Aluminium

Eindopdracht hoofdstuk 4 Aluminium

De ontdekking: In 1754 had Marggraf aluminiumhydroxide weten te bereiden. In 1809 en 1810 deden Berzelius en Davy pogingen om het element in zuivere toestand af te scheiden, zij hadden echter geen succes. Ook Ørsted kwam in 1825 niet verder dan een onzuiver product. Ten slotte slaagde Wöhler in 1827 in de bereiding van het zuivere metaal door reductie van aluminium-chloride met kalium. In 1886 slaagde de Amerikaan Ch.M. Hall en de Fransman P.L.T. Héroult onafhankelijk van elkaar erin het metaal langs elektrolytischeweg te winnen, waardoor de productiekosten aanzienlijk daalden.

Waarom het zo lang geduurd heeft voor aluminium in grote hoeveelheden gemaakt kon worden: Omdat aluminium alleen als verbinding in de natuur voorkomt en men heel lag niet heeft geweten hoe je zuiver aluminium moest krijgen, daardoor kon aluminium ook niet in grote hoeveelheden worden verkregen.

Eigenschappen van aluminium: Aluminium is een onedel metaal. Het bevindt zich in de derde hoofdgroep,tweede periode van het periodiek systeem der elementen en is bij gewone temperatuur uitsluitend driewaardig (Al3+). Het atoomnummer van aluminium is 13, de relatieve atoommassa is 26,98uen de dichtheid bij kamertemperatuur is 2,7 gram per kubieke-cm. Het kookpunt van aluminium is 2467 graden Celsius en het smeltpunt van aluminium is 660,24graden Celsius en de smeltwarmte is 397 J/gram.

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 (zure spijzen) lost aluminium merkbaar op, vandaar dat aluminium pannen e.d. bij bereiding en bewaring van zure gerechten (aantasting kan worden voorkomen door het aanbrengen van een beschermend oxidelaagje). Naarmate het aluminium zuiverder is, is de aantasting geringer.

In compacte vorm wordt aluminium niet door water aangetast. In water met een hoog chloridengehalte kan de oxide huid plaatselijk worden geperforeerd, hetgeen tot putvormige aantasting leidt. Is het metaal voldoende dik dan stopt deze aantasting meestal vanzelf door dikker worden van de oxidehuid.

De productie van aluminium uit erts en de hoeveelheid energie die daarvoor nodig is: Eerst wordt aluminiumoxide uit bauxiet gehaald, in de gehele wereld wordt hiervoor het bayerproces toegepast, genoemd naar Karl Joseph Bayer (1847-1904). Het bauxiet wordt in kleine stukjes gebroken, gedroogd en gemalen en met natronloog gemengd. Vervolgens wordt het in een autoclaaf ontsloten bij een temperatuur van 235 à 250 °C, waarbij druk, loogconcentratie en tijdsduur afhankelijk zijn van de soort en vindplaats van het bauxiet. Tijdens dit proces gaat het in het bauxiet aanwezige aluminiumoxide in oplossing als natriumaluminaat. De andere bestanddelen van het bauxiet, waaronder ijzer-, mangaan- en het grootste deel van het siliciumoxide, blijven onopgelost achter en worden door filtreren 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 nog in de vloeistof opgelost gebleven aluminiumoxide 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 roterende buisovens gegloeid bij 1200 °C–1300 °C, zodat al het aanhangende en chemisch gebonden water verwijderd wordt: 2Al(OH)3±Al2O3 + 3H2O.

Het verkregen product is aluminiumoxide met, afhankelijk van de soort bauxiet, geringe verontreinigingen. In ongelegeerd aluminium van normale handelskwaliteit worden deze verontreinigingen teruggevonden als silicium, ijzer en in mindere mate mangaan en koper met een totaal gehalte van 0,05% tot 0,35%.

Daarna volgt het scheiden van aluminiummetaal uit het alluminiumoxide.

Omdat Al2O3 een smeltpunt heeft van 2040 °C, is direct smelten economisch en technisch moeilijk te doen. Men lost daarom het aluminiumoxide op in gesmolten kryoliet (smeltpunt 970 °C); dit mengsel heeft een gemakkelijk smeltend punt van ca. 935 °C bij een gehalte van 18, 5% Al2O3.

Het natuurlijke kryoliet, Na3AlF6, kan de wereldbehoefte niet dekken; daarom bereidt 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 in beginsel geen kryoliet verloren, maar in de praktijk treden verliezen op van ca. 30 g per kg geproduceerd aluminium.

In de praktijk voegt men 1–8% Al2O3 aan het gesmolten kryoliet toe en krijgt dan een oplossing met een smelttemperatuur van 950–970 °C. In de loop van de elektrolyse verandert weliswaar de samenstelling van de oplossing, toch heeft dit nog geen snelle stolling tot gevolg.

Dit wil je ook lezen:

Zo schrijf je een goed opiniestuk

De reactie waarbij elektronen worden opgenomen van aluminiumoxide vindt plaats in met gelijkstroom bedreven elektrolyse-ovens. De elektrolyse-oven is een met koolblokken bekleed stalen vat, waarin het tijdens het proces vrijkomende gesmolten aluminium met deze koolbekleding dienst doet als negatieve elektrode. Als positieve elektrode worden eveneens koolblokken toegepast, die met de uit het oxide vrijkomende zuurstof reageren onder vorming van kooldioxide en een gering deel koolmonoxide. In hoofdzaak worden tegenwoordig anoden gebruikt, bestaande uit blokken zuivere en goed geleidende koolstof die, gemengd met teer of pek, in een speciale oven gebrand zijn om de vereiste hardheid en vorm te verkrijgen. Het verbruik van elektrodekool tijdens het proces is zeer hoog; per kg aluminium ca. 0,43 kg.

De elektrolyse van aluminiumoxide vereist zeer veel elektrische energie. De moderne elektrolysebedrijven bezitten ovens voor 150.000 A en hoger bij een badspanning van 4–6 V; voor 1 kg aluminium is ca. 14 kWh nodig. Voor de vestiging van een aluminiumindustrie moeten dan ook goedkope energiebronnen ter plaatse aanwezig zijn (waterkracht, aardgas, kernenergie).

Tijdens het proces wordt het mengsel van aluminiumoxide en kryoliet steeds armer aan Al2O3; van tijd tot tijd moet dus nieuw 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, bestemd tot hersmelting, of tot blokken bestemd voor walsen of uitvloeien. De zuiverheid van het aldus bereide aluminium is maximaal 99,9%; de normale handelskwaliteit is meestal 99,7–99,5%. Aluminium met een zuiverheid van 99,99% is te bereiden met behulp van het zgn. drielagen-elektrolyseproces.