Opdracht ANW

Geschreven door:	anoniem [meer]
Datum ingestuurd:	25 maart 2002
Niveau:	4 vwo
Woorden:	1411
Opvragingen:	3967 (18 deze maand)
Waardering:	Currently 2.87/5 1 2 3 4 5 2.9/5 (23 stemmen)

Download dit verslag in PDF-formaat

De ontdekking van aluminium

In 1745 wist Marggraf aluminiumhydroxyde te bereiden. In 1809 en 1810 deden Berzelius en Davy een poging om het element in zuivere toestand af te scheiden. Zij hadden geen succes. Bauxiet is de delfstof waaruit aluminium wordt bereid. In 1822 werd door de Franse scheikundige Paul Perthier bauxiet ontdekt in de omgeving van Les Baux-de-Provence. In 1827 bereidde Fr. Wöhler uit het oxyde enige korrels aluminium, maar het product was chemisch onzuiver. In zuivere vorm werd het metaal bereid door de Fransman Sainte-Claire Deville. In 1886 slaagden de Amerikaan CH. M. Hall en de Fransman Héroult onafhankelijk van elkaar erin het metaal langs elektrolytische weg te winnen, waardoor de productiekosten aanzienlijk daalden. Dit is dan ook de reden waarom het zo lang duurde voordat aluminium in grote hoeveelheden gemaakt kon worden.

Enkele eigenschappen van aluminium

Aluminium is het derde element naar voorkomen in de aardkorst. Na zuurstof en silicium komt het het meest voor: 7,5%. De belangrijkste delfstof is bauxiet. De naam ‘aluminium’ is afgeleid van het Latijnse ‘alumen’, wat bitter betekent.
Aluminium is een zilverwitkleurig zacht metaal, het is licht van gewicht en een zeer onedel metaal. Hoewel het een zeer onedel metaal is, blijft het aan de lucht vrijwel onveranderd, doordat een oppervlakkig oxydelaagje het onderliggende metaal beschermt. Wordt de vorming hiervan belet, bijvoorbeeld door het metaal even te amalgameren met een sublimaat oplossing of met metallische kwik, dan wordt het aluminium zeer snel. Wrijft men een stukje aluminium met sublimaatpoeder, dan ontstaat aluminiumamalgaam. De eerste glanzende plek wordt spoedig dof en er ontstaan vezelachtige draden van aluminiumhydroxyde.

Ook bij verhitting aan de lucht, in vaste of gesmolten toestand, wordt aluminium ten gevolge van het oxydelaagje weinig aangetast. Wordt het in poedervorm in vochtige lucht opgewaaid, dan kan het leiden tot hevige stofexplosies.
Er kunnen tal van oxyden van metalen, zoals chroom, mangaan, titaan, borium, silicium en vanadium met behulp van aluminiumvijlsel tot metaal worden gereduceerd.

Aluminium lost onder vorming van aluminaat en waterstofontwikkeling op in alkalische oplossingen, vooral bij verhitting. Door geconcentreerd zwavelzuur of geconcentreerd salpeterzuur wordt het bij gewone temperatuur weinig aangetast. De verdunde zuren werken sterker in. In zoutzuur van alle concentraties lost het echter snel op. Ook in verdunde organische zuren lost aluminium op, vandaar dat aluminium pannen en dergelijke slijten bij de bereiding en bewaring van zure gerechten . Dit kan overigens voorkomen worden door het aanbrengen van een beschermend oxydelaagje. Hoe zuiverder het aluminium, hoe geringer de aantasting.
In compacte vorm wordt aluminium niet door water aangetast. In water met een hoog chloridegehalte kan de oxydelaag plaatselijk worden geperforeerd. Is het metaal voldoende dik dan stopt deze aantasting meestal vanzelf door het dikker worden van de oxydelaag.

Veel gesteenten en kleisoorten bevatten aluminiumverbindingen. De voornaamste verbindingen zijn aluminiumoxyde, -hydroxyde, -chloride, - sulfaat, -silicaat en -acetaat.

Andere kenmerkende eigenschappen van aluminium:
Symbool: Al
Atoomnummer: 13
Atoomgewicht: 26,98154
Dichtheid: 2702 kg/m³
Smeltpunt: 660,37° Celsius
Kookpunt: 2467° Celsius
Kristalstructuur: kubist
Soortelijke weerstand voor elektriciteit: 0,0265 Ω ∙ mm²/m
Aluminium is een goede warmte en electriciteit geleider. Ook is het niet-magnetisch en makkelijk vervormbaar. Het lichte gewicht en de redelijke sterkte maken aluminium tot een van de belangrijkste technische materialen.


Productie van aluminium uit erts en de hoeveelheid energie die daarvoor nodig is

Bij het produceren van aluminiumoxyde uit bauxiet wordt in de hele wereld het bayerproces toegepast. Het bauxiet wordt in kleine stukken gebroken, gedroogd, gemalen en met natronloog gemengd. Dan wordt het in een autoclaaf (vat waarvan de inhoud onder drukverhouding kan worden verhit) ontsloten bij een temperatuur van 235 à 250° Celsius, waarbij druk, loogconcentratie en tijdsduur afhankelijk zijn van de soort en vindplaats van het bauxiet. Tijdens dit proces gaat het in het bauxiet aanwezige aluminiumoxyde in oplossing als natriumaluminaat. De andere bestanddelen van het bauxiet, waaronder ijzer-, mangaan- en het grootste deel van het siliciumoxyde, blijven onopgelost achter en worden door filtreren uit de oplossing verwijderd.
Door afkoelen, verdunnen en enten van de oplossing met poedervormig aluminiumhydroxyde wordt het grootste deel van het opgeloste aluminiumoxyde afgescheiden als aluminiumhydroxyde. Het nog in de vloeistof opgelost gebleven aluminiumoxyde is niet verloren, maar wordt na het op de juiste concentratie brengen van de loog aan het begin van het proces weer gebruikt. Het verkregen aluminiumhydroxyde wordt zorgvuldig gewassen en in lange roterende buisovens gegloeid bij 1200° C-1300° C, zodat al het aanhangende en chemisch gebonden water verwijderd wordt.
Het verkregen product is aluminiumoxyde met, afhankelijk van de soort bauxiet, geringe verontreinigingen. In ongelegeerd aluminium van normale handelskwaliteit worden deze verontreinigingen teruggevonden als silicium, ijzer, mangaan en koper met een totaal gehalte van 0,005% tot 0,35%.

Om aluminiummetaal uit het aluminiumoxyde te bereiden lost men het aluminiumoxyde eerst op in gesmolten kryoliet. Het natuurlijke kryoliet kan de wereldbehoefte niet dekken, daarom bereidt men eerst kunstmatig kryoliet. Bij de elektrolyse gaat circa 30 gram per kg geproduceerd aluminium
verloren. Men voegt 1-8% aluminiumoxyde aan het gesmolten kryoliet toe en krijgt dan een oplossing met een smelttemperatuur van 950-970° C. In de loop van de elektrolyse verandert de samenstelling van de oplossing. De reductie van aluminiumoxyde vindt plaats in met gelijkstroom bedreven elektrolyse-ovens. Dit zijn met koolblokken beklede stalen vaten, waarin tijdens het proces vrijkomende gesmolten aluminium met deze koolbekleding fungeert als kathode. Ook worden koolblokken toegepast bij anode. De koolblokken reageren met de uit het oxyde vrijkomende zuurstof onder vorming van kooldioxyde en een gering deel koolmonoxyde. Het verbruik van elektrodekool tijdens het proces is zeer hoog; per kg aluminium circa 0,43 kg. Tijdens het proces wordt het mengsel van aluminiumoxyde en kryoliet steeds armer aan aluminiumoxyde. Er moet dus af en toe nieuwe oxyde toegevoegd worden. Het afgescheiden aluminium heeft een iets hogere relatieve dichtheid dan het mengsel en verzamelt zich in gesmolten toestand op de bodem, waar het met tussenpozen wordt afgetapt en uitgegoten tot broden, bestemd tot hersmelting, of tot blokken bestemd voor walsen of extrusie. De zuiverheid van het aluminium is maximaal 99,9%. De normale handelskwaliteit is meestal 99,7-99,5%. Aluminium met een zuiverheid van 99,9% is te bereiden met behulp van het zogenaamde drielagen-elektrolyseproces.

De elektrolyse van aluminiumoxyde vereist zeer veel electrische energie. De moderne elektrolysebedrijven bezitten ovens voor 150000 A en hoger bij een badspanning van 4-6 V. Voor de vestiging van een aluminiumindustrie moeten dan ook goedkope energiebronnen ter plaatse zijn zoals waterkracht, aardgas en kernenergie.
Voor de massaproductie van aluminium uit erts, is per ton aluminium circa 22000 kW electriciteit nodig, wat bijna 50% van de productiekosten uitmaakt. Het aluminium heeft een zuiverheid van circa 99,6%.

Toepassingen

Na ijzer wordt van alle metalen aluminium het meest toegepast als constructiemateriaal, voornamelijk op grond van zijn geringe relatieve dichtheid. Ongelegeerd aluminium is niet zo sterk, maar door toevoeging van geringe percentages van andere metalen is, een aantal legeringen ontwikkeld met een sterkte die aanzienlijk hoger is dan die van normaal constructiemateriaal. Deze combinatie van laag gewicht en hoge sterkte is aantrekkelijk voor de constructies waarbij transportenergie een belangrijke kostenpost is. Zoals bijvoorbeeld bij vliegtuigen, spoorwagons, auto’s en schepen. Ook bij producten waar het in hoofdzaak draait om comfort wordt vaak aluminium gebruikt, zoals bijvoorbeeld bij draagbare apparatuur zoals stofzuigers, schrijfmachines, huishoudelijke apparaten enz.

Het normale ongelegeerde handelsaluminium wordt vooral toegepast als er hoge eisen aan de corrosievastheid worden geëist, maar geen of lage eisen aan de sterkte gesteld worden. Zoals bijvoorbeeld in keukengerei, bekleding van pijpleidingen, apparaten voor de voedselindustrie en de chemische industrie, capsules voor flessen en vele soorten verpakkingsmaterialen.
Als er geen hoge corrosievastheid vereist is, wordt aluminium met een zuiverheidsgraad van 99,8-99,9% toegepast. Bijvoorbeeld in de chemische industrie voor opslag en het transport van agressieve procesvloeistoffen.

Zeer zuiver aluminium, met een zuiverheidsgraad van 99,99%, dat twee- à driemaal zo duur is als normaal handelsaluminium, wordt gebruikt indien men een hoge glans wenst, onder andere bij het aluminiseren van spiegels, sieraden, sierlijsten en grilles van auto’s. Om het nadeel van lage sterkte tegen te gaan, wordt vaak 0,5-1% magnesium toegevoegd.

Verder wordt aluminium veel toegepast in de bouwkunde voor bijv. dakbedekking en schuifdeuren; in dunne laagjes op ijzeren voorwerpen om roestvorming tegen te gaan; uitgewalst als verpakkingsmateriaal zoals bijvoorbeeld tubes en folie; tot draad getrokken in de elektrotechniek; als vijlsel of fijn poeder voor de reductie van tal van metaaloxiden tot metaal, voor de bereiding van springstoffen en vuurwerk en gemengd met lijnolie of lak als roestwerende lak.

Recyclen

Aluminium is vrij gemakkelijk te recyclen. Met speciale grote magneten wordt het aluminium uit het afval gehaald. Dit heet secundaire productie. Dan kan het aluminium weer gesmolten worden en tot allerlei vormen gegoten worden. Van de 22 miljoen ton aluminium dat geproduceerd wordt over de gehele wereld, wordt 7 miljoen ton gerecycled. Gelukkig stijgt dat aantal snel!