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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
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
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
1. Vorkommen
„Alumosilikate“
Feldspäte Glimmer
Tone
Bauxite
Verwitterung
Verwitterung
Abbildung. 13-16
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
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
• 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
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
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 OOH
OH
OH
O
Morin
3. Verwendung
OH
O O
OHOH
OH
O
OH
O
O
OHOH
OH
O OHO
O
OHOH
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
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 SO3HO
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 SO3HO
O
OH
O
Al3+
OH
(aq)
Färben des eloxierten Aluminiums mit Alizarin S
Abbildung 30
Übersicht
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
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
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
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
5. Geschichtliche Aspekte II
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
Übersicht
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
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 AlAnode: 3 O2- 1½ O2 + 6 e-
Al2O3 2 Al 1½ O2
Eutektisches Gemisch (Smp. 935 °C): 81,5 % Na3AlF6 , 18,5 % Al2O3,
Übersicht
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
7. Ökologische Aspekte
Abbildung 38-44
Übersicht
• Vorkommen• Eigenschaften• Verwendung• Geschichtliche Aspekte I• Geschichtliche Aspekte II• Darstellung• Ökologische Aspekte• Schulrelevanz
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+
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