GFS: Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse

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1 Sarah Neuwirth Chemie 4std Klassenstufe 13 / GFS: Gewinnung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse Aufbau: Ausgangsstoff für die Gewinnung: Bauxit Gewinnung von reinem Aluminiumoxid am Beispiel des Bayer-Verfahrens Schmelzflusselektrolyse des Aluminiumoxids a) Schmelzflusselektrolyse b) Nachteile und Umweltbelastungen der Schmelzelektrolyse c) Potentiell mögliche Prozesse an den Elektroden d) Elektrolytische Zerlegung der Aluminiumoxidschmelze e) Schaubild Verwendung von Aluminium und Eloxalverfahren Quellenverzeichnis 1

2 1) Ausgangsstoff für die Gewinnung: Bauxit Für die großtechnische Produktion von Aluminium ist Bauxit das wichtigste Ausgangsmaterial. Es handelt sich dabei um ein Aluminiumhydroxid mit der Formel AlO(OH) = Al 2 O 3 x H 2 O. Aluminium ist das häufigste Metall in der Erdkruste. Da es eine hohe Sauerstoffaffinität hat, d.h. einen starken Drang besitzt, sich mit Sauerstoff zu verbinden, kommt es nicht gediegen, sondern nur in Form von Verbindungen vor. Da Bauxit 55% bis 65% Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) enthält, ist es der wichtigste Ausgangsstoff für die Gewinnung, es ist jedoch häufig durch Eisenoxid und Siliciumdioxid verunreinigt. 2) Gewinnung von reinem Aluminiumoxid am Beispiel des Bayer-Verfahrens Der nasse Aufschluss dient zum Abtrennen von Eisenoxid (FeO) und Siliciumdioxid (SiO 2 ), um aus Bauxit reines Aluminiumoxid, die Grundlage für die Schmelzflusselektrolyse, zu gewinnen. Bei diesem Verfahren wird feingemahlener Bauxit 6-8 Stunden bei einem Druck von 7 bar mit konzentrierter 35-38%iger Natronlauge auf ca C erhitzt. Bei diesem Prozess löst sich nur das Aluminium auf, das Eisenoxid nicht. Es entsteht lösliches Natriumaluminat: Al(OH) 3 + NaOH Na[Al(OH) 4 ] Natrium-tetrahydroxoaluminat. Zu dem reagiert Siliciumdioxid mit Natronlauge zu dem unlöslichen Natriumsilicataluminat: 2 NaOH + 2 Al(OH) 3 + SiO > Na 2 [Al 2 SiO 6 ] + 4 H 2 O. Das Eisenoxid und das Natriumsilicataluminat können als feste Stoffe abfiltriert werden. Da zum Bilden des Natriumsilicataluminat viel Aluminium benötigt wird, wie aus der Summenformel hervorgeht, wird für den nassen Aufschluss vorwiegend Bauxit mit wenig Siliciumdioxidverunreinigung verwendet. Anschließend wird die Aluminatlauge stark verdünnt, die Temperatur der Lösung auf 60 C herabgesetzt und der Druck wird wieder auf Normaldruck reduziert. Wenn 2

3 diese Bedingungen vorhanden sind, bildet sich festes, unlösliches Aluminiumhydroxid aus: Na[Al(OH) 4 ] gelöst Al(OH) 3 kristallin + NaOH. Um die Kristallisation zu beschleunigen setzt man der Lösung Impfkristalle hinzu. Je mehr man kristalline Phase Al(OH) 3 zusetzt, umso schneller findet die Kristallisierung statt. Das entstandene, feste Aluminiumhydroxid wird nun in einem Drehofen auf ca C erhitzt. Bei diesen hohen Temperaturen wird das Aluminiumhydroxid zum Oxid entwässert: 2 Al(OH) 3 Al 2 O H 2 O. 3) Schmelzflusselektrolyse des Aluminiumoxids a) Schmelzflusselektrolyse Um aus dem gewonnenen Aluminiumoxid Aluminium zu gewinnen, muss man es der Schmelzflusselektrolyse unterziehen. Da der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid bei ca C liegt, löst man es in künstlich hergestelltem Kryolith (Na 3 AlF 6 ) auf. Dadurch wird der Schmelzpunkt erheblich gesenkt. Dieses Verfahren wurde 1886 unabhängig voneinander von dem Franzosen Paul Louis Toussaint Héroult und dem Amerikaner Charles Martin Hall entdeckt und wird bis heute noch benutzt, das Verfahren nennt man Hall-Héroult-Verfahren. Den niedrigsten Schmelzpunkt hat ein Gemisch bestehend aus 81,5% Kryolith und 18,5% Aluminiumoxid, er beträgt ca. 935 C. Dementsprechend wird ein Gemisch aus 15-20% Aluminiumoxid und 80-85% Kryolith hergestellt. Die Schmelztemperatur liegt dann bei ca C. Die Elektrolyse findet in einem 1 x 2 m großem Eisenblechbecken statt, in welches Kohlefutter eingestampft ist, dieses Kohlefutter bildet die Kathode, die an den negativen Pol der Stormquelle angeschlossen ist. Die Anode bilden mehrere Kohlenblöcke, die beweglich über dem Becken aufgehängt werden und an den positiven Pol der Stromquelle an geschlossen sind. Durch den entstehenden Sauerstoff werden diese zersetzt und müssen ständig nachgesenkt werden. Bei einer Spannung von 4-7 V zersetzt sich das Aluminiumoxid: 3

4 2 Al 2 O 3 4 Al + 3O 2. Die positiv geladenen Aluminiumionen Al 3+ wandern in der Aluminiumoxid-Kryolith- Schmelze zur Kathode (Minuspol). Dort werden sie durch die Aufnahme von Elektronen zu Aluminiumatomen reduziert. Die negativ geladenen Sauerstoffatome O 2- wandern in der Schmelze zur Anode (Pluspol). Sie geben dort ihre überschüssigen Elektronen ab und werden zu Sauerstoffatomen oxidiert. Eben diese Sauerstoffmoleküle reagieren mit dem Kohlenstoff der Graphitanode zu Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Diese beiden Gase entstehen in der gleichen Menge und müssen ständig abgesaugt werden. Da das gewonnene, flüssige Aluminium schwerer ist, als die Aluminiumoxid-Kryolith- Schmelze sinkt dieses auf den Boden der Wanne ab und kann von dort mittels eines Saugrohres abgesaugt werden, um anschließend in Barrenform gegossen zu werden. b) Nachteile und Umweltbelastungen der Schmelzelektrolyse Jedoch hat die Schmelzelektrolyse auch ihre negativen Aspekte. Während dem Prozess der Schmelzflusselektrolyse werden umweltschädliche Gase freigesetzt, die abgefiltert werden müssen, um der Umweltbelastung vorzubeugen. Zum einen entsteht an der Anode Fluorgas (F 2 ). Kryolith ist eine künstliche Verbindung, die Fluor enthält, wie aus der Summenformel hervorgeht: Na 3 AlF 6. Da die Fluorionen negativ geladen sind (F 1- ), werden sie an der Anode zu Fluoratomen reduziert. Immer zwei Fluoratome bilden ein Gasmolekül F 2. Eine weitere Gefahr für die Umwelt bildet das Kohlenstoffmonoxid. Es entsteht durch die Reaktion zwischen dem Wasserstoff, der an der Anode entsteht und dem Kohlenstoff der Graphitanode. Graphit besteht nämlich nur aus Kohlenstoff. Zu dem wird an der Anode noch ein weiteres Gas gebildet, das Kohlenstoffdioxid. Es ist ein Treibhausgas und somit ebenfalls schädlich für die Umwelt. Um das Austreten und die Emission dieser Gase zu verhindern, wurden in den letzten Jahren immer bessere Abgasfilter entwickelt, um die Umweltschädigung in Grenzen zu halten. Ein weiterer negativer Aspekt ist der hohe Stromverbrauch, der bei der Gewinnung von Aluminium anfällt. Es wird viel Energie benötigt, um die nötige Temperatur für die Schmelzflusselektrolyse zu erreichen. Zu dem wird so viel Energie benötigt, da 4

5 Aluminium dreiwertig ist, d.h. um 1 mol Aluminium zu erhalten, benötigt man 3 mol Elektronen, also für ein Aluminiumatom werden 3 Elektronen benötigt. c) Potenziell mögliche Prozesse an den Elektroden: Al 2 O 3 Kathode (Reduktion): 2 Al e - 2 Al Anode (Oxidation): 3 O 2-3 O + 6e - Na 3 AlF 6 Kathode (Reduktion): Al e - Al 3 Na e - 3 Na Anode (Oxidation) : 6 F 1-3 F 2 + 6e - Diese Vorgänge kann man sich potenziell an den Elektroden vorstellen, wenn man nur die Summenformeln betrachtet. Lenkt aber zusätzlich seinen Augenmerk auf die Normalpotenziale der einzelnen Stoffe, so erkennt man, dass nicht alle Reaktionen stattfinden können. Normalpotenzial: E 0 (Al) = -1,67 V E 0 (Na) = -2,71 V E 0 (F) = +2,87 V Aluminium ist ein stärkeres Oxidationsmittel als Natrium. Daher scheidet sich an der Anode zunächst das Aluminium ab. Natrium kann sich erst abscheiden, wenn das Aluminium aus dem Becken abgesaugt wurde, da aber ständig neue Aluminiumoxid- Kryolith-Schmelze hinzugefügt wird, ist eher unwahrscheinlich, das eine Abscheidung stattfindet. d) Elektrolytische Zerlegung der Aluminiumoxidschmelze: Kathodenprozess (Reduktion): 2 Al e - 2 Al Primärer Anodenprozess (Oxidation): 3 O 2-3 O + 6e - Sekundärvorgänge: C + 2 O CO 2 und C + O CO Gesamtvorgang: 2 Al O C 2 Al + CO 2 + CO 5

6 e) Schaubild: 4) Verwendung von Aluminium und Eloxalverfahren Da Aluminium ein leicht zu verarbeitendes Material ist, wird es fast überall eingesetzt. Es wird in der Fahrzeugindustrie genutzt, aber auch im Haushalt kommt es zum Einsatz, z.b. die wohl jedem bekannte Aluminiumfolie, auch Silberpapier genannt. Auch Fenster, Türen, Leitern und vieles mehr, wird aus Aluminium gefertigt. Da Aluminium besser leitet als Kupfer und zu dem noch viel leichter ist, werden Fernleitungen und Drähte aus Aluminium benutzt. Um Fenster, Türen etc. vor Korrosion zu Schützen, wendet man das Eloxalverfahren an. Eloxal steht für elektrolytische Oxidation des Aluminiums. Dieses Verfahren dient dazu, die natürliche, dünne Oxidschicht, die Aluminium beim Kontakt mit Luftsauerstoff bildet, zu verstärken. Diese Oxidschicht schützt das Aluminium vor der Oxidation und Zersetzung durch den Luftsauerstoff. Bei diesem Verfahren wird ein Stück Aluminium in eine Elektrolytlösung getaucht, z.b. verdünnte Schwefelsäure. Das Aluminium bildet die Anode, ein Graphitstück bildet die Kathode. Danach legt man Spannung an und an der Anode bildet sich durch die Spaltung von Wasser Sauerstoff. Der Sauerstoff reagiert mit dem 6

7 Aluminium und es bildet sich eine feste Aluminiumoxidschicht, die mit dem Aluminium verbunden ist. Vorgänge an den Elektroden: Anode: 2 Al + 3 H 2 O Al 2 O H + + 6e - 2 Al + 6 OH - Al 2 O H 2 O + 6e - Kathode: 6 H + + 6e - 3 H 2 6 H 2 SO e - 6 SO H 2 O + 3 O 2 5) Quellenverzeichnis Lehrbuch der anorganischen Chemie von Holleman-Wiberg; Auflage; 1964 erschienen, Verlag: Walter De Gryuter & Co.; Seiten: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie von H. R. Christen; 2. Auflage; 1969 erschienen; Verlag: Sauerländer Aarau; Seiten: 427 Encarta Enzyklopädie Professional 2004 DVD; Artikel: Bauxit; Aluminium 7