Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Aluminium - Gewinnung und Verwendung (4)
Im letzten Beitrag wurden Nichteisenmetalle in die Kategorien Schwer- und Leichtmetalle unterschieden sowie die Eigenschaften von Aluminium betrachtet. Die energieträchtige Herstellung von Aluminium sowie dessen Verwendungsmöglichkeiten bilden die Schwerpunkte dieser Ausführungen.
Geschichte
Im Jahre 1782 vermutete der französische Chemiker Lavoisier als erster, dass es sich bei Alaunerde (kristallisiertes, wasserhaltiges, schwefelsaures Doppelsalz von Kalium und Aluminium) um die Sauerstoffverbindung eines bislang unbekannten Elements handle. Dem englischen Chemiker Humphry Davy gelang es erstmals, durch Elektrolyse geschmolzener Pottasche Elemente wie Kalium oder Magnesium darzustellen. Lange Zeit versuchte er auch die Darstellung des „neuen“ Elements. Im Jahre 1807 führte er die Namensvarianten „alumium“, „aluminum“ und „aluminium“ ein, von welchen die letzten beiden im Englischen bis heute nebeneinander fortbestehen. Die Darstellung von Aluminium glückte schließlich 1825 dem Dänen Hans Christian Ørsted durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl3) mit Kaliumamalgam, wobei Kalium als Reduktionsmittel diente. 1827 gelang es dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler reineres Aluminium zu gewinnen.
Gewinnung von Primäraluminium
Aluminiummetall wird elektrolytisch aus einer Aluminiumoxidschmelze hergestellt. Da diese aus den auf der Erde überall vorkommenden Alumo-Silikaten nur schwer isoliert werden können, erfolgt die großtechnische Gewinnung aus dem relativ seltenen, silikatärmeren Bauxit. Vorbereitung Das im Bauxit enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch wird zunächst mit Natronlauge aufgeschlossen (Bayer-Verfahren, Rohrreaktor- oder Autoklaven-Aufschluss), um es von Fremdbestandteilen wie Eisen- und Siliciumoxid zu befreien. Anschließend wird es überwiegend in Wirbelschichtanlagen zu Aluminiumoxid (Al2o3) gebrannt. Schmelzflusselektrolyse Die Herstellung des Metalls erfolgt in Aluminiumhütten durch Schmelzflusselektrolyse (Bild). Der Franzose Paul Louis Toussain Heroult und der Amerikaner Charles Martin Hall hatten unabhängig voneinander entdeckt, dass sich Tonerde in geschmolzenem Kryolith (Na3AIF6) auflöst und elektrolytisch in rohes, geschmolzenes Metall und Nebenprodukte zerlegen lässt (Hall-Heroult-Verfahren). Für diesen Prozess wird zur Herabsetzung des Schmelzpunktes das Aluminiumoxid zusammen mit Kryolith geschmolzen (Eutektikum bei rund 950 °C). Der Zusatz von Kryolith senkt nicht nur die Schmelztemperatur, sondern erhöht auch die Leitfähigkeit und Stromausbeute, dabei wird Kryolith nur sehr gering zersetzt. Die beschriebene Durchführung erfolgt in Stahlblechwannen, in die Stahlschienen zur Stromzuführung eingelagert sind. Die Seitenwände und der Boden sind mit Kohle ausgekleidet und bilden die Kathode. Kurze Kohlenblöcke, die an einem Tragegerüst hängen, wirken als Anode. Während der Elektrolyse entsteht an der Kathode Aluminium:
4 AI3+ + 12 e-→ 4 AI.