Aluminiumgewinnung durch Elektrolyse einfach erklärt: Reaktionen

Wenn du dich mit Metallen beschäftigst, kommst du an der Aluminiumgewinnung durch Elektrolyse nicht vorbei. Hast du dich schon einmal gefragt, warum eine Getränkedose aus Aluminium nicht rostet, ein alter Eisennagel im Regen aber schon? Beide bestehen aus Metall, aber Aluminium hat einen genialen, unsichtbaren Trick auf Lager.

In dieser Lektion lernst du, warum Aluminium so besonders ist und wie wir dieses wichtige Metall mit Hilfe von sehr viel Strom aus Gestein gewinnen.

Vorwissen

• Ionen: Elektrisch geladene Teilchen (Atome oder Moleküle). Beispiel: In einer Salzlösung gibt es positiv und negativ geladene Ionen, die sich frei bewegen können.
• Elektrolyse-Pole: Bei einer Elektrolyse ziehen sich Gegensätze an. Beispiel: Positive Ionen wandern zur Kathode (Minuspol), negative Ionen wandern zur Anode (Pluspol).

Aufgabentyp 1: Reaktionsgleichungen der Elektrolyse aufstellen

Aluminium ist ein sogenanntes Leichtmetall. Weil es so leicht und trotzdem sehr stabil ist, finden wir es überall in unserem Alltag: in Getränkedosen, Karosserien von Autos, Flugzeugen und Küchengeräten.

Aber warum rostet es nicht? Wenn Eisen mit feuchter Luft in Berührung kommt, rostet es und zerbröselt mit der Zeit. Aluminium reagiert zwar auch mit der Luft, aber es bildet dabei sofort eine hauchdünne, unsichtbare Schicht aus Aluminiumoxid.

Diese Schicht wirkt wie ein perfekter Schutzanzug. Sie versiegelt das Metall darunter komplett, sodass keine weitere Luft mehr an das Aluminium herankommt. Deshalb nennt man Aluminium korrosionsbeständig (es wird nicht durch Witterung zerstört).

Um Aluminium herzustellen, braucht man den Rohstoff Bauxit. Aus diesem Gestein wird ein weißes Pulver gewonnen: das Aluminiumoxid ($\text{Al}_2\text{O}_3$).

Das Problem: Aluminiumoxid löst sich nicht in Wasser und schmilzt erst bei über 2000 °C. Um Strom hindurchzuleiten, müssen die Ionen aber flüssig und beweglich sein. Die Lösung ist ein Trick: Man mischt das Aluminiumoxid mit einem anderen Stoff namens Kryolith. Das Kryolith wirkt ähnlich wie Streusalz auf Eis und senkt die Schmelztemperatur auf etwa 950 °C. Weil man hier eine heiße Schmelze statt einer wässrigen Lösung verwendet, nennt man das Verfahren Schmelzflusselektrolyse.

Der Elektrolyseofen ist eine große Eisenwanne. Diese Wanne ist innen mit Graphit (Kohlenstoff) ausgekleidet und funktioniert als Kathode (Minuspol). Von oben hängen dicke Graphitblöcke in die heiße Schmelze. Sie sind die Anode (Pluspol).

In der Schmelze schwimmen nun Aluminium-Ionen ($\textcolor{#08BFFF}{\text{Al}^{3+}}$) und Oxid-Ionen ($\textcolor{#53E5D6}{\text{O}^{2-}}$).

• An der Kathode (Wanne) nehmen die Aluminium-Ionen Elektronen auf und werden zu flüssigem Aluminium, das sich am Boden sammelt.
• An der Anode (Blöcke) geben die Oxid-Ionen Elektronen ab und werden zu Sauerstoffgas ($\text{O}_2$).

Die Nebenreaktion: Bei 950 °C ist es im Ofen extrem heiß. Der frisch entstandene Sauerstoff reagiert sofort mit den Graphitblöcken (die ja aus Kohlenstoff bestehen). Der Graphit verbrennt zu Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$). Deshalb werden die Anoden langsam aufgefressen und müssen regelmäßig erneuert werden.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde heraus, aus welchen Ionen der Ausgangsstoff besteht (positiv und negativ).
2. Die positiven Ionen wandern zum Minuspol. Dort nehmen sie Elektronen ($\text{e}^-$) auf und werden zu ungeladenen Atomen.
3. Die negativen Ionen wandern zum Pluspol. Dort geben sie Elektronen ab und werden oft zu zweiatomigen Gasen (wie $\text{O}_2$). Achte darauf, die Anzahl der Teilchen und Elektronen auf beiden Seiten auszugleichen!

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Aluminium schützt sich selbst vor Korrosion durch eine dünne, unsichtbare Schicht aus Aluminiumoxid.
• Bei der Schmelzflusselektrolyse wird Kryolith hinzugefügt, um die Schmelztemperatur von Aluminiumoxid auf 950 °C zu senken.
• An der Kathode (Minuspol) entsteht flüssiges Aluminium.
• An der Anode (Pluspol) entsteht Sauerstoff, der die Graphitblöcke verbrennt, weshalb diese regelmäßig ausgetauscht werden müssen.