Aluminium wird durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid gewonnen (Abbildung 1). Hierbei befindet sich - vereinfacht betrachtet - geschmolzenes Aluminiumoxid in einer mit Kohle beschichteten Wanne, in die Kohlestäbe tauchen. Das Aluminiumoxid reagiert während der Elektrolyse zunächst zu Aluminium und elementarem Sauerstoff. Der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff reagiert in einer Folgereaktion mit dem Kohlenstoff der Kohlestäbe zu Kohlenstoffdioxid.

• Stelle die Teilgleichungen für die an den Elektroden ablaufenden Vorgänge auf.
• Ordne den Elektroden die Begriffe Pluspol, Minuspol, Anode, Kathode, Oxidation und Reduktion zu.
• Stelle die Gesamtreaktionsgleichung aus Elektrolyse und Folgereaktion auf.

Manche Metalle lassen sich durch Elektrolyse aus ihren wässrigen Salz-Lösungen herstellen.

• Erkläre, dass die Gewinnung von Aluminium aus einer wässrigen Aluminiumsalz-Lösung durch Elektrolyse unter Standardbedingungen jedoch nicht möglich ist.

Im Automobilbau wird Aluminium vor allem für die tragenden Karosserieteile verwendet. Für den Bau eines Elektroautos werden Aluminium benötigt.

• Berechne die Masse an Aluminiumoxid, die für die Herstellung dieses Elektroautos mindestens benötigt wird.
• Erkläre die Duktilität des Aluminiums mithilfe einer Modellvorstellung.

Aluminium-Luft-Batterien werden in der Forschung als mögliche Energiespeicher für den Antrieb von Elektroautos untersucht. In diesen Batterien dienen Aluminium und Sauerstoff als Ausgangsstoffe.

In einem Modellversuch soll die Spannung einer Aluminium-Luft-Batterie gemessen werden. Für den Versuch stehen unter anderem folgende Materialien zur Verfügung: Graphit-Stab, Aluminiumfolie, wässrige Kaliumchlorid-Lösung

• Zeichne einen beschrifteten Aufbau dieses Modellversuchs.
• Erkläre eine Funktion der Kaliumchlorid-Lösung.
• Stelle die Teilgleichungen für Oxidation und Reduktion sowie die Gesamtgleichung auf, wenn die beiden Elektroden leitend miteinander verbunden sind.
• Berechne die zu erwartende Spannung der Batterie unter Verwendung der Elektrodenpotenziale aus Anlage 3.

In einem Internet-Forum sind zur Aluminium-Luft-Batterie folgende Aussagen zu lesen:

• Beurteile diese Aussagen.

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Teilgleichungen für die Elektrodenvorgänge Kathode (kohlebeschichtete Wanne): Anode (Kohlestäbe): Zuordnung der Begriffe Die kohlebeschichtete Wanne stellt die Kathode und damit den Minuspol dar. Hier erfolgt die Reduktion. An den Kohlestäben erfolgt die Oxidation und stellt demnach die Anode und den Pluspol dar. Gesamtreaktionsgleichung

Erklärung zur Unmöglichkeit der Aluminiumgewinnung aus wässriger Aluminiumsalz-Lösung Zur Erklärung werden die Standardelektrodenpotenziale betrachtet und der Wert für die Reduktion von Wasser mit der von verglichen: Das Potenzial des Redoxpaares ist negativer als das des Redoxpaares wodurch das Wasser zuerst reduziert werden würde. Somit wäre die Elektrolyse ineffizient und würde nicht bevorzugt Aluminium, sondern Wasserstoffgas produzieren.

Berechnung der benötigten Aluminiumoxid-Masse Mit der gegebenen Masse und der molaren Masse von Aluminium wird zunächst berechnet, welche Stoffmenge benötigt wird: Aus der Reaktionsgleichung folgen die Stoffmengenverhältnisse: Daraus folgt: Erklärung der Duktilität von Aluminium Die Duktilität von Aluminium lässt sich durch das Elektronengas-Modell erklären. In Metallen wie Aluminium sind die Außenelektronen der Metall-Atome frei beweglich und nicht fest an einzelne Atomrümpfe gebunden. Stattdessen bilden sie ein sogenanntes Elektronengas, das sich frei zwischen den Atomrümpfen bewegen kann. Verschieben sich die Atomrümpfe durch äußere Einwirkung, kommt es daher nicht zur Abstoßung der positiven Ladungen; die Metallbindung bleibt erhalten.

Beschrifteter Aufbau des Modellversuchs Funktion der Kaliumchlorid-Lösung Die frei beweglichen Ionen in der Kaliumchlorid-Lösung bewirken die elektrische Leitfähigkeit der Lösung. Erst dadurch kann die Reaktion stattfinden. Teilgleichungen und Gesamtgleichung Berechnung der Spannung Es gilt:

Beurteilung der Aussagen