Aluminium

INLEIDING

Deze practische opdracht is voor het vak ANW. Ze zal over aluminium gaan. We hebben met plezier aan deze opdracht gewerkt en hopen dat dit ook aan het werkstuk is te zien. Even een korte inleiding over aluminium. Marggraf had in 1754 aluminiumhydroxide weten te bereiden. In 1809 en 1810 deden Berzelius en Davy pogingen om het element zuiver te maken maar zij hadden geen succes. In 1825 lukte het Orsted niet om er een zuiver product van te maken. Ten slotte slaagde Wöhler in 1827 in de bereiding van het zuivere metaal door reductie van aluminiumchloride met kalium. In1886 slaagden Ch.M.Hall en P.L.T. Héroult onafhankelijk van elkaar erin het metaal te winnen dmv elektrolyse, waardoor de productiekosten behoorlijk daalden. Aluminium is na ijzer het belangrijkste metaal voor de industrie. Het is erg ligt, goed bestand tegen corrosie en gemakkelijk te vervormen. Kortom je kunt het bijna overal gemakkelijk voor gebruiken.

DE GRONDSTOF VAN ALUMINIUM
De grondstof van aluminium is tegenwoordig bauxiet (vroeger was er ook kryoliet). Bauxiet is een grijze tot rode, harde of zachte, vormloze tot fijn kristallige massa van verschillende mineralen. Bauxiet ontstaat door verwering van kalksteen en dolomiet (kalkbauxieten), leien, schisten, enz. in een zeer lange tijd en onder bepaalde chemische omstandigheden, klimaat, en vormen in tropische gebieden. Hier lossen dan kalium- en siliciumbestanddelen op en blijft aluminiumoxyde achter. Bauxiet bestaat dan ook uit aluminiumoxyde, ijzeroxyde, water en silicaten. De belangrijkste landen waar bauxiet wordt gewonnen zijn: Jamaica, Suriname ,Guyana, Australië, USSR, China, enkele landen rond de Middellandse Zee en Afrika Guinee.

VAN BAUXIET NAAR ALUMINIUM
Om bauxiet in aluminium om te zetten zijn twee stappen nodig: -het verkrijgen van zuiver Al2o3 (toonaarde) In de hele wereld wordt hiervoor het bayerproces toegepast. Het bauxiet wordt in kleine stukjes gebroken, gedroogd, gemalen en met natronloog gemengd. Vervolgens wordt het met een temperatuur van 235°C tot 250°C verwarmd. Hier is de druk, loogconcentratie en tijdsduur afhankelijk van het soort en de vindplaats van de bauxiet. Tijdens dit proces lost het aluminiumoxide op als natriumaluminaat. De andere bestanddelen van het bauxiet, waaronde ijzer-, mangaan- en het grootste deel van het siliciumoxide, blijven onopgelost achter. Dit wordt rode modder genoemd en wordt door filtratie uit de oplossing verwijderd. Door afkoelen, verdunnen en enten van de oplossing met poedervormig aluminiumhydroxide wordt het grootste deel van het opgeloste aluminiumoxide afgescheiden als aluminiumhydroxide. Het aluminiumoxide dat nog in de vloeistof is opgelost 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 aluminiumhydroxide wordt zorgvuldig gewassen en in lange draaiende buisovens gegloeid bij1200°C-1300°C, zodat al het aanhangende en chemisch gebonden water verwijderd wordt: 2Al(OH)3→Al2O3+3H2O. Het product wat je nu overhoudt is aluminiumoxide met, afhankelijk van de soort bauxiet, weinig verontreinigingen.

-elektrolyse
Omdat Al2O3 een smeltpunt heeft van 2040°C, is direct smelten economisch en technisch niet mogelijk. Daarom lost men het aluminiumoxide op in gesmolten kryoliet dat maar een smeltpunt heeft van 970°C. Dit mengsel met een gehalte van 18,5% Al2O3 heeft dan een smeltpunt van 935°C. Het natuurlijke kryoliet, Na3AlF6, komt niet genoeg in de wereld voor zodat men eerst kunstmatig kryoliet door de natriumaluminaatoplossing van het bayerproces te behandelen met waterstoffluoride (of door een mengsel van Al2O3 en NaCl in HF op te lossen). Weliswaar gaat bij de elektrolyse geen kryoliet verloren in het begin, maar in de praktijk verlies je ca. 30g per kg geproduceerd aluminium. De reductie van aluminiumoxide vindt plaats in elektrolyseovens (met gelijkstroom). De elektrolyse-oven is een stalen vat dat met koolblokken bekleed is. Het vrijgekomen gesmolten aluminium met deze koolbekleding vormen samen de kathode (negatieve elektrode). Als anode (positieve elektrode) worden ook de koolblokken gebruikt maar dan samen met het uit het oxide vrijgekomen zuurstof. Vooral worden tegenwoordig anoden gebruikt die uit blokken met zuivere en goed geleidende koolstof, gemengd met teer of pek bestaan. Deze zijn dan in een speciale oven gebrand om de vereist hardheid en vorm te krijgen. Tijdens het proces wordt het mengsel van aluminiumoxide en kryoliet steeds armer aan Al2O3, dus moet er steeds nieuwe oxide 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, waar het hersmelt of om er verschillende vormen van te met maken (dmv extrusie). De zuiverheid kan zo maximaal 99,9% worden. Om aluminium met een zuiverheid van 99,99%te krijgen moet je een zgn., drielagen-elektrolyseproces uitvoeren. Maar de normale handelskwaliteit is meestal 99,5%-99,7% dus een drielagen-elektrolyseproces is niet vaak nodig.

HET NADEEL VAN ISOLATIE VAN ALUMINIUMOXIDE
De elektrolyse van aluminiumoxide kost erg veel elektrische energie. De moderne elektrolysebedrijven bezitten ovens met 150000A en hoger. Bij een badspanning van 4-6V; voor 1kg aluminium is ca. 14kWh nodig. Voor de vestiging van een aluminiumindustrie moeten dan ook goedkope energiebronnen ter plaatse aanwezig zijn (waterkracht, aardgas, kernenergie). Dit heeft tot gevolg dat de prijs aardig stijgt. Het is dus erg nadelig voor de consument maar ook voor de producent. Hij voorkoopt hierdoor minder aluminium zodat zijn omzet lager zal zijn wanneer aluminium goedkoper is. Dit heeft met de elasticiteit van aluminium te maken.

DE CHEMISCHE EN FYSISCHE EIGENSCHAPPEN
Aluminium is een zilverwit metaal met een smeltpunt van 920 K-930 K en een massa van 2700kg/m3. Aluminiumlegeringen men enkele procenten van andere metalen behoren tot de lichtste constructiematerialen. De treksterkte, hardheid en vervormbaarheid van deze legeringen variëren enorm. Aluminium heeft van alle metalen het hoogste reflectievermogen voor licht. Rond 90% van het opvallende licht wordt teruggekaatst. Chemisch behoort aluminium tot de onedele metalen. Het staat in de spanningsreeks tussen zink en magnesium in, maar de sterke oxydehuid beschermt het metaal onvoldoende. Aluminium is driewaardig. Wel zijn er enkele eenwaardige verbindingen bekend, maar die komen alleen bij hoge temperatuur in de gasfase voor. Hoewel aluminium een duidelijk metaal is, komen de chemische eigenschappen sterk overeen met die van de halfmetalen. Het vormt minder gemakkelijk covalente bindingen dan borium, maar makkelijker dan beryllium. Hier heeft het veel overeenkomsten mee. Van de aluminiumhalogeenverbindingen is alleen het fluoride AlF3 een ionogene verbinding. AlCl 3 is bijna geheel covalent, dat blijkt uit het uiterst geringe vermogen van gesmolten AlCl 3 om stroom te geleiden. Dit vermogen is zelfs 5000x kleiner dan dat van berylliumchloride BeCl2 (dit wordt nog net tot de covalente verbindingen gerekend). Het tweeslachtige karkater van aluminium blijkt ook uit het gedrag ten opzichte van zuren en basen. Het metaal lost niet alleen op in sterke zuren, maar ook in sterke basen als natronloog en soda. Aluminium kookpannnen mogen dus niet met soda worden schoongemaakt. De snelheid waarmee aluminium wordt aangetast door zuren en basen hangt vooral af van de sterkte van het oxydehuidje. Zuiver aluminium is dan ook erg goed bestand tegen zuren en basen en wordt zelfs niet door geconcentreerd zwavelzuur aangetast. Aluminiumpoeder of gesmolten aluminium kan als reductiemiddel voor ander metaaloxyden worden gebruikt. Dit noemt men aluminiothermie. Het bekendste hiervan is de thermietreactie, die gebruikt kan worden voor het lassen van spoorrails. De temperatuur bij deze reactie kan oplopen tot 2500°C. Alle aluminiumzouten met covalente bindingen worden gekenmerkt doordat het metaaldeeltje maar door 6 elektronen is omgeven. Er is dus een elektronentekort ten opzichte van de edelgasstructuur. Het elektronentekort kan opgevuld worden door reactie met elektronenrijke deeltjes. Een verbinding als AICI 3 is dus volgens de definitie van Lewis een zuur. Op deze eigenschap berust de toepassing van aluminiumzouten als katalysator in de zg. Friedel en Crafts-reactie, waarbij het zout optreedt als activator van halogeenkoolstofverbindingen, die daardoor erg reactief worden