 1: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html Abbildung 2: http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78 Abb. 4: http://www.a-m.de/images/mineral/diaspor_gr.jpg Abb. 5: http://tw.strahlen.org/fotoatlas/Korund6.jpg Abb.6 + 7 + 8: http://www.chemie.uni-hamburg.de/ac/AKs/Prosenc/v6.pdf Abb. 9: http://www.fkf.mpg.de/jansen/p430/weinmann/Chemie%20der%20Uebergangselemente%202006_06_19.pdf Abb. 10: http://www.edelstein-essenzen.de/images/rubin.jpg, Abb. 11: http://de.wikipedia.org/wiki/Saphir Abb. 12: http://www.skielka-designschmuck.de/lexikon/saphir/index.php3 Abb. 13 + 14: http://www.gimizu.de/kabinett/klasse_8g.html Abb.15: http://de.wikipedia.org/wiki/Kaolinit Abb. 16: http://cc.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/mineralien/grafik/bauxit.jpg Abb. 17 + 18: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html Abb. 19: http://www.szabozalan.hu/landscapes/gant_bauxit_mine.jpg Abb. 20: http://umdb.um.u-tokyo.ac.jp/DKoubutu/FMPro?-db=jmiya_.fp5&key=35&-img Abb. 21: http://www.buetzer.info/fileadmin/pb/HTML-Files/WebHelp/Die_Adsorption_von_Gasen_und_gel_sten_Stoffen.htm Abb. 22: http://www.heinzebauoffice.de/hbo/typID_53/obID_76510/kustnr_1560/module_2000/modulePageID_1/context_1/rehau-polytec-50.html Abb. 23: http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/aluminium/aluminium.htm Abb. 24: http://www1.messe-berlin.de/vip8_1/website/MesseBerlin/htdocs/www.innotrans.de/de/Presse/Neuheiten/index.jsp Abb. 25: http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78 Abb. 26: http://www.jbergsmann.at/DSCF0038-alu-schneiden-300x300_27u.jpg Abb. 27: http://icecube.berkeley.edu/~bramall/work/astrobiology/images/Jablonski-Diagram.jpg Abb. 28: http://www.goldschmidt-thermit.com/pictures/geschichte_document3_co_th.jpg Abb. 29: http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/eisen/images/schiene.jpg Abb. 30: http://www.alutecta.de/alutecta_home/0_p/alugrafikeloverd.gif

Internet-Bildquellen: Abb. 31: http://www.konstruktionspraxis.de/sh/fachartikel/kp_sh_fachartikel_1964409.html Abb. 32: http://www.earlyaviator.com/archive/JPL/1900.07.02_LZ1_3_jpl.jpg Abb. 33: http://www.andreas-gym.de/agym165/woehler.jpg Abb. 34: http://www.cozmo.dk/bio/oersted/orstptr.jpg Abb. 35 + 36: http://www.mschaumann.de/history/Die%20Geschichte%20des%20Aluminiums.htm Abb. 37: Lehrbuch der allgemeinen und anorganischen Chemie, A. Fr. Holleman; E.Wiberg, De Gruyter, 1955, 101. Auflage, New York Abb. 38-43: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78 http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Min__rohstoffe/Bilder/Mir__ALCOA-Huntley__Bauxite__Mine__g,property=default.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Alloy_diagram_separate_crystal_building.png/400px-Alloy_diagram_separate_crystal_building.png

Weitere Reaktionen an der Anode 2 Al3+ + 3 OH- Al2O3 + 3 H+ 6. Verwendung Eloxalverfahren Weitere Reaktionen an der Anode 2 Al3+ + 3 OH- Al2O3 + 3 H+ 2 Al3++ 3 H2O Al2O3 + 6 H+ 2 Al3+ + 3 HSO4 Al2(SO4)3 + 3H+