Aluminium

Aluminium zählt zu den Nichteisenmetallen, die besonders viele signifikante Eigenschaften vorweisen können. Aufgrund seiner Gitterstruktur lässt es sich sehr gut kalt und warm umformen. Ferner bildet es, sobald es mit Sauerstoff in Berührung kommt, eine Oxidschicht mit geringer chemischer Beständigkeit. 

Elektrolyse-Bäder in Alu-Hütte

Aluminium als Baustoff:

Aluminium als Baustoff

Verfahrensschritte der Aluminiumerzeugung

Um Aluminium herstellen zu können, gilt es zuerst Aluminiumoxid nach dem Bayerverfahren zu generieren. Der verwendete Ausgangsstoff ist hierbei Bauxit, mit einem $ Al_2O_3 $-anteil von ca. 50 %. Zur Gewinnung des $ Al_2O_3 $ wird das Bauxid in heiße Natronlauge überführt, wo sich alle Aluminiumanteile als Natriumaluminat lösen. Das als Nebenprodukt entstehende Oxid $ Fe_2O_3 $ setzt sich parallel dazu als Rotschlamm ab. Aus der entstandenen Aluminiumlauge kann nach der Kühlung und paralleler Verdünnung ein reines Aluminiumhydroxid durch Ausfällung gewonnen werden. Um diesen sehr langwierigen Prozess zu beschleunigen, verwendet man Fremdkeime [$ Al(OH_3)$ -Teilchen]. 

Setzt man das $ Al(OH_3) $ einer Prozesstemperatur von ca. 1300°C aus so wird es zu $ Al_2O_3 $ calciniert [entwässert und chemisch umgewandelt].

Im nächsten Schritt wird das gewonnen $ Al_2O_3 $ durch eine Elektrolyse reduziert. Der Vorgang erfolgt im schmelzflüssigen Zustand bei 1000 °C (siehe auch Abschnitt Schmelzflusselektrolyse). Während des Vorgangs wird dem Elektrolyt $ [Na_3[AlF_6] ]$ zusätzlich $ Al_2O_3 $-Pulver [ca. 10 %] zugefügt.

Darstellung der Elektrolyse zur Aluminiumgewinnung

In der nachfolgenden Grafik ist die Gestaltung einer Elektrolysezelle verbildlicht:

Herstellung von Aluminium

Die abgebildete Anode [Stecker] und Kathode [Wannenboden] bestehen aus Kohlenstoff und werden unter eine Spannung von 6 V gesetzt. Dadurch sammelt sich an der Kathode Aluminium mit einer Reinheit von bis zu 99,9 % an und der Sauerstoff bindet sich an die Anode. Gerade die Anbindung des Sauerstoffs erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit des gesamten Prozesses und sorgt gleichzeitig für eine ausreichende Durchmischung des Elektrolyts. Währenddessen bildet sich auch die oben erwähnte Oxidschicht.  Diese Kruste wird dann zweitweise durchstoßen und das Reinaluminium mit einer Art metallischem Strohhalm abgesaugt.

Fakten und Wissenwertes rund ums Aluminium

• Geringe Dichte mit $ 2,7 \frac{g}{cm^3} $
• ausreichende Festigkeit, E-Modul: $ 71 GPa $
• gute Korrosionsbeständigkeit,
• uneingeschränkte Verarbeitbarkeit,
• hohe elektrische Leitfähigkeit,
• hohe Wärmeleitfähigkeit mit $ 37,7 \cdot 10^{-6} \frac{Sm}{mm^2} $
• Gitterstruktur: kfz,
• Schmelzpunkt liegt bei $ 660 °C $,
• dritthäufigste Element in der Erdkruste,
• vergleichsweise günstig

Anwendungsgebiete für Aluminium

• Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffsbau
• Bauwesen
• Maschinenbau allgemein
• Verpackung
• Elektroindustrie