Aufgabe 3 · Abitur NRW Chemie LK · Aluminium als Werkstoff 2026

Aluminium als Werkstoff

Aluminium ist eines der häufigsten in der Erdkruste enthaltenen Metalle. Dort kommt es nicht elementar vor, sondern in Form von Aluminiumerzen. Die Verwendungsmöglichkeiten von Aluminium sind vielfältig. So wird es häufig im Fahrzeugbau eingesetzt, aber z. B. auch zur Produktion von Kaffeekapseln oder Getränkedosen verwendet.

Material 1: Herstellung von Aluminium [1]

Aluminium ist ein vergleichsweise junger Werkstoff, der erst seit Anfang des 20. Jahrhunderts intensiv genutzt wird. Als Rohstoff für die Aluminiumherstellung dient das Erz Bauxit. In ihm liegt Aluminium als Hydroxid vor. Daneben sind noch Verunreinigungen z. B. durch Eisenoxide enthalten.

In der ersten Verarbeitungsstufe werden im sogenannten Bayer-Verfahren die Verunreinigungen vom Aluminiumhydroxid abgetrennt. Dazu wird das gemahlene Bauxit mit 25–45%iger Natronlauge unter erhöhtem Druck bei 120–230 °C umgesetzt. Aluminiumhydroxid ($\mathrm{Al(OH)_3}$) ist im Gegensatz zu den Verunreinigungen im Bauxit in Natronlauge unter Bildung von Aluminat ($[\mathrm{Al(OH)_4}]^-$, Tetrahydroxidoaluminat(III)-Ionen) weitgehend löslich. Die nicht gelösten Bestandteile des Bauxits werden bei etwa 90 °C abfiltriert, gewaschen und bilden den sogenannten Rotschlamm, dessen Farbe von den Eisenoxiden herrührt. Dieser wird meist deponiert, kann aber auch als Rohstoff z. B. im Straßenbau genutzt werden.

Die Aluminat-Lösung wird abgekühlt und durch Versetzen mit einem Kristallisationskeim zu festem, reinem Aluminiumhydroxid ausgefällt. Die zurückbleibende Natronlauge wird durch Eindampfen auf die Ausgangskonzentration gebracht und in einem Kreislauf der ersten Stufe wieder zugeführt. Verluste werden durch Zusatz von frischer Lauge ergänzt.

In der folgenden Verarbeitungsstufe wird das Aluminiumhydroxid gewaschen und dann in großen Drehrohröfen auf 1.200–1.300 °C erhitzt. Unter Wasserabspaltung wird dabei das Hydroxid zum Oxid umgesetzt, ein Vorgang, der auch als Kalzinierung bezeichnet wird. Das so gewonnene Aluminiumoxid hat eine Reinheit von über 99,5 %.

Die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumoxid erfolgt im dritten Schritt über eine Schmelzflusselektrolyse. Hierbei wird die Schmelztemperatur durch Zugabe von Kryolith (als Hilfsstoff) von ca. 2.000 °C auf 940–980 °C herabgesetzt. Die Elektroden bei dieser Schmelzflusselektrolyse bestehen aus Graphit, es entsteht neben Aluminium noch Kohlenstoffmonooxid sowie Kohlenstoffdioxid. Das flüssige Aluminium sammelt sich am Boden der Elektrolysezelle und kann dort entnommen werden.

Das gesamte Verfahren zur Aluminiumherstellung ist ein sehr energieaufwändiges Verfahren. Die Schmelzflusselektrolyse erfolgt z. B. bei einer Stromstärke von $I = 150\text{ kA}$ und einer Zellspannung von $U = 5\text{ V}$.

Material 2: Eine Aluminium-Sauerstoff-Zelle [2]

In einer Abenteuergeschichte ist eine Gruppe Jugendlicher auf dem Weg zum Campingurlaub mit dem Auto in der Wüste liegengeblieben. Sie müssen dringend Hilfe holen, aber die Handyakkus sind leer. Am Straßenrand finden sie eine leere Getränke-Dose aus Aluminium. Fürs Grillen haben sie Holzkohle und natürlich auch Kochsalz dabei. Einer der Jugendlichen konstruiert unter anderem mit diesen Hilfsmitteln eine kleine galvanische Zelle, mit der es ihm gelingt, ein Handy zu laden.

Im Labor soll untersucht werden, ob mit diesen Materialien tatsächlich eine galvanische Zelle aufgebaut werden kann.

Geräte:

2 Kabel mit Klemmen

Glasstab

Spatellöffel

Spannungsmessgerät

Graphit-Stab

Becherglas

aufgeschnittene, innen angeschmirgelte Getränkedose aus Aluminium

Chemikalien:

Natriumchlorid (Kochsalz)

Wasser

Material 3: Ausgewählte Potenziale (bei $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$) [3]

reduzierte Form · $\rightleftharpoons$ · oxidierte Form + z $\text{e}^-$ · $E$

$\mathrm{H_2 + 2\,H_2O}$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{2\,H_3O^+ + 2\,e^-}$ · $-0{,}41\text{ V}\;(\mathrm{pH} = 7)$

$\mathrm{4\,OH^-}$ · $\rightleftharpoons$ · $\mathrm{O_2 + 2\,H_2O + 4\,e^-}$ · $+0{,}82\text{ V}\;(\mathrm{pH} = 7)$

Material 4: Primär- und Sekundäraluminium [4] – [7]

Aluminium ist ein Leichtmetall. Die geringe Dichte und die hohe Korrosionsbeständigkeit haben Aluminium schnell zu einem beliebten Werkstoff werden lassen. Allerdings ist seine Herstellung unter Umweltaspekten kritisch zu bewerten.

Bei der Herstellung einer Tonne Primäraluminium (Aluminium, das aus Bauxit hergestellt wird) werden insgesamt 16,1 Tonnen Kohlenstoffdioxid frei. Im Vergleich dazu setzt die Stahlproduktion beispielsweise pro Tonne Stahl nur 1,7 Tonnen Kohlenstoffdioxid frei. Der Energiebedarf für die Herstellung einer Tonne Stahl beläuft sich auf 5,71 MWh (Megawattstunden), eine Tonne Primäraluminium benötigt ca. 40 MWh. Dennoch ist der Bedarf an Aluminium weiterhin stark ansteigend. Die Hauptproduktion von Primäraluminium erfolgt in China und Russland noch über die Bereitstellung der elektrischen Energie durch Kohlekraftwerke, während diese in ebenfalls stark produzierenden Ländern wie Kanada und Norwegen durch den Einsatz von Wasserkraft erfolgt.

In Deutschland gewinnt die Herstellung von Sekundäraluminium (Aluminium aus Recycling) an Bedeutung. Im Vergleich zu Primäraluminium werden beim Recycling von Aluminium 95 % Energie und 90 % Kohlenstoffdioxidausstoß eingespart. Allerdings lässt sich Aluminium nicht einfach recyceln, da im Müll ein Mix verschiedener Aluminiumlegierungen und diverser Zusatzstoffe vorliegt. Damit ist es schwierig, reines Aluminium durch Recycling herzustellen, die Qualität nimmt ab und mit jedem Recyclingprozess wird das Problem größer. Nach einer gewissen Anzahl von Recycling-Durchläufen kann man das Produkt nicht mehr recyceln und es landet auf dem Müll. „Downcycling“ nennt sich dieses Phänomen. Seit März 2023 ist ein Verfahren auf dem Markt, das im Vorfeld durch Einsatz von Lasertechnik die zu recycelnden Aluminiumprodukte möglichst sortenrein trennt, sodass auch hochwertiges Sekundäraluminium erzeugt wird. Das Verfahren ist noch in der Erprobungsphase.

3 Beschreiben Sie die ablaufenden Vorgänge in einer Aluminium-Sauerstoff-Zelle auf Teilchenebene (M 2).

Stellen Sie die Teilgleichungen sowie die Gesamtgleichung für die beim Entladevorgang ablaufenden Reaktionen auf (M 2, M 3).

Berechnen Sie die bei $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$ zu erwartende Zellspannung (M 2, M 3).

Begründen Sie die Abweichung der gemessenen Zellspannung aus Aufgabe 2 vom berechneten Wert. Gehen Sie dabei auf vier Aspekte ein (M 2, M 3).

Hinweis: Sollten Sie in Teilaufgabe 2 keinen Messwert erhalten haben, gehen Sie von einer gemessenen Zellspannung von $U = 1{,}2\text{ V}$ aus.