Hinweis

Hinweis
Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen
des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die
Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen
Dateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
eingesehen und heruntergeladen werden.
Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und
Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
a
Philipps-Universität Marburg a.d. Lahn
Fachbereich Chemie
Arbeitsgruppe Chemie für Lehramt und Naturwissenschaften
Aluminium
Vortrag
gehalten im Rahmen der Übung: Übungen im Experimentalvortrag für
Lehramtskandidaten
Übungsleiter: Dr. Jörg Butenuth und Dr. Ernst Gerstner
Wintersemester 1992/93
... -'
gehalten von
Bernd Gödde
Marderplatz 2
4450 Lingen a.d Ems
Chemie in der Schule: www.chids.de
- . ...
Der Name Aluminium ist von dem lateinischen Wort "alumen"
abgeleitet. "Lumen" bedeutet: Licht, Helligkeit, Glanz.
1825 erhalt Oersted als erster Aluminium durch Reduktion von
Aluminiumchlorid mittels Kaliumamalgam.
1827 reduziert Wähler Aluminiumchlorid mit Kalium zu Aluminium.
Versuch 1: Darstellung von Aluminium durch Reduktion von
mittels Kalium nach Wöhler(1827)
1,2g Kalium-Metall(getrocknet, in kleinen Stücken und
von der Oxidkruste befreit) und 1, 33g wasserfreies
Aluminiumchlorid werden in einem kleinen Tiegel
miteinander vermengt. Anschließend wird der Tiegel
vorsichtig mit kleiner Bunsenflamme erhitzt. Bei
einsetzen der Reaktion, muß der ~renner sofort
entfernt werden.
Nach Beendigung der heftigen Reaktion werden die
Bestandteile im Tiegel(u.a. pulverförmiges Aluminium)
in einem Becherglas mit Wasser herausgelöst und
anschließend portionsweise abfiltriert. Das Aluminium
scheidet sich als graues Pulver auf dem Filterpapier
ab. Schließlich wird es im Trockenschrank getroc knet.
Bei der Darstellung des Aluminiums mit Ka l i u m wird deren
Stellung in der Spannungsreihe ausgenutzt: Das unedlere Ka l i u m
ist in der Lage, daß AICl 3 zum edleren Alumini um zu reduzieren.
Spannungsreihe (Abb.
1):
Al/AI ~...
K/K+
I
I
I
-1,1~V
-l",~ZIlV
ov
I
I
AICI ~
Reaktionsgleichung:
.:)
c:)
+ ~
AIC1 3
+
3 K
>
Al
+1
+
3 KCI
1
Chemie in der Schule: www.chids.de
(.6. H
«
0)
-- .
E in ige allgem eine Aspe kte zu~ Da~s tell ung /Gewinnung v o n
Aluminium:
Eine ca~bothermische Redukt ion( Koks) v o n Aluminiumo x id ist
i n f o l g e von Carbi dbildung/ Al 4C 3-B ildu ng n icht durchf ührbar.
Aus d iese m Gr u n d e wi~d bei de r g~oßtechnis chen Gewinnung von
Alu mi n ium die Sc hmelzflußele ktrolyse angewandt. Dabe i wird reines
AI=0 3 in geschmol ze nem Kr y o li t h (Nat r i umfluoroalum inat) N a3 [ A I F ~ ]
~eduz ie rt.
Rea kt ione n:
Kath ode:
2 A13 ...
Anode:
3 O=:-
r-
...
3
Gesamt:
Anode:
O~
6 e-
+
+
4
AI:0 3
Vo~gebrannte~
Ve~wendung
C
------ >
2 Al
-- - - - ->
3/2
------ >
2 CO=
------ >
2 Al
Ko h l e b l o ck
von Alum ini um (Abb. 2):
Chemie in der Schule: www.chids.de
O~
+
+
+
6 e2 CO
3 /2
0=
_. .
-
~
Der große Gebrauch von Aluminium hangt mit seinen Eigenschaften
als Gebrauchsmetall zusammen:
Aluminium hat eine geringe Dichte(2,702 g/cm 3 ) und ist somit eine
Leichtmetall. Leichtmetalle sind alle Metalle, die eine Dichte
< 5,0 g/cm~ haben. Zum Vergleich: das am haufigsten gebrauchte
Metall Eisen hat eine Dichte von 7,873 g/cm~.
Aluminium hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
Es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Zum Vergleich:
seine Leitfähigkeit betragt etwa 651. der des kupfers und das
Vierfache des Eisens.
Aluminium-Legierungen haben eine hohe Festigkeit.
Es ist witterungs- und korrosionsbeständig.
Es ist gut verformbar.
Außerdem ist es das dritthäufigste Element und das häufigste
Metall in der Erdrinde:
0
45,51.
r>
Si
25,71.
--'
Al
8,31.
Fe
6,21.
Vorkommen des Aluminiums:
In Feldspäten:
z.B. Kalifeldspäten:
In Verwitterungsprodukte der Feldspäte, den Tonen:
2.B. Kaolinit:
Al:;:(OH)4(5i:;:O~J
Im Glimmer:
2.B. Kaliglimmer
In Tonerde:
2.B. Korund, Schmiergel
In Bauxit: Gemenge aus Aluminiumhydroxid-Mineralien.
3
Chemie in der Schule: www.chids.de
Ausgewählte Eigenschaften der 111. Hauptgruppe:
Die Ionisierungsenergie nimmt vom Bor zu Thallium nicht
kontinuierlich ab; bei Gallium und Thallium sind deutlich Maxima
vorhanden. Diese Phänomene sind mit der sog. d-Block bzw.
f-Block-Kontraktion erklärbar, d.h. die 10 zugeführten
d-Elektronen bzw. die 14 zugeführten f-Elektronen können die
gleichzeitig im Kern dazugekommenen 10 bzw. 14 positiven Ladungen
nicht abschirmen (Abb. 3).
Vom Aluminium zum Thallium nimmt die Stabilität der
Oxidationsstufe +111 ab und die Stabilität der Oxidationsstufe +1
zu. Dieser Trend ist ein Effekt des sog. inerten Elektronenpaares
und wird durch die Veränderung des Standartelektrodenpotentials
dokumentiert (Abb. 4 .1 und 4.2)
Das Aluminium hat die Elektronenkonfiguration [Ne] 3s 2 3 p 1 3 d o .
Die 3-d-Orbitale sind zwar unbesetzt, können aber für eine
Koordinierung zur Verfügung gestellt werden. Dies ist eine für
die Elemente der z we i t e n Periode typische Eigenschaft.
Ein Vergleich der Elemente der 3.Hauptgruppe stellt die
wichtigsten Unterschiede gegenüber: wie häufig zeigt das erste
Element andere Eigenschaften als die übrigen Elemente dieser
Gruppe: '
Bor
Aluminium-Thallium
Ko v a l e n t e Bindugen
v.a. ionische Bindungen
Isolator/Halbleiter
rel. hohe Leitfähigkeiten
Sehr hart
niedrig schmelzend, weich
<geringere Anzahl an Elektr.
steht für metallische Bd.
zur Verfugung:
Inertes Ele ktonenpaar)
4
Chemie in der Schule: www.chids.de
Abb.3
1~ /kJ mol " I
7000
r I ~tll
B
- 111)
Einfluß von 4[1'
Einfluß von 3d 1o .
6000
~
111
~J _ _ _ _ _ _ _ •
• ________
5000
4000~
I
3000
AI
~ooo
,--.
I
~,
-'-
---.
1\1 11 \
I
-.
•
-.
•
•
•
•
I
I
G&
AI
B
TI
•
1..1 ( 11)
loo:t • •
I
-.
In
-:
"'.•
_
!
,
Tl
I"
Tenden zen be : aufeinanderfolgenden Ion isierungsp otentialen l lol( I). Ir.t( 11) und 1\1(111) sowie deren Summen
I
I.
für die Elemente der Gruppe
111
E O( ~t 3 +/M ) / V
Ahb.lf.1
_ 10-....~
-:---
- I
-
.~~.
•
•
...
-3
•
.~
'.
0 ,
(
:
r
.B
Al
6•
X
,
I
~t <,•
1.0
I
B
•
I
I
Al
·6e1
•
I
IA
Trends in den Standardelektrodenpotent ialen EOund der Elektronegat ivität X der Elemente der Gruppe 111
Chemie in der Schule: www.chids.de
_.
Versuch 2: Aluminium - ein unedles Metall
Aluminiumspäne werden jeweils zu einer halbkonz.
Salzsäure und zu einer verdünnten Natronlauge-Lösung
(c = 2 mol/L) zugegeben. Bei Reaktionsverzögerung wird
mit dem Bunsenbrenner kurz erwärmt.
Entsprechend seiner Stellung in der Spannungsreihe reagiert
Aluminium mit nicht oxidierenden Säuren, hier Salzsäure, unter
Auflösung. Infolge der hohen positiven Ladung des Aluminium-Ion
und der Möglichkeit, d-Orbitale zur Verfügung stellen zu können
(sp 3d 2 - H y b r i d i s i e r u n g ) , erfolgt eine starke Hydratisierung.
Um das Aluminium-Ion lagern sich sechs Wasser-Liganden in
oktaedrischer Anordnung.
Reaktionsgleichung:
2 Al
Auch reagiert Aluminium mit verdünnter Natronlauge unter
Auflösung. In der Regel erfolgt eine heftigere Reaktion als mit
Säuren, da durch die Bildung von Tetrahydroxyaluminaten Al~+
dem Gleichgewicht entzogen wird und sich dadurch das
Standartelektrodenpotential des Aluminiums weiter in den
negativeren Bereich versch iebt.
Reaktionsgleichung:
5
Chemie in der Schule: www.chids.de
•
Versuch 3: Amphoteres Verhalten von gefälltem Aluminiumhydroxid
Eine verdünnte Aluminiumsalz-Lösung wird zunächst
tropfenweise mit verdunnter Natriumhydroxid-Lösung
versetzt, bis sich ein weißer, voluminoser
Niederschlag bildet. Dieser frisch gefällte
Niederschlag wird auf zwei Reagenzgläser verteilt.
In das eine Reagenzglas wird weiter solange verdünnte
Natriumhydroxid-Lösung dazugegeben, bis sich der
Niederschlag auflöst.
In dem anderen Reagenzglas wird ebenfalls solange
verdünnte Schwefelsäure dazu gegeben, bis sich auch
dort der Niederschlag auflöst.
Durch die Zugabe von Natriumhydroxid-Lsg. zur Aluminumsalz-Lsg.
wird zunachst Aluminiumhydroxid als voluminöser amorpher
Niederschlag ausgefällt. Die Bildung erfolgt über den
stufenweisen Austausch der Wasserliganden durch Hydroxidliganden.
"
Reaktionsgleichung:
[AICH=O)<!>]3'"
[AI(H=O)4COH)=]+
Wird dieser amorphe Niederschlag, das sog. Aluminiumoxihydrat,
stehen gelassen, tritt im Laufe der Zeit eine sog. Alterung ein.
Dabei bildet sich das amorphe Aluminiumoxihydrat uber mehrere
Zwischenstufen in das kristalline Hydrargillit um CAbb. 5):
I
6
Chemie in der Schule: www.chids.de
-----_11 - .'
Bei
Zugabe von Nat~ionhyd~oxid-Lsg. wi~d ein weite~e
einen Hyd~oxid-Liganden ausgetauscht und es
bildet sich das in Wasse~ lösliche Aluminat.
weite~e~
Wasse~-Ligand du~ch
Reaktionsgleichung:
Zugabe von Säu~e we~den die im Aluminiumhyd~oxid
befindlichen Hyd~oxyde p~otonie~t wobei sich wiede~ de~ im
lösliche Hexaqua-Komplex des Aluminiums bildet.
Du~ch
Reaktionsgleichung:
+
+
l
t
ri
,
i
7
Chemie in der Schule: www.chids.de
Wasse~
· ..
'
Versuch 4: Aufhebung der Passivierung durch Amalgamierung mittels
Hg(II)CI~-Lösung
Eine gesättigte Quecksilber(II)-Chlorid-Lösung wird
mit einem Pinsel auf eine großes und ein kleines
Aluminium-Blech aufgetragen. Das große Al-Blech wird
an der Luft liegen gelassen, das kleine Al-Blech wird
in ein Reagenzglas mit Wasser gegeben.
Auf Grund seiner Stellung in der Spannungsreihe, müßte das
Aluminium an der Luft (Analog dem Eisen) korridieren bzw. in
Wasser sich auflösen. Wegen der hohen Affinität von Aluminium zu
Sauerstoff, die ihren Grund in der hohen Bildungsenthalpie von
Aluminiumoxid hat, ist Aluminium mit einer dünnen
zusammenhängenden Oxidschicht überzogen. Diese Oxidschicht
schützt das darunterliegende Aluminium vor weiterem Angriff von
Sauerstoff und anderen Elementen.
Reaktionsgleichungen:
<:>
4
Al
<::>
+
3
+
6
c::>
2 AL
,~
+3
O~
-~
>
2 Al 2 0 3
>
2
+1
<::>
+3
H~O
11
AI (OH)
,'::!:
11
3 H2
+
Durch Auftragen von Quecksilber(II)-Chlorid-Lsg. auf Aluminium,
wird die Ausbildung einer zusammenhängenden Oxidschicht
verhindert. Zunächst wird das Hg2+-Ion durch das unedlere
Aluminium reduziert [E(Hg/Hg2+) = + 0,85 VJ. Anschließen bildet
das restliche Aluminium mit dem gebildeten Quecksilber ein
Amalgam.
Reaktionsgleichungen:
<::>
2 Al
+
Hg
+
,3
Hg~+ (
.. q )
Al
+
--->
HgAI
8
Chemie in der Schule: www.chids.de
3 Hg
+
aq
In dieser- Lösung von Alum inium in Quecksilber- (Amalgam) kann das
Aluminium wieder- angegr-iffen wer-den.
Reaktionsgleichungen:
a. An der- Luft:
I:>
4 HgAl
.:>
+
P :L1 z .. ..-t::LQ_
3 O2
+ 3
-2
>
2 Al
2O;:,;
>
2 Al (OH );:,;
Hg
+
Wuch ........... n .... n
.:>
2 HgAl
... 1.
+
4.uc:nt •
.... ;:s
Lu-f't:
6 H20
<:>
+
2 Hg
+
3 H2
+
2 Hg
+
3 H2
F . . . . ,.- n
b.
...
Im Wasser-:
.:>
2 HgAl
+ 1.
+
I:>
+ 3
>
6 H20
2 Al (OH);:,;
"
o
1
u. m
1.
n
~
_ _ ...-
NL_d_.-_cMl.aQ
9
Chemie in der Schule: www.chids.de
.~
---......
~,
; $
Versuch 5: Eloxal-Verfahren - Oxidschicht-Bildung am Aluminium
Simulation des Eloxal-Verfahrens mit einer
Elektrolyse-Apparatur: Ein gereinigter und entfetteter
Aluminiumblechstreifen wird als Anode(pos. Pol) und
eine Graphitelektrode als Kathode(neg. Pol)
geschaltet. Als Elektrolyt wird eine verdünnte '
Schwefelsäure-Lsg.(18 ml konz. H=S04 in 200 ml Wassert
16,5 'l.-ig) genommen. Es wird bei einer GleichstromSpannung von 15-20 V und einer Stromstärke von 1 A
15 min lang elektrolysiert.
Aufbau der Apparatur:
+
AbI:,. 6
A
Das Aluminium bildet auf Grund seiner hohen Affinität zum
Sauerstoff eine äußerst dünne, aber dichte und fest haftende
Oxidschicht aus, die das darunterliegende Metall vor weiterer
Ko r r o s i o n schutzt. Dieses Phänomen der schützenden
Oxidschichtbildung wird als Passivierung bezeichnet.
'.•
1911 entdeckte Oe Saint Martin ein Verfahren, die schützende
Oxidschicht zu verstärken: die anodische Oxidation von Aluminium,
welches allgemein als Eloxal-Verfahren (Elektrisch oxidiertes
Aluminium) bezeichnet wird.
Im Verlau f der Elektrolyse wird auf der Oberfläche des Aluminiums
eine AI=0 3-Schicht abgeschieden. Diese besonders dichte,
kunstlich erzeugte Oxidschicht erhöht den Schutz vor Korrosion.
Die an den Elektroden ablaufenden Reaktionen kö n n e n durch
folgende Gleichungen beschrieben werden:
a. Anode:
Al
Kathode:
---)
+
----)
10
Chemie in der Schule: www.chids.de
t
Al ·":!:'"
+
+
1/2 H=
..~'" --_ ._----.
b.
Weitere Reaktionen an der Anode:
+
---- )
+
2 Al:=:-
+
----)
+
2
+
- - -)
+
AI~'"
Zu Beginn der anodischen Oxidation wird eine dicke Grund- oder
Sperrschicht gebildet, deren Stärke von der angelegten Spannung
abhängig ist (Abb. 6.1.>.
Danach erfolgt durch Gegenreaktionen, bei denen der Elektrolyt
die Oxidschicht partiell wieder anlöst, die Bildung einer porösen
Deckschicht (Abb. 6.2.).
Durch die Poren der Deckschicht gelangen die Elektrolyten bis zum
Ort der Oxidbildung(Grundschicht). Aus der Grundschicht heraus
wächst die Deckschicht (Abb. 6.3.>. Zwischen beiden Schichten
stellt sich ein Gleichgewicht ein, so daß die Stärke der
Grundschicht konstant bleibt. Die Deckschicht wächst so lange,
bis zwische Bildungs- und Auflösungsgeschwindigkeit sich
ebenfalls ein Gleichgewicht eingestellt hat.
Im technische Ablauf wird das eloxierte Aluminiumblech
abschließend mit heißem, entionisiertem Wasser bzw. Wasserdampf
behandelt, so daß sich die Po ren durch kristallinem Boehmit
verschließen(A ;'b.6.4.).
Reaktionsgleichung:
::,,. 8 <:>
Al:;zO .-:!:
C
---->
+
2 AlO<OH)
kr.:L.t .. ll;:L,-,.,SCI_hfTli...+.:.
Bei der Oxidation gibt es eine optimale Oxidationsdauer, nach
deren uberschreiten die Oxidschicht massivaufgelost wir d
<Abb.7):
-.
..
.~ ~
"',Iall
~
01 Idalionsdauer 0
Schichldicke
0
Gtwichlsänd",
0
OiekIn Iindlf\lfl\J 0
. ..
,,;
~
','~
.
..
~
.durch·
olicjj,,,
r-"-
JO &0 90 120 1SO 110 2JO 240 30C lIlift
- - .-
IU"
" 40 mg/dm!
" ...21 ... 4' ·ne :-_20 .7 ·1
.n _I' _2
31 43
~2S
Chemie in der Schule: www.chids.de
11
43 43
·Ut
-MI
.f7 .4(1 Jlm
- -
• •
:~tl~:'~.}~~· ::t vor der
Abb.b.1.
:.< anodlschen
~~CAl) ·:...~r.~ Oxidation
··;'.; MetaJI
.
I
I
II
I
!
'j
+
~
Metd
-6I
_
.
/Al) aIS .... -... .L~ anodischen
nach der
'""'-----~ Anode
Oxidation
. V'
~
Oxidschicht
Anodische Oxidation von Aluminium
(Schema).
I
Alob .6 .'L.
Qecks~.hiqlt
~porosJ
Grundschicht
Al-Metal"
Ol,:erschnitt durch die Aluminiumoxidschicht (Schema).
A6b. b.3.
Schematische DarsteUung der Aluminiumoxidschichtbildung.
I
tt
Al:, 6
Chemie in der Schule: www.chids.de
11 a"
c«
Versuch 6: Anfärben anodisch oxidierter Oxidflachen
Eine 2i.ige Alizarin S-Lösung wird mit einem
beheizbaren Magnetrührer auf 50-60 D C erwärmt. Das
Farbbad wird ständig umgerührt. Anschließend wird das
elo xierte Al-Blech in das Farbbad gehalten. Nach 5
Minuten wird das Blech aus dem Farbbad heraus genommen
und gründlich mit Wasser abgespült.
Allgemein gibt es drei Methoden der Färbung von Oxidflächen:
a. Ausfällen schwerlöslicher Schwermetallkomplexe in der
Ox idsc hic ht
b. Elektrolytisches Abscheiden von Schwermetallen
c. Adsorption gelöster organischer Farbstoffe
In dem durchgeführten Versuch wird Methode c. angewandt. Das
Adsorptionsvermögen anodisch erzeugter Oxidflächen beruht auf
deren großen spezifischen Innenoberfläche und deren hohen
Polarität(Porenkanäle, siehe Versuch 5). Dabei erfolgt die
Bindung des Farbstoffes nach dem Prinzip des Ionenaust ausches:
Al-X-
+
y-
--->
Al-Y-
+
X-
(Y-
=
Alizarin S)
Farbstoffion und Gegenion k o nk u r r i e r e n um die Bindungsstelle am
Aluminium. Es bildet sich ein oktaedrisch k o o r d i n i e r t e r
Chelatkomplex(Ahb.8 !>'e~e. tlä...t,"'~fe, Sei--fe,):
,--
,
,\/~
•
--?Jt)t
-
i
~ ~!.I-
,
Oll
+
~
SO~I(
Q60H
~ I
I ~
SOJH
S-
~
12
Chemie in der Schule: www.chids.de
0,
t\
t)'
/0" lOH
t H(f)'
•
--
,
-
,
_
t
u
fiJlIDDD
o0
J
,~
sf •
I
Ahb. g
o
I
I
I
0-1- - -0""'"
I
I
JI ~t /
I
A(.,
I
0-- 1- 0 .
/
,
,I
o
•
Die Bildung des Komple xes erfolgt in einer
Gleichgewichtsreaktion. Aus diesem Grunde hat die
Farbstoffadsorption ein Temperaturoptimum. Der Farbton ist
abhängig von der Dicke der AI-Oxidschicht und von der Dauer der
Färbung, aber auch von der Temperatur <s.o.) und dem pH-Wert.
Abschließend erfolgt normalerweise die Verdichtung der
Oxidschicht <siehe Ve r s u c h 5). Nach Verdichtung wird das
Eindringen korridierender Substanzen verhindert und der Farbstoff
abriebfest in die Poren eingeschlossen. Dies ist der Grund fur
die hohe Farbbeständigkeit.
Chemie in der Schule: www.chids.de
13
... Versuch 7: Aluminothermie - Mangan-Darstellung
In einem Simon-Müller-Ofen wird 80 g Mn02(grau} eine
Stunde lang bei 1000 C geglüht. Das entstandene Mn~04
(rötlich) wird mit 20 g Al-Grieß gut vermischt und in
einem Tontiegel bzw. Blumentopf gebracht, dessen Boden
mit 10 gr. CaF 2(Flußmittel) bedeckt ist. Das
Zündgemisch aus 4 g Ba02(wasserfrei) und 6 g Mg-Pulver
(Vermischen durch schütteln in Pulverflasche, nicht
durch Verreiben im Mörser!!) wird in die im Gemisch
aus Mn 3 0 4 und Al-Grieß geformte Mulde eingefüllt. In
das Zündgemisch wird dann eine Wunderkerze
(Thermitzünder) hineingesteckt. Der Tiegel wird in
Sand eingebettet und die Wunderkerze angezündet
(Durchführung im Freien! !). Nach der heftigen Reaktion
wird abgewartet, bis das Reaktionsgemisch erkaltet
ist. Das entstandene Mangan, welches in Form von
Regula vorliegt, wird von der Schlacke befreit.
Bei dem obigen Versuch handelt es sich um ein von H. Goldschmidt
1897 eingeführtes Verfahren zur Darstellung von Metallen. Es wird
auch als Thermitverfahren bezeichnet. Es wird angewandt bei
Metallen, die bei der Reduktion mit Kohle Carbide bilden, wie
z.B. Mangan, Chrom, Vanadium, Kobald, Scantium. Bei der Gewinnung
obiger Metalle wird die hohe Bildungsenthalpie(hH = -1677 kj/mol)
des A120~ ausgenutzt, die ihre Ursache in der hohen Gitterenergie
des Oxids(Korund) hat. Die Reaktionstemperatur ist dabei so hoch
(2000-2500 C), daß das gesamte Reaktionsgemisch schmilzt und sich
Schlacke und Metall weitgehend voneinander trennen. Das CaF 2
(Flußmittel) begünstigt die Trennung. Allgemein können alle
Metalloxide mit der allg. Formel MenO m , deren Bildungsenthalpien
kleiner sind als die von A120~ nach diesem Verfahren reduziert
werden. Für Metalle mit hohem Dampfdruck (Alkalimetalle, Blei,
Zink) ist dieses Verfahren ungeeignet.
In dem obigen Versuch wurde Mangan dargestellt.
Reaktionsgleichungen:
3 MnO:;::(s)
3
Mn~04(S)
----)
+
MnO
Mn20~(S)
8 Ales)
14
Chemie in der Schule: www.chids.de
+
I
1
Versuch 8: Darstellung von Aluminiumbromid
In einem fest eingespannten Reagenzglas wird 0,5-1 cm
hoch flussiges Brom eingefüllt. Anschließend wird ein
aus Alufolie zusammengerolltes Rbhrchen dazugegeben.
Entsprechend ihrer Stellung in der Spannungsreihe [EO(AI/AI3+)=
-1,706 Vj EO(CI 2 / 2 C I - ) = +1,3595 VJ kommt es zwischen Aluminium
und Chlor zu einer heftigen Reaktion. Die dabei frei werdende
Energie(+126 kcal/mol) ist so hoch, daß teilweise Brom verdampft
(heftige Bromdämpfe) und Aluminium schmilzt und verbrennt
(heftige Funkenbildung).
Reaktionsgleichung:
+::!o-l
2 Al
( E l)
+
3
---->
Br:;?
2 AIBr3
Struktur (Abb. 9):
<, ,
,~
-:
/
I
I
15
t
Chemie in der Schule: www.chids.de
(6H«0>
,
."
- ~_
.
/
--
Aluminium-Halogenide sind Elektronenmangelverbindungen. Daher
sind sie im festen, im flüssigen und im gasförmigen Zustand
Dimer: das freie Eletronenpaar eines Bromatoms von einem anderen
AIBr~-Molekül schließt die Elektronenlücke am Aluminium. Formal
ist das Aluminium in dieser Verbindung sp3-hybridisiert.
Vermutlich werden aber reine p-Orbitale bei der Koordinierung
über die Brombrücke verwendet, da der Mittelwert der Winkel im
Ring 90° statt 109°28 'beträgt.
Bei höheren Temperaturen liegt AIBr~ als Monomeres vor (~Ho~•• =
59 kj/mol). Dann wird er Elektronenmangel am Aluminium dadurch
gemildert, daß sich die freien Elektronenpaare der Bromatome
näher am Aluminium aufhalten.
/
16
Chemie in der Schule: www.chids.de
.. '1& .
Versuch 9:
Zur Analytk des Aluminiums
Eine verdünnte Aluminiumsalz-Lösung wird mit einer
ethanolischen Morin-Lösung versetzt. Anschließend wird
das Reagenzglas mit der Mischung unter eine UV-Lampe
(366 nm) gehalten und die gelbgrüne Fluoreszenz
beobachtet.
In der Analytik des Aluminiums wird Al~+ durch ChelatkomplexBildung nachgewiesen. Chelate sind Komplexe mit mehrzähnigen
Liganden, wobei 5- und 6-gliedrige Ringe entstehen. Aluminium
bildet dabei das Zentralatom. Die Bildung ist nur möglich, wenn
die sich koordinierenden Atome so angeordnet sind, d~ß die
gerichteten Valenzen möglichst wenig aus der Normallage gedreht
werden.
Die Chelatbildung besitzt eine hohe Bildungskonstate. Der Grund
hierfür liegt in der Entropiezunahme, da bei der Komplexbildung
von einem Morin-Molekül mindestens zwei Wasser-Moleküle verdrängt
werden: die Anzahl der ungeordneten Teilchen nimmt zu.
In dem durchgeführten Versuch wird Al3+ mit Morin nachgewiesen.
Der sich bildende Chelatkomplex erscheint unter der UV-Lampe(366
nm) gelbgrün fluoreszierend.
Reaktionsgleichung:
~I
+ HOtJ
\
--,
,....,
~I{
I
~
VV-l..
,..t-L366 ..._)
&=-~
17
Chemie in der Schule: www.chids.de
Literatur:
Bukatsch, Franz/Glöckner, Wolfgang [Hg.]: Experimentelle
Schulchemie (Studienausgabe). Band 2: Anorganische Chemie.
Nichtmetalle 11. Köln 1977
Ders.: Experimentelle Schulchemie. Band 3. Anorganische Chemie.
Metalle. Köln 1977
Fluck, Eckehard/Mahr, Carl: Anorganisches Grundpraktikum. Weinheim
1985
Gerster, Ernst: Vorschrift: Aluminothermie - Mangan-Darstellung.
Marburg o.J.
Greenwood, N.N./Ernshaw, A.: Chemie der Elemente. Weinheim u.a.
1990
•
Keune, Hans/Filbry, Wolfgang: Chemische Schulversuche. Band 2:
Anorganische Chemie. Erster Teil. Berlin [Ost] 1972
Latzel, Gert: Die Behandlung der anodischen Oxidation im
Chemieunterricht unter Berücksichtigung von Unterrichtsfilmen.
In: Chemie-unterricht Nr. 1/1988
Naturwissenschaften im Unterricht Physik/Chemie Heft 37. September
1988. 36. Jahrgang
Praxis der Naturwissenschaften Chemie Heft 3/35 vom 15. April 1986
Stapf, Helmut/Rossa, Eberhard: Chemische Schulversuche. Eine
Einführung für den Lehrer. Teil 2: Metalle. Berlin [Ost] 1972
Chemie in der Schule: www.chids.de