Aluminium

5.3

Werkstuk door een scholier
4e klas vwo | 1061 woorden
1 februari 2005
60 keer beoordeeld

5.3

60 keer beoordeeld

Taal

Nederlands

Vak

ANW

Inleiding

Aluminium is na ijzer het meest gebruikte materiaal. Maar waar komt het eigenlijk vandaan? En wat moeten we doen om het te verkrijgen? Dat hoop ik hier goed uit te leggen.

Geschiedenis

Aluminium wordt voor het eerst benoemd door scheikundigen in 1805. De oorspronkelijke naam was Alumium. In de VS en Canada wordt nog vaak van aluminum gesproken. Marggraf wist in 1754 voor het eerst aluminiumhydroxide te bereiden. Berzelius en Davy probeerden in 1809 en 1810 pogingen om het element in zuivere toestand af te scheiden. Net als Ørsted in 1825 kwamen zij niet tot een zuiver product.
Wöhler in 1827 lukte het uiteindelijk wel door aluminiumchloride met kalium in reductie te brengen. De Fransman Héroult en de Amerikaan Hall (onafhankelijk van elkaar) lukten het om dit door middel van elektrolyse te doen. Hierdoor werd de productie van aluminium goedkoper.

Eigenschappen

Aluminium is een zeer onedel metaal, dat in zuivere toestand zilverwit en tamelijk zacht is. Ondanks de onedelheid van het metaal blijft aluminium vrij onveranderd in de openlucht. Dit komt door een oxidelaagje (Al₂O₃) dat het onderliggende metaal beschermt. Het metaal oxideert echter zeer snel als de vorming van dit laagje wordt tegengaan door het amalgameren met kwik of een sublimaatoplossing. Dan wordt het glanzende metaal snel dof en ontstaat er vezelachtige draden aluminiumhydroxide.
Doordat aluminium en zuurstof goed samengaan komt aluminium zo goed niet in zuivere vorm voor. Maar er zijn vele verbindingen met aluminium. Na zuurstof en silicium is aluminium het meest voorkomende element in de aardkorst. Aluminium komt voor in graniet en andere van zulke gesteenten als verschillende aluminiummineralen. Ook alle kleisoorten bevatten aluminium, zoals korund, robijn en saffier. Die bestaan uit zuiver Al₂O₃.

Productie

Aluminium wordt bereid door elektrolyse van zuiver Al₂O₃. Het is belangrijk dat dit zuiver is, omdat aluminium pas na de alkalimetalen (lithium, natrium, kalium, rubidium, cesium, francium) en magnesium wordt gereduceerd en dat zou dus het aluminium als eindproduct verontreinigen. De bereiding verloopt dus in twee fases. Eerst wordt zuiver aluminiumoxide bereidt, daarna wordt het aluminium afgescheiden door elektrolyse. Hierna wordt van het eindproduct halffabrikaten gemaakt. De stappen worden in volgorde beschreven:

De bereiding van aluminiumoxide
Aluminiumoxide wordt verkregen uit bauxiet. Hier wordt het bayerproces gebruikt. Dit is vernoemd naar Karl Joseph Bayer. Hij leefde van 1847 tot 1904. Het bauxiet wordt gebroken, gedroogd, gemalen en met natronloog gemengd. Nu wordt het in een autoclaaf gestopt. Een autoclaaf is een ketel waarvan de inhoud wordt verwarmd doordat de druk verhoogd wordt. Het bauxiet heeft zo’n
250 °C nodig. De temperatuur en tijdsduur zijn afhankelijk van het gebied waar het bauxiet vandaan komt. Het aluminium zal zich hierna oplossen als natriumaluminaat (NaAl(OH)) Andere stoffen zoals ijzeroxide, mangaanoxide en siliciumoxide blijven onopgelost achter en kunnen verwijderd worden door te filtreren.
Door het afkoelen, verdunnen en enten van de oplossing met poedervormig aluminiumhydroxide zal het grootste gedeelte van de oplossing zich afscheiden als aluminiumhydroxide (Al(OH)₃). Deze stof zal in lange roterende buisovens bij zo’n 1300 °C worden gegloeid, zodat het chemisch verbonden water afgescheiden wordt: 2Al(OH)₃ -> Al₂O₃ + 3H₂0.

Bereiding van aluminium
De elektrolyse van aluminiumoxide is uitgevonden door Hall (VS) en Héroult (Frankrijk), al deden ze dit onafhankelijk van elkaar. Het was moeilijk om het Al₂O₃ gewoon te smelten, aangezien het een smeltpunt heeft van 2040 °C. Daarom wordt het aluminiumoxide opgelost in kryoliet. Gezamenlijk heeft het namelijk een smeltpunt van 970 °C.
Omdat er te weinig natuurlijk kryoliet (Na₃AlF₆) is, moet het worden bereidt. De natriumaluminaat-oplossing van het bayerproces wordt daarom bewerkt met waterstoffluoride.
In de praktijk voegt men 1 tot 8 % Al₂O₃ om tot de smelttemperatuur van zo’n 950-970 °C te komen. De elektrolyse vindt plaats in elektrolyse-ovens. Deze ovens zijn bekleed met koolblokken. Het bij het proces vrijgekomen zuurstof uit aluminiumoxide reageert met koolstof en wordt koolstofdioxide en koolstofmonoxide. Het verbruik van het elektrodekool is zeer hoog. Per kilogram aluminium zo’n 430 gram.
De elektrolyse van aluminium kost veel elektrische energie. De moderne elektrolysebedrijven bezitten ovens voor 150.000 A en hoger bij een badspanning van 4 tot 6 V. Voor 1 kilogram aluminium is ongeveer 14 kWh nodig. Voor de aluminiumindustrie moet dus ook een goedkope energiekracht aanwezig zijn.
Er blijft steeds minder Al₂O₃ over tijdens het proces, dus moet er steeds zuurstof aan worden toegevoegd. Het afgescheiden aluminium verzamelt zich gesmolten op de bodem, waar het uit weggepompt kan worden. Nu kan het hersmolten of gebruikt worden. De normale zuiverheid is zo’n 99,5-99,7 %, maar feitelijk kan 99,9 % gehaald worden. Dit kan gehaald worden met het zogenaamde drielagen-elektrolyseproces.

Uiteindelijk blijft van 5 ton bauxiet 1 ton aluminium over. Voor de productie van aluminium uit bauxiet is 155 MJ/kg nodig. In vergelijking met ijzer, 30 MJ/kg, is dit zeer veel.

Toepassingen

De bekendste toepassingen van aluminium zijn waarschijnlijk frisdrankblikjes, aluminiumfolie en vliegtuigmateriaal. Het wordt vooral gebruikt voor zijn gewicht, aangezien het een zeer licht metaal is. Voor aluminiumfolie is het ook erg handig omdat het geperst kan worden tot een dikte van zo’n 0,006 mm. Het is dan erg goed om voedingsmiddelen in te verpakken.
Ook als verpakking is het erg handig. Het is namelijk goed oxidatiebestendig, makkelijk te vervormen, het ziet er decoratief uit en het is makkelijk te bedrukken.
Als legering wordt aluminium ook veel gebruikt. Hier worden een paar voorbeelden genoemd waarmee aluminium kan worden gecombineerd:
- Silicium; dit vergroot de treksterkte en verbetert gietbaarheid
- Magnesium; dit vergroot de treksterkte en hardheid, geleidt slechter (elektriciteit, warmte)
- Mangaan; kleine vergroting treksterkte, minder geleiding.
- Koper/Zink; vergroot treksterkte, hardheid en geleiding.

Recycling

De recycling van aluminium bestaat al sinds de productie ervan. Het metaal is makkelijk om te smelten en het kost maar liefst 95 % minder energie dan de eerdere productie ervan. Er zijn twee groepen aluminium om te recyclen. De ene groep bestaat uit ‘schoon’ aluminium. De andere moet eerst bewerkt worden omdat het afgedankt materiaal is. Om smeltverlies tegen te gaan wordt gesmolten zout gebruikt. Hierdoor kan er geen zuurstof bij het aluminium komen. De recycling van aluminium wordt vandaag echter nog niet genoeg gebruikt. Maar 72 % van het aluminium wordt gerecycled, terwijl het toch goedkoper is. Er is een werkgroep opgericht om dit te bevorderen, nl. de Koepelprojectgroep Aluminium van de ministeries VROM en EZ en de aluminiumindustrie.