Aluminium
Aluminium (lat. aluminium) ist ein chemisches Element in der Periodischen Tabelle der Elemente, das das Symbol Al und die Protonenzahl 13 hat. Es gehört zu den Metallen mit geringer Dichte. Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdrinde (8,13 %). Nur Sauerstoff mit 46,60 % und Silizium mit 22,72 % sind darin in größerem Umfang vertreten. Mit anderen Elementen bildet es zahlreiche Verbindungen, die in beträchtlichem Maße zur Struktur der Erdrinde beitragen. Die größte Gruppe bilden Silikate und Aluminosilikate (Kaolinit), die auch seine wichtigsten Vorkommen sind. Die wichtigste Rohstoffquelle ist Bauxit Al2O3 . nH2O, außerdem kommt es in Form von Aluminiumoxid und als Mineral Korund vor.
Geschichte
Aluminium wurde im Jahr 1827 von dem deutschen Chemiker und Arzt Friedrich Wöhler entdeckt. In dieser Zeit war Aluminium ein seltenes Metall. Es wurde dekorativ verwendet. Auf den Uniformen der Soldaten der Armee Napoleons III. glänzten Knöpfe aus Aluminium. Sein Preis sank, als in Schweiz die erste Aluminiumfabrik gebaut wurde. Aufgrund seiner Leichtigkeit begann es Eisen und andere Metalle zu ersetzen. Die größte Anwendung hat es dort, wo eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht erforderlich ist - Luftfahrtindustrie, Verkleidungspaneele, Druckgussbauteile hauptsächlich für die Automobilindustrie...
Vorbereitung der Rohstoffe
Die Grundlage für die Aluminiumherstellung ist reiner Aluminiumoxid Al2O3, der durch Reinigung von Bauxit gewonnen wird, der oft durch verschiedene Oxide verunreinigt ist, hauptsächlich Oxide Titan, Eisen und Silizium. Der Reinigungsprozess von Bauxit erfolgt mit Natriumhydroxid unter Druck. Zu diesem gereinigten Al2O3 werden Kryolith Na3[AlF6] und Fluorit CaF2 hinzugefügt, um die Schmelztemperatur zu senken. Um Aluminiumoxid von Eisenhydroxid zu trennen, wird auch der amphotere Charakter von Aluminiumhydroxid Al(OH)3 genutzt. Eisenhydroxid hat keinen amphoteren Charakter und löst sich daher nicht in alkalischem Hydroxid. Daraus folgt, dass, wenn man alkalisches Hydroxid hinzufügt, z. B. Kaliumhydroxid KOH, nur Al(OH)3 gelöst wird. Das entstandene Filtrat enthält Aluminiumkationen Al3+, die sich einfach wieder in Aluminiumhydroxid umwandeln lassen. Aus diesem kann durch Trocknung Aluminiumoxid gewonnen werden.
Herstellung
Die Schmelze erfolgt in einer elektrischen Schmelze durch den elektrolytischen Prozess. Bei Elektrolyse wird Gleichstrom verwendet. Elektroden sind aus einer Mischung Kohle, Koks und Asche hergestellt. Kathode sind Platten, mit denen die Wände des Ofens ausgekleidet sind, Anode ist ein Bündel von 6 bis 12 kohlenstoffhaltigen Elektroden (Graphitstäbe). Die Schmelze besteht aus einer 20%igen Lösung von Al2O3, die der Elektrolyse unterzogen wird. Es kommt zur chemischen Reaktion: Elektrolyse der Schmelze.
- Al2O3 → 2Al3+ + 3O2−
Der Sauerstoff wird aus den kohlenstoffhaltigen Elektroden extrahiert, der sofort mit Kohlenstoff reagiert und Kohlendioxid CO2 bildet. An den Kathodenplatten, mit denen der Ofen ausgekleidet ist, wird reines Aluminium in Form von Schmelze isoliert. Diese wird später in Tonformen gegossen. Die Herstellung von Aluminium ist energieintensiv.
Amphoteres Verhalten von Al, Al2O3 und Al(OH)3
Amphoteres Verhalten bedeutet, dass es sowohl mit Säuren als auch mit Basen reagiert.
- Reaktion mit Hydroxid-Anion OH-
Al3+ → Al(OH)3 (S) → [Al(OH)4]-
Al(OH)3 (S) - entsteht ein weißer Trübung
- Reaktion mit Kation H3O+
[Al(OH)4]- → Al(OH)3 (S) → AI3+
Herstellung in der Slowakei
Im Bereich der Hlinikáreň in Žiari nad Hronom im Unternehmen Slovalco, (Hauptaktionär Hydro) wird Aluminium und seine Legierungen zur weiteren Verarbeitung hergestellt.[1] Beispielsweise stellt das Unternehmen Hydro Extrusion Slovakia Aluminiumbleche, gepresste Profile und Bausysteme her und verkauft sie.[2] Weitere Unternehmen, die in Žiar tätig sind, sind Hersteller und Lieferanten im Automobil-, Konsum- und Baubereich: Nemak, Fagor Ederlan Slovakia, Thermosolar.
In der Slowakei wurden Technologien für die industrielle Serienfertigung verschiedener Bauteile aus Aluminium Metallfoam von Wissenschaftlern unter der Leitung von František Simančík am Institut für Materialien und Maschinentechnik der Slowakischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Diese Technologien sind durch weltweite Patente geschützt.[3]
Eigenschaften und Anwendung
Aluminium ist korrosionsbeständig und brennt zu Aluminiumoxid Al2O3 ab. In allen Umgebungen außer in sauren ist es harmlos, in sauren löst es sich auf (sauerer Kohlensalat, Tee). Aufgrund der toxischen und krebserregenden Wirkungen (ersetzt Metalle in Metalproteinen) ist die Verwendung von Aluminiumgeschirr verboten.
Es wird hauptsächlich bei der Aluminothermie verwendet - es ist eine Methode zur Gewinnung von Metallen aus ihren Oxiden, wobei die reduzierende Fähigkeit von Aluminium genutzt wird.
z. B. Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe
Weitere Anwendung von Aluminium - Herstellung von Alobalen, bei der Herstellung von Polyethylen und Legierungen.
Herstellung von Legierungen hat Anwendung in der Metallurgie bei der Herstellung von Transportmitteln und verschiedenen leichten Konstruktionen.
Die bekannteste Aluminiumlegierung ist Dural (von engl. durable aluminium), was eine Aluminiumlegierung mit Kupfer und Magnesium (Al-Cu4-Mg) ist. Die Hauptanwendung von Dural war in der Luftfahrtindustrie. In der Vergangenheit fand es seinen Platz bei der Herstellung von Haushaltsgegenständen, wie Besteck und Geschirr - es wurde durch das teurere Antikoro ersetzt. Es wird oft in der Elektrotechnik verwendet, aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und niedrigeren Kosten im Vergleich zu Kupfer, wobei aus Aluminiumlegierungen Leiter hergestellt werden. Es wird in Kabeln für Hochspannungsnetze (Elektrorozvodná sieť) verwendet. In Wohnungs- Verkabelungen wurde es Ende der 80er Jahre nicht mehr verwendet. Der Grund ist, dass Aluminium unter Druck „abfließt“ - elektrische Verbindungen mit Aluminiumleitern müssen nachgezogen werden, andernfalls kommt es im Laufe der Zeit zu einem Verlust des elektrischen Kontakts. Es wird auch seine sehr gute Wärmeleitfähigkeit zur Herstellung verschiedener Kühler und Wärmetauschern genutzt. Im Bauwesen wird es zur Herstellung von Verkleidungspaneelen verwendet. Aluminium ist wenig widerstandsfähig gegen Wettereinflüsse, daher muss die Oberfläche verändert werden - Anodisieren (elektrochemisch wird auf seiner Oberfläche eine Schicht Oxid gebildet, die widerstandsfähig ist und gefärbt und poliert werden kann).
Zusätzlich werden Edelstein- Sorten Korund Al2O3 - Rubin und Zafir genutzt. Al2O3 dient auch zur Herstellung von Schmirgelpapier.
In der Medizin wird z. B. Aluminiumacetat Al(CH3COO)3 - Salz der Essigsäure; als Salbe gegen Entzündungen verwendet.
Ein weiterer bedeutender Bereich ist die Keramikindustrie - Herstellung von Porzellan und grober Keramik. Der Grundbestandteil ist Kaolin (enthält das Mineral Kaolinit). Porzellan entsteht durch Brennen einer Mischung aus Kaolin und zerkleinertem Tuff mit Quarz (bekannt ist das Karlsbad-Porzellan). Aus grober Keramik werden z. B. feuerfester Material, Dachziegel, Tongeschirr, Blumentöpfe, Rohre usw. hergestellt.
Salze von Al3+ finden sich im Trinkwasser, in Medikamenten (Acylpyrin, Superpyrin - reduzieren die Reizung des Magens), in Backpulver, auf gefrorenen Früchten und Gemüse (aus ästhetischen Gründen), in Schlagsahnespender, in getrocknetem Milchpulver, Instant-Kaffee usw.
In der Industrie ist die Herstellung von Metallfoam, sogenannten Aluminiumfoam, von Bedeutung, das einen vorteilhaften Verhältnis von Steifigkeit zum Gewicht hat (z. B. eine Platte aus Aluminiumfoam im Vergleich zu einem Aluminiumblech gleicher Masse hat eine deutlich höhere Biegesteifigkeit). Das Foam ist besser zur Dämpfung von Vibrationen und Lärm, der durch Schwingungen des Bauteils entsteht, als bei der Gussform aus festem Aluminium.