Aluminium

Aluminium Übung

• Beschreibe die Geschichte der Entdeckung des Aluminiums.

  Tipps

  Aluminium steht in der Borgruppe.

  Aluminium wurde erst sehr spät entdeckt, obwohl es schon länger vermutet wurde.

  Lösung

  Aluminium ist ein chemisches Element aus der dritten Hauptgruppe. Es ist ein Metall und sehr häufig auf der Erde zu finden. Aluminium ist ein sehr junges Element. Jung meint, dass es im Gegensatz zu anderen Elementen erst sehr spät entdeckt und in reiner Form synthetisiert wurde. Bereits 1808 wurde das Aluminium vorhergesagt, konnte aber erst knapp zwanzig Jahre später von Ørsted in unreiner Form hergestellt werden. Wöhler schaffte es bereits zwei Jahre später, beinahe reines Aluminium herzustellen. Aluminium spielt auch in unserer heutigen Gesellschaft eine wichtige Rolle, da es bei zahlreichen alltäglichen Vorgängen benutzt wird. So kann man beispielsweise die Aluminiumfolie oder auch Kabel aus Aluminium nennen.

  Aluminium gehört in die Gruppe der Erdmetalle und ist in der dritten Hauptgruppe, der sogenannten Borgruppe, zu finden. Der Name leitet sich vom lateinischen Alaun ab. Die Oxidationsstufe des Aluminiums ist +III.

• Nenne die Eigenschaften des Aluminiums.

  Tipps

  Eine Dichte von $2,79\quad \frac { g }{ { cm }^{ 3 } } $ charakterisiert kein Schwermetall.

  Aluminium wird oftmals in der Elektrotechnik für elektronische Leitungen verwendet.

  Der Schmelzpunkt von Calcium ist 842 °C.

  Lösung

  Aluminium ist für unsere heutige Gesellschaft ein sehr wichtiges Metall. Aufgrund seines häufigen Vorkommens und seiner hervorragenden Leitfähigkeit wird es in der Elektrotechnik verwendet.

  Der besondere matte Glanz des Aluminiums entsteht durch die sich bildende Oxidschicht auf der Oberfläche. Diese schützt das darunterliegende Aluminium.

  Es ist ein silbriges, unedles Metall, dessen Härte zwischen Gold (weich) und Kupfer liegt. Aufgrund seiner geringen Dichte kann es ebenfalls Leichtmetall genannt werden. Der Schmelzpunkt von 660 °C liegt ebenfalls genau zwischen Zink (419,53 °C) und Calcium (842 °C).

• Nenne die Eigenschaften der Elemente der Borgruppe.

  Tipps

  Je höher die Ordnungszahl, desto höher ist die Dichte.

  Je höher die Ordnungszahl, desto größer wird der Atomradius. Dadurch sinkt der Siedepunkt.

  Je höher die Ordnungszahl, desto weiter „unten" im Periodensystem steht das Element.

  Im Video wird ein Tipp gegeben, an welcher Stelle das Aluminium steht.

  Lösung

  Die korrekte Reihenfolge für die sogenannte Borgruppe, in der sich auch Aluminium befindet, lautet:

  1. Bor (Siedepunkt: 4200 K; Dichte: $2460~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
  2. Aluminium (Siedepunkt: 2740 K; Dichte: $2700~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
  3. Gallium (Siedepunkt: 2477 K; Dichte: $5904~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
  4. Indium (Siedepunkt: 2345 K; Dichte: $7310~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
  5. Thallium (Siedepunkt:1746 K; Dichte $11850~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)

  Um die Elemente korrekt zu ordnen, kann sowohl die angegebene Dichte als auch der Siedepunkt benutzt werden. Die Dichte der angegebenen Gruppe wächst, je weiter man nach unten im Periodensystem in der Gruppe schaut. Bor hat die niedrigste, Thallium die größte Dichte. Gegensätzlich verhält es sich mit den Siedepunkten, hier hat Bor den höchsten, Thallium den niedrigsten. Ebenfalls nimmt der Metallcharakter vom Bor aus gesehen immer weiter zu. Ein Indiz ist die elektrische Leitfähigkeit, die jedoch beim Aluminium am größten ist, und die steigende Dichte.

• Formuliere typische Reaktionen des Aluminiums.

  Tipps

  Salpetersäure hat die chemische Formel ${ HNO }_{ 3 }$.

  Aluminium bildet die Oxidationsstufe +III.

  Lösung

  Die korrekten Reaktionen lauten:

  Aluminium reagiert mit Sauerstoff aus der Luft zu Aluminiumoxid.

  $4Al\quad +\quad 3{ O }_{ 2 }\quad \rightarrow \quad 2{ Al }_{ 2 }{ O }_{ 3 }$

  Dies wird auch als Passivierung bezeichnet, da nur die oberste Schicht des Aluminiums oxidiert wird. Darunter ist das Aluminium rein.

  Aluminium reagiert mit Chlorgas zu Aluminiumchlorid.

  $4Al\quad +\quad 3{ O }_{ 2 }\quad \rightarrow \quad 2{ Al }_{ 2 }{ O }_{ 3 }$

  Hierbei wird das elementare Aluminium durch das Halogen oxidiert, zur Oxidationsstufe +III. Diese Reaktion ist analog zu anderen Halogenen, die mit Aluminium reagieren.

  Aluminium reagiert mit Salpetersäure zu Aluminiumnitrat und Wasserstoff.

  $Al\quad +\quad 3{ HNO }_{ 3 }\quad \rightarrow \quad Al({ NO }_{ 3 }{ ) }_{ 3 }\quad +\quad 1,5{ H }_{ 2 }$

  Salpetersäure ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und kann edle Metall wie Kupfer leicht oxidieren. Aluminium und Zink als unedle Metalle haben eine passivierende Oxidschicht, sodass sie nicht oxidiert werden und das entsprechende Nitrat bilden.

  Aluminium reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid.

  $2Al\quad +\quad 6{ H }_{ 2 }O\quad \rightarrow \quad 2{ Al(OH }_{ 3 }{ ) }_{ 3 }\quad +\quad 3{ H }_{ 2 }O$

  Aluminiumhydroxid enthält Aluminium in der Oxidationsstufe +III. Trocknet man dieses, erhält man erneut Aluminiumoxid.

• Entscheide, in welchen Bereichen Aluminium verwendet wird.

  Tipps

  Wellblech besteht meist aus feuerverzinktem Stahl.

  Lösung

  Aluminium ist ein sehr wichtiger Werkstoff in unserer heutigen Zeit. Aufgrund der sehr großen Vorkommen auf der Erde wird Aluminium für viele verschiedene Produkte genutzt. So wird es in der Elektrotechnik für Kabel genutzt, da es unter den Metallen ein sehr guter Leiter ist. Nur Kupfer und Silber, welche jedoch recht teuer sind, leiten den Strom besser. Ebenfalls wird das Aluminium für Antennen benutzt. In der Optik wird geschliffenes Aluminium beispielsweise als kostengünstiger Edelstahlersatz verwendet. Für den Antrieb von Feststoffraketen wurde ebenfalls Aluminium verwendet.

• Beschreibe die Eigenschaften der Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnnug von reinem Aluminium.

  Tipps

  Ohne Kryolith hätte das Aluminiumoxid eine Schmelztemperatur von über 2000°C.

  An der Anode findet die Oxidation statt.

  Die beiden Elektroden bestehen aus Graphit (Kohlenstoff). Dieser würde mit elementarem Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid reagieren.

  Lösung

  Die Schmelzflusselektrolyse ist ein wichtiges Verfahren, um die sonst elektrochemisch eher schwer zu gewinnenden „unedlen" Metalle, die weit unten in der elektrochemischen Spannungsreihe stehen, zu gewinnen. Auch Fluor und Chlor, die nicht mit Sauerstoff zu oxidieren, müssen auf diese Weise gewonnen werden.

  Im ersten Schritt wird ein Gemisch aus Kryolith und Aluminiumoxid hergestellt (90:10). Dies geschieht, da Aluminiumoxid eine sehr hohe Schmelztemperatur hat, die durch das Kryolith gesenkt wird. Ist das Aluminium nun in Lösung, wird ein Strom angelegt und die jeweiligen Ionen wandern zu den Elektroden. Die positiv geladenen Aluminium-Ionen wandern zur negativ geladenen Kathode. Dort nehmen sie Elektronen auf, werden zu elementarem Aluminium und sinken aufgrund ihrer höheren Dichte nach unten im Tiegel. Dort kann das Aluminium abgesaugt werden. Die negativ geladenen Oxid-Ionen wandern zum Pluspol, der Anode. Dort werden sie zu Sauerstoff oxidiert, der jedoch direkt mit dem Graphit der Elektrode zu Kohlenstoffdioxid reagiert.