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Grundwissen

Die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Aluminium wird mithilfe der Schmelzflusselektrolyse gewonnen.
  • Mithilfe des Minerals Kryolit kann der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid herabgesetzt werden.
  • Bei der Schmelzflusselektrolyse reagiert das geschmolzene Aluminiumoxid mit Kohlenstoff zu reinem Aluminium und Kohlenstoffdioxid, was eine Redoxreaktion darstellt.
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Aluminium ist ein Metall, welches vielseitig einsetzt wird. Als Leichtmetall kommt es beispielsweise im Fahrzeug-, Flugzeug- und Gebäudebau zum Einsatz. Auch in der Verpackungsindustrie ist es weitverbreitet. Achte mal darauf, was alles in Aluminium eingepackt ist (z. B. Alufolie, Getränkedosen, Joghurtdeckel). Für uns ist heutzutage Aluminium aus dem Alltag nicht wegzudenken, eher selbstverständlich es zu haben. Früher war Aluminium teurer als Gold. Aluminium hatte dadurch einen so hohen Preis, da die Gewinnung von Aluminium sehr aufwendig war und sehr viel Energie benötigte. Erst mit der Optimierung der technischen Verfahren zur Gewinnung von Aluminium sank der Preis. Heute wird Aluminium mit der Schmelzflusselektrolyse hergestellt, wie du es in diesem Beitrag nachlesen kannst.

Warum Aluminium früher so teuer war

Hans Christian Ørsted hat 1825 erstmals Aluminium hergestellt. Dabei wurde Aluminium aus Aluminiumchlorid ($\ce{AlCl3}$) durch Kaliumamalgam ($\ce{KHg}$) reduziert. 1827 hat Friedrich Wöhler auf ähnliche Weise noch reineres Aluminium hergestellt. Mithilfe dieser Verfahren konnten nur mit hohem Aufwand geringe Mengen Aluminium gewonnen werden. 1854 wurde Aluminium durch die Elektrolyse einer Schmelze aus Natriumaluminiumchlorid ($\ce{NaAlCl4}$) dargestellt. Allerdings hat dieses Aluminiumsalz, wie alle anderen Salze, eine sehr hohe Schmelztemperatur, weshalb sehr viel Energie benötigt wurde, um wenig reines Aluminium zu erhalten. Erst durch die Elektrolyse von Aluminiumoxid ($\ce{Al2O3}$) in geschmolzenem Kryolith ($\ce{Na3[AlF6]}$) 1886 konnte die Schmelztemperatur gesenkt werden. Kryolith ist ein Mineral, welches in Grönland vorkommt und auch Eisstein genannt wird. Mit der Schmelzflusselektrolyse konnte die Produktion von Aluminium großtechnisch angelegt und der Kilopreis des Aluminiums sehr stark gesenkt werden.

Aufbau der Schmelzflusselektrolyse

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Sarah Brauns
Abb. 1 Aufbau der Schmelzflusselektrolyse

Heutzutage wird Aluminium immer noch mit der Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Die Elektrolyse ist immer nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Wir brauchen eine positive Elektrode (Anode), eine negative Elektrode (Kathode) und  eine Flüssigkeit (Elektrolyt), die die Elektroden umgibt und in der sich geladene Teilchen (Ionen) frei bewegen können. Typischerweise ist der Elektrolyt eine wässrige Lösung. Da wir für die Gewinnung von Aluminium allerdings sehr hohe Temperaturen benötigen, ist der Elektrolyt in diesem Fall eine Schmelze (Abb. 1).

Aluminium wird aus Aluminiumoxid ($\ce{Al2O3}$) hergestellt, welches durch vorherige Verfahren aus dem Erz Bauxit gewonnen wird. Aluminiumoxid hat eine Schmelztemperatur von \(\ce{2050°C}\). Dadurch, dass das Aluminiumoxid allerdings in Kryolith ($\ce{Na3[AlF6]}$) geschmolzen wird, kann die Schmelztemperatur auf insgesamt \(\ce{960°C}\) stark gesenkt werden. Kryolith hat eigentlich eine Schmelztemperatur von \(\ce{1012°C}\). Verblüffend ist also das Phänomen, dass beide Stoffe einzeln jeweils eine höhere Schmelztemperatur besitzen, als ein gemeinsames Gemisch. Wir nennen solche Gemische eutekische Mischung, wobei die Gemische andere Eigenschaften als die Reinstoffe haben. Bei der Schmelzflusselektrolyse ist der Elektrolyt also eine Schmelze aus Aluminiumoxid mit Krylith.

Die Schmelze liegt in einer Wanne, die aus einer Graphit-Elektrode besteht. Durch das Anschließen einer Spannung als Minuspol an diese Elektrode, wird die Graphit-Elektrode zur Kathode. Die Graphit-Elektroden, die in der Schmelze stecken, bilden die Anode bzw. den Pluspol.

An der Kathode bildet sich bei der Schmelzflusselektrolyse reines Aluminium, welches geschmolzen und flüssig ist. Das reine Aluminium hat  eine höhere Dichte als das Gemisch als Schmelze. Dadurch sinkt es zu Boden und wird durch eine Leitung abtransportiert.

An der Anode entsteht Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$), welches als Gas aufsteigt und abgeleitet wird. Dadurch, dass der Kohlenstoff von der Graphit-Elektrode abgegeben wird, zersetzen sich die Anoden mit der Zeit und müssen immer wieder ausgetauscht werden.

Bei der Schmelzflusselektrolyse entstehen Aluminium und Kohlenstoffdioxid

Insgesamt findet bei der Schmelzflusselektrolyse eine Redox-Reaktion statt, die wir dir nun erklären (Abb. 2): An der Kathode (Minuspol) werden die Aluminium-Ionen ($\ce{4 Al^3+}$) zu Aluminium ($\ce{Al}$) reduziert. An der Anode (Pluspol) werden die Kohlenstoff-Atome ($\ce{C}$) der Graphit-Elektrode oxidiert und gehen mit den Sauerstoff-Ionen ($\ce{O^2-}$) des Aluminiumoxids eine Bindung ein. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$).

Reduktion an der Kathode: ($\ce{4 Al^3+ + 12 e^- -> 4 Al}$)

Oxidation an der Anode: ($\ce{3 C + 6 O^2- -> 3 CO2 + 12 e^-}$)  

Redoxreaktion:    ($\ce{2 Al2O3 + 3 C -> 4 Al + 3 CO2}$)  

Insgesamt ist die Redoxreaktion endotherm, weshalb fortlaufend Energie hinzugefügt werden muss.

Abb. 2 Animation Schmelzflusselektrolyse

Die Aluminiumgewinnung ist schlecht für die Umwelt

Bevor Aluminiumoxid ($\ce{Al2O3}$) bei der Schmelzflusselektrolyse eingesetzt werden kann, muss es mit einem Energieaufwand aus dem Bauxit gewonnen werden. Zudem entstehen bei diesen Prozessen unterschiedliche Treibhausgase. Damit Aluminiumoxid mit dem Kryolith als Schmelze flüssig bleibt, wird Wärmeenergie benötigt. Damit die Aluminium-Ionen aus der Schmelze zu elementarem Aluminium ($\ce{Al}$) reduziert werden, wird elektrische Energie benötigt. Gleichzeitig entsteht ebenso Kohlenstoffdioxid (\(\ce{CO2}\)).

Folglich wird zur Herstellung von Aluminium eine enorme Menge an Energie benötigt und eine Menge Treibhausgase werden produziert. Zudem haben Bauxit und Kryolith weite Fahrtwege zu den Orten, an denen Aluminium hergestellt wird. Insgesamt hat also die Gewinnung von Aluminium negative Auswirkungen auf unsere Umwelt.

Das Recycling von Aluminium ist besser

Dadurch, dass der Aufwand der Gewinnung von Aluminium sehr aufwendig und umweltschädigend ist, lohnt sich das Recycling von Aluminium. Für das Recycling von Aluminium wird nur ein Bruchteil an Energie benötigt, die bei der Gewinnung durch Bauxit und der Schmelzflusselektrolyse notwendig wäre.

Aufgaben

Die Schmelzflusselektrolyse von Aluminium

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