Aluminium Silber aus Lehm?

AluminiumSilber aus Lehm?

Übungen im Experimentalvortrag Sylvia Pross SoSe 2007

http://www.pacific-news.de/pn11/rekult.htmlAbbildung: 1 + 2

Übersicht

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

Übersicht


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

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

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

Korund-StrukturO2--Ionen: hexagonal dichteste PackungAl3+: Besetzung 2/3 der Oktaederlücken

Al3+-Ionen oktaedrisch von 6 O2--Ionen;O2- -Ionen tetraedrisch von 4 Al3+-Ionen

1. Vorkommen

(1) (2) (3) (4)

Abbildung. 6-9

1. Vorkommen

Edelsteine aus Aluminiumoxid und Spuren anderer Elemente

Rubin Aluminiumoxid mit Spuren von Cr3+ -Ionen

Saphir Aluminiumoxid mit Spuren von Fe3+ -Ionen & Ti4+ -Ionen

Abbildung. 10-12

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Saphir.jpg

1. Vorkommen

„Alumosilikate“

Feldspäte Glimmer

Tone

Bauxite

Verwitterung

Verwitterung

Abbildung. 13-16

http://www.gimizu.de/cgi-bin/Kabinett.cgi?de&pics_8g/8_108.jpg

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Kaolinite.jpg

1. Vorkommen

Bauxit1821 Entdeckung durch Pierre Berthier bei Les Baux in der ProvenceAusgangsmaterial der Aluminiumgewinnung

rote Bauxite20-25 % Fe2O3 und 1-5 % SiO2, weiße Bauxite 5 % Fe2O3 und 25 % SiO2

Abbildung. 17-19

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


• 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

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

2. Eigenschaften

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]-

Demo 2

Salzsäure

2. Eigenschaften

2. Eigenschaften

Versuch 1

Reinigung vonangelaufenem Silberbesteck

2. Eigenschaften

„Anlaufen“ des Silbers

2 Ag (s) + H2S (g) + ½ O2 (aq) Ag2S (s) + H2O

Abbildung 21

2. Eigenschaften

Oxidation des Aluminiums

Al → Al3+(aq) + 3 e-

Reduktion des Silbers

3 Ag+(s) + 3 e- → 3 Ag (s)

Gesamtreaktion

2 Ag2S (s) + Al (s) + 4 H2O

4 Ag (s) + [Al(OH)4]- (aq) + 2 H2S (g)

(E°(Al/Al3+) = -1,66 V)

(E°(Ag/Ag+) = 0,79 V)

Übersicht


25 % Baugewerbe

18 % Herstellung von Flugzeugen, Eisenbahnwaggons, Bussen, Autos, Fahrrädern

17 % Produktion von Containern und Verpackungsmaterial

14 % Leitungen

3. Verwendung

Abbildung 22-26

Versuch 2

Aluminium-Nachweis

(Morin)

3. Verwendung

OH

OH O

OHOH

OH

O

Morin

3. Verwendung

OH

O O

OHOH

OH

O

OH

O

O

OHOH

OH

O OH

O

O

OH

OH

OH

O

Al3+

(aq)

3. Verwendung

Jablonski-Diagramm

3. Verwendung

Abbildung 27

1897 Entwicklung von Hans Goldschmidt

Triebkraft: Sauerstoffaffinität des Aluminiums

„Desoxidation“ des Eisens

→ Thermitschweißen

http://www.goldschmidt-thermit.com/pictures/geschichte_document3_co_th.jpg

Aluminothermie

3. Verwendung

Abbildung 28-29

http://www.goldschmidt-thermit.com/public/services.php?sid=page&rubrikpath=thermit-group%2FqD2qc&bid=8540&limit=30

3 Fe3O4 (s) + 8 Al (s) 4 Al2O3 (s) + 9 Fe (s)

+2\+3 0 +3 0

• Freisetzung von schwer reduzierbaren Metallen

aus ihren Oxiden

• keine Carbidbildung

Reaktion:

3. Verwendung

Versuch 3

Eloxalverfahren

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

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

0 +3

-2 0

+1 0

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) ↑

3. Verwendung

Struktur leitet sich von γ-Al2O3 ab:

kubisch dichteste PackungAl3+ -Ionen in oktaedrischen und tetraedrischen Lücken

Oxidschichtausschließlich oktaedrische Lücken besetzt

3. Verwendung

3. Verwendung

Demo 3

Aluminium-Nachweis(Alizarin S)

3. Verwendung

SO3H

O O

OH

O

SO3H

O

O

O SO3H

O

O

OH

O

Al3+

OH

SO3H

OH O

OH

O

Al3+ (aq) + 6 NH3 (aq) + 3

+ 6 NH4+

(aq)

(aq)

3. Verwendung

Versuch 4

Anfärben des Aluminiums

3. Verwendung

SO3H

O O

OH

O

SO3H

O

O

O SO3H

O

O

OH

O

Al3+

OH

(aq)

Färben des eloxierten Aluminiums mit Alizarin S

Abbildung 30

Übersicht


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

Übersicht


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

1854 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

1866 Erfindung des Dynamos durch Werner von

Siemens

∆

http://www.andreas-gym.de/agym165/woehler.jpg


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


Abbildung 35-36

Übersicht


6. Darstellung

Versuch 5

Amphoterie(Aluminiumhydroxid)

6. Darstellung

Al(OH)3 (aq) + 3 H3O+ (aq)

Al3+ (aq) + 6 H2O

Al(OH)3 (aq) + OH- (aq)

Al(OH)4-

(aq)

Aluminiumhydroxid gehört zu den amphoteren Hydroxiden

6. Darstellung

[Al(H2O)6]3+ (aq) + H2O [AlOH(H2O)5]2+ (aq)

+ H3O+ (aq)

Aluminiumsalze bei hohen und niedrigen pH-Werten löslich

[Al(H2O)6]3+ (aq) + OH- (aq) Al(OH)3 (s) ↓

Al(OH)3 (s) + OH- (aq) [Al(OH)4]- (aq)

6. Darstellung

Die Aluminiumgewinnung erfolgt in zwei Arbeitsgängen: 1. Gewinnung von reinem Aluminiumoxid (Al2O3) aus Bauxit (Bayer-Verfahren)

2. Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Prozess)

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

6. Darstellung

Hall-Héroult-Prozess

Abbildung 37

6. Darstellung

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

Eutektisches Gemisch (Smp. 935 °C):

81,5 % Na3AlF6 , 18,5 % Al2O3,

Übersicht


7. Ökologische Aspekte

Abbildung 38-44

Übersicht


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

AluminiumSilber aus Lehm?

http://www.pacific-news.de/pn11/rekult.html

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Abbildung 1: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.htmlAbbildung 2: http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78Abb. 4: http://www.a-m.de/images/mineral/diaspor_gr.jpgAbb. 5: http://tw.strahlen.org/fotoatlas/Korund6.jpgAbb.6 + 7 + 8: http://www.chemie.uni-hamburg.de/ac/AKs/Prosenc/v6.pdfAbb. 9: http://www.fkf.mpg.de/jansen/p430/weinmann/Chemie%20der%20Uebergangselemente%202006_06_19.pdfAbb. 10: http://www.edelstein-essenzen.de/images/rubin.jpg,Abb. 11: http://de.wikipedia.org/wiki/SaphirAbb. 12: http://www.skielka-designschmuck.de/lexikon/saphir/index.php3Abb. 13 + 14: http://www.gimizu.de/kabinett/klasse_8g.htmlAbb.15: http://de.wikipedia.org/wiki/KaolinitAbb. 16: http://cc.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/mineralien/grafik/bauxit.jpgAbb. 17 + 18: http://www.geogr.uni-goettingen.de/kus/apsa/pn/pn11/rekult.html Abb. 19: http://www.szabozalan.hu/landscapes/gant_bauxit_mine.jpgAbb. 20: http://umdb.um.u-tokyo.ac.jp/DKoubutu/FMPro?-db=jmiya_.fp5&key=35&-imgAbb. 21: http://www.buetzer.info/fileadmin/pb/HTML-Files/WebHelp/Die_Adsorption_von_Gasen_und_gel_sten_Stoffen.htmAbb. 22: http://www.heinzebauoffice.de/hbo/typID_53/obID_76510/kustnr_1560/module_2000/modulePageID_1/context_1/rehau-polytec-50.htmlAbb. 23: http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/aluminium/aluminium.htmAbb. 24: http://www1.messe-berlin.de/vip8_1/website/MesseBerlin/htdocs/www.innotrans.de/de/Presse/Neuheiten/index.jspAbb. 25: http://www.nord-sued-netz.de/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=78Abb. 26: http://www.jbergsmann.at/DSCF0038-alu-schneiden-300x300_27u.jpgAbb. 27: http://icecube.berkeley.edu/~bramall/work/astrobiology/images/Jablonski-Diagram.jpgAbb. 28: http://www.goldschmidt-thermit.com/pictures/geschichte_document3_co_th.jpgAbb. 29: http://www.uni-bayreuth.de/departments/ddchemie/umat/eisen/images/schiene.jpgAbb. 30: http://www.alutecta.de/alutecta_home/0_p/alugrafikeloverd.gif

Internet-Bildquellen:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Alloy_diagram_separate_crystal_building.png/400px-Alloy_diagram_separate_crystal_building.png

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.jpgAbb. 33: http://www.andreas-gym.de/agym165/woehler.jpgAbb. 34: http://www.cozmo.dk/bio/oersted/orstptr.jpgAbb. 35 + 36: http://www.mschaumann.de/history/Die%20Geschichte%20des%20Aluminiums.htmAbb. 37:Lehrbuch der allgemeinen und anorganischen Chemie, A. Fr. Holleman; E.Wiberg, De Gruyter, 1955, 101. Auflage, New YorkAbb. 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=78http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/Min__rohstoffe/Bilder/Mir__ALCOA-Huntley__Bauxite__Mine__g,property=default.jpg

Internet-Bildquellen:

6. Verwendung

Eloxalverfahren

Weitere Reaktionen an der Anode2 Al3+ + 3 OH- Al2O3 + 3 H+

2 Al3++ 3 H2O Al2O3 + 6 H+

2 Al3+ + 3 HSO4 Al2(SO4)3 + 3H+

Documents

Aluminium Silber aus Lehm?