By Philipp Voith
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Philipp Voith Aluminium 2AHBTU Aluminium By Philipp Voith 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU 1 INHALTSVERZEICHNIS 2 3 4 Experiment ...................................................................................................................................... 3 2.1 Materialliste ............................................................................................................................ 3 2.2 Durchführung .......................................................................................................................... 3 2.3 Ergebnis ................................................................................................................................... 3 EIGENSCHAFTEN .............................................................................................................................. 4 3.1 chemische Eigenschaften ........................................................................................................ 4 3.2 pysikalische Eigenschaften ...................................................................................................... 4 Herstellung ...................................................................................................................................... 5 4.1 Primärherstellung .................................................................................................................... 5 4.2 Sekundärherstellung ............................................................................................................... 5 4.3 produktionsländer ................................................................................................................... 6 5 Legierungen ..................................................................................................................................... 7 6 Verwendung .................................................................................................................................... 7 6.1 Kostrucktionswerkstoff ........................................................................................................... 7 6.2 Elektrotechnik.......................................................................................................................... 8 6.2.1 elektrische Leitungen ...................................................................................................... 8 6.2.2 Elektronik......................................................................................................................... 8 6.3 Verpackung und Behälter ........................................................................................................ 8 6.4 Licht und optik ......................................................................................................................... 8 6.5 weitere Anwendungen ............................................................................................................ 9 7 Bezug auf den ökologischen Fußabdruck ........................................................................................ 9 8 Quellen ............................................................................................................................................ 9 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU 2 EXPERIMENT In diesem Versuch werden Wir Aluminium einschmelzen um daraus ein fertig recyceltes Material Herzustellen welches als solches wieder in die Produktion aufgenommen werden kann. 2.1 MATERIALLISTE Geräte: Dreifuß 2 Bunsenbrenner großer Keramiktiegel Tondreieck Simon-Müller-Ofen Hammer Chemikalien: Kaliumchlorid (KCI) Natriumchlorid (NaCl) Natriumflourid (NaF) Aluminium (Al) 2.2 DURCHFÜHRUNG Die Durchführung ist äußerst heikel und erfordert höchste Aufmerksamkeit sowie Vorsicht. !Brandgefahr! 15 g Natriumchlorid, 15 g Kaliumchlorid und 3,3 g Natriumfluorid werden benötigt und abgewogen. Dies wird nun Vermischt und in das Keramiktiegel gegeben um dies Anschließend zu erhitzen sodass die Mischung Schmilzt. Nun werden kleine Stücke Aluminium hinzugefügt und Geschmolzen. Diese Stücke können Aluminiumschrott (Teelichtschalen) oder reines Aluminium (Alufolie) sein. Nun wird das Tiegel nachdem es Abgekühlt ist zerschlagen. 2.3 ERGEBNIS Heraus kommt ein Klumpen Aluminium welcher wieder geschmolzen und gegossen oder sonst in die Produktion wiederaufgenommen werden. 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU 3 EIGENSCHAFTEN Die Eigenschaften von Aluminium lassen sich im Prinzip in zwei Gruppen teilen. Diese sind die chemischen und die Physikalischen Eigenschaften. 3.1 CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN Aluminium ist im Periodensystem mit der Ordnungszahl 13 zu finden und ist in der dritten Gruppe zu finden. Aluminium bildet schon nach kurzer Zeit eine dünne Oxidschicht welche das Aluminium auch vor weiterer Korrosion schützt. Aluminium ist auch aufgrund der Oxidschicht mit einem silbernen Schimmer belegt. Die Oxidschicht kann mittels Komplexbildungsreaktionen1 aufgelöst werden. Einen außerordentlich stabilen und wasserlöslichen Neutralkomplex2 geht Aluminium in neutraler chloridischer Lösung3 ein. Aluminium reagiert auf Quecksilber mit einer Zerstörung der Oxidschicht. Daraufhin frisst das Quecksilber dann Löcher in das Aluminium. Aus diesem Grund wird Aluminium in der Luftfahrt als „Gefahrengut“ eingestuft und als ätzend behandelt. Unter Wasser bildet das Aluminium noch einen Pilz in Gestalt eines Blumenkohls. Dieser Pilz besteht aus Oxid. 1 Es werden Elektronen Ausgetauscht. Sie werden hier einem Zentralatom (zumeist ein Kation als Lewis-Säure) von Molekülen oder Ionen in Form von freien Elektronenpaaren zur Verfügung gestellt (dem Liganden als Lewis-Base. 2 Kommt aus dem Bereich der Komplexchemie und tritt dann auf, wenn die Summe der Ladungen aus Zentralatom und Liganden Null beträgt. 3 Lösungen sind homogene Stoffgemische wo die Bestandteile flüssig-flüssig, flüssig-fest, flüssig-gasförmig vorliegen können. 3.2 PYSIKALISCHE EIGENSCHAFTEN Reines Aluminium ist sehr weich und zäh aber auch extrem leicht was dem Stoff Vorteile bei vielen Einsatzbereichen bringt da man die Eigenschaften von Aluminium mittels Legierungen sehr gut anpassen kann. Allgemein gibt es zwei Formen von Aluminium die mit unterschiedlichen Messdaten auftrumpfen können: Absolut reines Aluminium Zugfestigkeit: 45 N/mm2 Streckgrenze: 17 N/mm2 Bruchdehnung: 60 % 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU Handelsübliches reines Aluminium: Zugfestigkeit: 90 N/mm2 Streckgrenze: 34 N/mm2 Bruchdehnung: 45 % Weitere Eigenschaften von Aluminium sind Schmelzpunkt (660,4 C), Siedepunkt (2470 C), Dichte (2,70 g/cm³) damit zählt es zu den Leichtmetallen und eine recht hohe Wärmeleitfähigkeit (237 W/(m*K)). Zudem lässt sich Aluminium praktisch unendlich oft recyceln. 4 HERSTELLUNG Prinzipiell gibt es zwei verschiedene Arten der Herstellung. Diese sind die Primärherstellung und die Sekundärherstellung. 4.1 PRIMÄRHERSTELLUNG Die Primärherstellung erfolgt aus Mineralien bzw. Aluminiumerz. Aluminiumerz wird Großteiles aus den Wälder Afrikas gewonnen und anschließend an die ebenfalls in Afrika befindlichen Verbricken geliefert. Dort angekommen wird das Erz zuerst gemahlen dann mittels Schwefelsäure gereinigt. Dabei entsteht der sogenannte Rotschlamm welcher ein Abfallprodukt ist. Rotschlamm kann nur auf riesigen Deponien gelagert werden. Vor nicht allzu langer Zeit kam es zu einem verheerenden Unfall in Ungarn bei dem der Damm eines riesigen Rotschlamm Lagers brach (siehe Bild rechts). Das entstandene Produkt (Aluminiumoxid) wird nun weitergeschickt und in einer Fabrik weiterverarbeitet. Dies geschieht durch das erhitzen in sogenannten Elektrolysen (Bild rechts). Hierbei wird das Aluminium mittels Strom so stark erhitzt, dass es schmilzt und sich in Schlacke, Schmelze und Aluminium aufteilt. In der Schmelze befinden sich noch weitere Metalle die auch verwertet werden können. Aluminiumoxid Das Aluminium wird nun in Blöcke gegossen und anschließend ausgewalzt. Das Fertige Produkt verlässt nun die Produktion auf Rollen aufgewickelt. 4.2 SEKUNDÄRHERSTELLUNG Die Sekundärherstellung basiert auf Recycling. Der Produktionsvorgang unterscheidet sich im Prinzip kaum von dem der Primärherstellung, da der Rohstoff (in dem Fall Aluschrott) ebenfalls in einer Elektrolyse eingeschmolzen wird und anschließen in riesige Barren gegossen. 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU Allerdings muss hier auch ein geringer Teil Primäraluminium beigefügt werden damit man die richtige Zusammensetzung erhält. Im Normalfall beträgt dieser Anteil an die 5% sprich die Zusammensetzung beträgt am Ende 95:5. Dieser Prozess kann ewig wiederholt werden. 4.3 PRODUKTIONSLÄNDER Aluminium wird allgemein rund um den Globus produziert sprich sowohl in Europa als auch in Afrika. Die folgende Tabelle zeigt in welchen Ländern wie viel Aluminium produziert wird. Angaben in Tausend Tonnen (2009)[36] Rang Land Produktion Kapazität 1. China 13.000 19.000 2. Russland 3.300 5.150 3. Kanada 3.000 3.090 4. Australien 1.970 1.970 5. USA 1.710 3.500 6. Indien 1.600 2.000 7. Brasilien 1.550 1.700 8. Norwegen 1.200 1.230 9. VAE 950 950 10. Bahrain 870 880 11. Südafrika 800 900 12. Island 790 790 13. Venezuela 550 625 14. Deutschland 520 620 15. Mosambik 500 570 16. Andere Länder 4.600 6.920 Welt 49.900 36.900 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU 5 LEGIERUNGEN Aluminium kann im Flüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Mangan, Silicium, Eisen, Titan, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Zirconium und Molybdän legiert werden. Diese Legierungen fördern gewünschte Eigenschaften und/oder unterdrücken unerwünschte. Ein großer Nachteil der Legierungen ist jedoch das die Oxidschicht stark gestört wird was zu einer sehr hohen Korrosionsgefahr führt. Dieses Problem tritt bei fast allen hochfesten Aluminiumlegierungen auf. Legierungen nach dem AA System (Aluminium Assoziation) bezeichnet: Aluminiumgusslegierungen – Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen. Typische Aluminiumgusslegierungen sind: AlSi, AlSiCu, AlSiMg, AlCuTi, AlMg Aluminiumknetlegierungen – Platten und Aluminium Kupfer Legierung Bandproduktion durch Warm- und Kaltumformen (Walzen, Strangpressen, Schmieden). 6 VERWENDUNG Die Verwendung lässt sich allgemein in folgende Bereiche aufteilen: Konstruktionswerkstoff Elektrotechnik Verpackung und Behälter Licht und Optik Weitere Anwendungen 6.1 KOSTRUCKTIONSWERKSTOFF Aluminium wird aufgrund seiner Festigkeit die es sehr wohl mit der von Stahl aufnehmen kann und der gleichzeitigen Leichtigkeit gerne im Transport Bereich wie zum Beispiel Lkws, Schiffe und Flugzeuge eingesetzt. Auch in der Raumfahrt erfreut sich Aluminium großer Beliebtheit. eine Eigenschaft die die Verarbeitung allerdings erschwert ist die Tatsache, dass Aluminium kaum Schweißbar ist. Aus diesem Grund wird der Werkstoff oft genietet. Mit Hilfe von Legierungen (siehe Kapitel 5. Legierungen) können die Eigenschaften weiter optimiert werden (Härte, Dichte, Flexibilität, …). Dadurch das der Werkstoff jedoch sehr teuer ist wird er Großteiles in großen Mengen nur dort eingesetzt wo eine stark belastbares Material aber auch leichtes gesucht wird. Aufgrund dessen, das Aluminium zu den Leichtmetallen zählt senkt es den Treibstoffverbrauch von z.B. Flugzeugen und Autos extrem. Dies Trägt ebenfalls zur Verringerung des ökologischen Fußabdrucks bei. Nochmals bessere Ergebnissen erzielt Carbon, jedoch ist dieser Werkstoff nochmal um ein vielfaches teurer als Aluminium. 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU 6.2 ELEKTROTECHNIK Allgemein kann man sagen, dass man den Bereich Elektrotechnik in drei verschiedene bereiche aufteilen kann: elektrische Leitungen Elektronik 6.2.1 ELEKTRISCHE LEITUNGEN Aluminium kommt nach Kupfer und Gold als der drittbesten Leiter auf. Allerdings wird Kupfer meist vorgezogen da es ein geringeres Volumen als Aluminium braucht um dieselben Eigenschaften zu erzielen. Aluminium kommt dann zum Einsatz, wenn es aufs Gewicht ankommt. Des Weiteren wird Aluminium auch gerne in Umspannwerken verwendet. Aluminium ist auf Grund seiner Neigung zum Kriechen wenig im Bereich der Leitungen unter Druck zu finden. Als Kriechen bezeichnet man die Verformung unter Druck, dies kann dazu führen, dass Kontaktstellen abgeschnitten werden und es kommt zu einem Kurzschluss. Eine sehr positive Eigenschaft ist auch das Aluminium bei Verunreinigung praktisch nichts an Leitfähigkeit verlieren. 6.2.2 ELEKTRONIK Aluminium wurde aufgrund seiner guten Wärme und Stromleitfähigkeit bis in die 2000er fast ausschließlich verwendet. Der Grund warum man heute kein Aluminium mehr verwendet ist eigentlich ganz einfach, die heute erforderten schnellen Spannungswechsel konnte Aluminium nicht mehr erfüllen. Heute wird Aluminium praktisch nur mehr in der Mikroelektronik verwendet. Dort wird es genau gesagt als Hauptleiter, entsprechende Hüllen da diese auch sehr leicht sein müssen verwendet. 6.3 VERPACKUNG UND BEHÄLTER Die Hauptanwendungsbereiche sind Getränke- und Konservendosen sowie Aluminiumfolie. Hierbei macht man die Funktion der Absoluten Sauerstoff- als auch Lichtabriegelung von Aluminium zunutze, des Weiteren riegelt Aluminium auch gegen Wasser und viele andere Umwelteinflüsse ab. Durch das Bedampfen von Kunststofffolien kann auch hier eine Teil Abriegelung erreicht werden, diese Eigenschaft findet Anwendung bei Rettungsdecken. Die Aufbewahrung sowie Hälterung von säurehaltigen Lebensmitteln ist nicht empfehlenswert da sich dabei lösliche Aluminiumsalze bilden die dann von dem Lebensmittel aufgenommen werden. Aluminium wird für eine Vielzahl von Behältern und Gehäusen verarbeitet, da es sich gut durch Umformen bearbeiten lässt. Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht vor Oxidation und Abrieb geschützt. 6.4 LICHT UND OPTIK Da Aluminium einen hohen Reflexionsgrad hat wird es unter anderem zum Reflektieren von Licht in Spiegeln sowie Scheinwerfern eingesetzt. Ein weiterer Anwendungsbereich befindet sich bei Lichtschranken, Spiegelreflexkameras und Scannern. Aluminium reflektiert auch Ultraviolettstrahlung was ihm einen großen Vorteil gegenüber Silber verschafft. Aluminium wird meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion geschützt. 17. Januar 2017 Philipp Voith Aluminium 2AHBTU 6.5 WEITERE ANWENDUNGEN Weiter Anwendungsbereiche sind zum Beispiel Heizkörper Raketentreibstoff (30%) usw. Aluminium wird auch als Pigmentgeber für Farbe wie zum Beispiel bei Makeup verwendet. 7 BEZUG AUF DEN ÖKOLOGISCHEN FUßABDRUCK Alles in allem kann man sagen, dass wenn man Weltweit stärker auf das Recyceln und Trennen von Aluminium und dem daraus resultierenden verstärkten Einsatz bei z.B. Flugzeugen kann allein schon durch die enorme Energieersparnis der Fußabdruck enorm verringert werden. Wenn man es schaffen würde ganz Europa auf 80% recyceltes Aluminium (so ist es der Fall in Deutschland) zu bringen wäre das schon eine starke Veränderung im ökologischen Fußabdruck. Des Weiteren könnte man gezielt Alu Dosen recyceln (wie es z.B. bei Gasflaschen der Fall ist) und dafür Pfand auszahlen. Dieser Vorgang würde nie enden müssen da Aluminium unendlich oft recyclebar ist. Es müsste nur mehr eine kleine Menge als Verlustausgleich Hinzugefügt werden. 8 QUELLEN* https://de.wikipedia.org/wiki/Aluminium#Chemische_Eigenschaften http://www.axel-schunk.de/experiment/edm0312.html http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/aluminium/aluminium.htm https://www.youtube.com/watch?v=2yo_2UAGtkk http://www.chids.de/dachs/expvortr/782Aluminium_Eggersgluess.pdf http://www.chemie.de/lexikon/Chemische_Reaktion.html#Komplexbildungsreaktionen https://www.abiweb.de/anorganische-chemie/komplexe.html *Alle Quellen wurden am 17.01.2017 für dieses Projekt verwendet. 17. Januar 2017
