VAW Aluminium AG Bonn - Portal Schule Wirtschaft
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Vollmer: KIS Köln <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Seite 1<br />
I&S Gesellschaft<br />
für partnerschaftliche<br />
Beziehungen<br />
zwischen Industrie<br />
und<br />
<strong>Schule</strong>/Öffentlichkeit<br />
<strong>Bonn</strong> 1997<br />
Doris Servos, Dr. Monika Kenn<br />
Kopiervorlage 1<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong><br />
BONN<br />
Lehrplananbindung<br />
Kopiervorlage / Unterrichtsinhalte, -ziele, -methoden<br />
S I/II Unternehmen der Region (Ch, Sw, Ek)<br />
(1) Unternehmensprofil (Information)<br />
(1) Das Element <strong>Aluminium</strong> (problemorientierter Einstieg)<br />
S I <strong>Aluminium</strong> in der Lebenswelt (Verpackungsmaterial, Automobilindustrie) (Sw, Ch)<br />
(2) <strong>Aluminium</strong> als Gebrauchsmetall (Information)<br />
(2) <strong>Aluminium</strong> als Verpackungsmaterial im Vergleich mit anderen Materialien<br />
(problemorientiert)<br />
(2) <strong>Aluminium</strong> in der Automobilindustrie (Information)<br />
- Fallbeispiel (problemorientiert)<br />
S I/II <strong>Aluminium</strong> / <strong>Aluminium</strong>oxid / Rost / Reduktion u. Oxidation (Ch)<br />
(3) Oxidation von <strong>Aluminium</strong> und Eisen im Vergleich<br />
(phänomenologisch, problemorientiert)<br />
(3) Versuche mit <strong>Aluminium</strong>; Reaktion mit Salzsäure, Natronlauge und Iod,<br />
Wärmeleitfähigkeit (handlungsorientiert)<br />
S I/II <strong>Aluminium</strong> / Oberflächenveredelung; Eloxalverfahren / Redoxreaktionen (Ch)<br />
(4) Oberflächenverbesserung (Information)<br />
(4) Eloxieren und Einfärben einer Eloxalschicht (handlungsorientiert)<br />
Materialien: Broschüren zum Thema „<strong>Aluminium</strong>“<br />
Kontaktschule<br />
Collegium Josephinum <strong>Bonn</strong><br />
Kölnstraße 413<br />
53117 <strong>Bonn</strong><br />
Tel. 02 28/ 5 55 85 60<br />
Mitarbeit und fachliche Beratung: Dr. Gerhard Kudermann (<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> <strong>Bonn</strong>)<br />
Co-Autor: Christoph Merschhemke (I&S GmbH)
Seite 2<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage 1<br />
Im August 1996 wurde einer der auffälligsten Gebäudekomplexe<br />
der <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> <strong>Bonn</strong> (<strong>VAW</strong> <strong>Bonn</strong>) im Zuge<br />
einer Neustrukturierung verkauft. Es handelt sich um das langgestreckte<br />
rote Ziegelgebäude, das du siehst, wenn du auf der<br />
Autobahn A 555 vom Autobahnkreuz <strong>Bonn</strong>-Nord kommend in<br />
Richtung Köln fährst. Dieses Werkgebäude, das sich über eine<br />
Länge von etwa 500 m an der Autobahn erstreckt, war ein Teil<br />
der „Leichtmetallwerke“, wo die <strong>VAW</strong> früher angewärmte<br />
Rundbarren (Preßbarren) aus <strong>Aluminium</strong> zu Profilen, z.B. für<br />
Verpackungen aus <strong>Aluminium</strong><br />
Die Geschichte eines jungen Werkstoffes<br />
Der Werkstoff <strong>Aluminium</strong> hat erstaunlicherweise eine noch junge<br />
Geschichte. Wissenschaftler entdeckten dieses Leichtmetall<br />
erst vor etwa 200 Jahren. Die Eisengewinnung hatte zu dieser<br />
Zeit dagegen schon eine lange Tradition. Die späte Entdeckung<br />
muß dem Laien um so erstaunlicher erscheinen, weil <strong>Aluminium</strong><br />
viel häufiger als alle übrigen Metalle vorkommt: Die Erdrinde<br />
enthält über 8% <strong>Aluminium</strong>, aber nur 4% Eisen.<br />
In der Natur kommt <strong>Aluminium</strong> nur in Form von Verbindungen<br />
wie z.B. <strong>Aluminium</strong>silikaten und <strong>Aluminium</strong>hydroxiden vor.<br />
Letztere sind im sogenannten Bauxit angereichert, das als<br />
<strong>Aluminium</strong>erz abgebaut wird. Der <strong>Aluminium</strong>hydroxidgehalt<br />
von Bauxit beträgt - bezogen auf <strong>Aluminium</strong>oxid Al 2 O 3 - 50 bis<br />
60 Prozent. Um eine Tonne metallisches <strong>Aluminium</strong> herstellen<br />
zu können, sind ca. 2 Tonnen <strong>Aluminium</strong>oxid und entsprechend<br />
ca. 4 Tonnen Bauxit erforderlich.<br />
Der Name Bauxit leitet sich übrigens von dem südfranzösischen<br />
Dorf Les Baux nahe der bekannten Stadt Arles ab, wo dieses<br />
<strong>Aluminium</strong>erz 1821 entdeckt wurde. In den darauffolgenden<br />
Jahren wurden verschiedene Verfahren zur <strong>Aluminium</strong>-<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong><br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong><br />
den Aufbau der Mittelwagen des ICE, preßte. Heute werden<br />
diese Arbeiten unter der Regie des niederländischen Unternehmens<br />
„Hoogovens <strong>Aluminium</strong>“ ausgeführt.<br />
Die <strong>VAW</strong> ist eines der größten europäischen <strong>Aluminium</strong>unternehmen<br />
mit ca. 12600 Mitarbeitern in zahlreichen Werken<br />
in Deutschland und Tochtergesellschaften im In- und Ausland.<br />
Das Unternehmen liefert seine Produkte, vornehmlich<br />
Walzerzeugnisse, flexible Verpackungen sowie Formgußteile für<br />
Motoren in die Zielmärkte Verpackung, Verkehr und Bau.<br />
Die <strong>VAW</strong> - ein Unternehmen im Wandel<br />
Die Abkürzung <strong>VAW</strong> für den früheren Namen Vereinigte <strong>Aluminium</strong>-Werke<br />
könnte man für <strong>Bonn</strong> auch so deuten: Von hier<br />
aus in alle Welt. <strong>Bonn</strong> ist Sitz der Konzernzentrale, von wo die<br />
weltweit 73 Beteiligungsgesellschaften durch 178 Mitarbeiter<br />
gelenkt werden. Du findest sie in der Georg-von-Boeselager-<br />
Straße, nicht weit entfernt vom ehemaligen Strangpreßwerk.<br />
Daneben gibt es am Standort <strong>Bonn</strong> den Zentralbereich Forschung<br />
und Entwicklung mit 164 sowie drei weitere Beteiligungsgesellschaften<br />
mit insgesamt 107 Mitarbeitern.<br />
<strong>VAW</strong> Motor GmbH: Zu ihr gehören <strong>Aluminium</strong>gießereien in<br />
Deutschland, Österreich, England, Ungarn und Mexico. Diese<br />
Gesellschaft versteht sich als Entwicklungspartner der Automobilindustrie.<br />
<strong>VAW</strong> <strong>Aluminium</strong>-Technologie GmbH: Diese Gesellschaft vermarktet<br />
ihr umfassendes Know-how zur Modernisierung von<br />
<strong>Aluminium</strong>hütten weltweit, zuletzt nach Südafrika und Sibirien.<br />
V.I.S. Informationssysteme GmbH: In Zusammenarbeit mit<br />
einem Rechenzentrum in Grevenbroich erbringt sie konzerninterne<br />
Dienstleistungen.<br />
gewinnung aus Bauxit entwickelt. Gegen Ende des Jahrhunderts<br />
standen schließlich geeignete Verfahren zur großtechnischen<br />
Produktion von <strong>Aluminium</strong> zur Verfügung. Im Jahre 1917 wurden<br />
daraufhin die Vereinigten <strong>Aluminium</strong>-Werke, die größte<br />
deutsche <strong>Aluminium</strong>gesellschaft, gegründet.<br />
Aufgaben<br />
1. Schreibe in Stichpunkten auf, was du über <strong>Aluminium</strong><br />
weißt.<br />
2. Welche Gegenstände kennst du, die aus <strong>Aluminium</strong><br />
hergestellt sind?<br />
3. Versuche mit Hilfe deines Chemiebuches herauszufinden,<br />
warum <strong>Aluminium</strong> erst viel später als Eisen entdeckt und<br />
als Werkstoff verwendet wurde.<br />
4. Warum zeigt Bauxit trotz seines hohen <strong>Aluminium</strong>gehaltes<br />
keinen metallischen Glanz?
Vollmer: KIS Köln <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Seite 1 3<br />
Kopiervorlage 12<br />
<strong>Aluminium</strong> ist heute nach Eisen das wichtigste Gebrauchsmetall.<br />
Seine außergewöhnlichen Eigenschaften eröffnen ihm<br />
vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Ver-<br />
<strong>Aluminium</strong> als Verpackungsmaterial<br />
Wer kennt sie nicht, die Alu-Folie zum Frischhalten von Lebensmitteln?<br />
<strong>Aluminium</strong> läßt sich zu dünnen Bändern und<br />
Folien walzen, die für den Verpackungsbereich große Bedeutung<br />
erlangt haben. Die geschätzten Eigenschaften von <strong>Aluminium</strong><br />
hierbei sind: Das Metall ist leicht und fest zugleich, es<br />
reflektiert Licht-, Wärme- und UV-Strahlen. Aufgrund seiner<br />
hohen Dichtigkeit verhindert <strong>Aluminium</strong> das Eindringen von<br />
Fremdaroma, Keimen, Luft und Licht sowie Aromaverluste.<br />
Aufgaben<br />
1. Für welche Anwendungen wird <strong>Aluminium</strong> als Verpakkungsmaterial<br />
verwendet? Welche Eigenschaften von<br />
<strong>Aluminium</strong> begründen den jeweiligen Einsatz des Metalls<br />
als Verpackungsmaterial und welche Wirkung wird<br />
jeweils erzielt?<br />
Beispiel:<br />
Anwendung Eigenschaft von erzielte<br />
<strong>Aluminium</strong> Wirkung<br />
Heiße Pizza Wärmereflexion Die Pizza bleibt<br />
länger heiß.<br />
2. Erstelle eine Liste mit Vor- und Nachteilen für <strong>Aluminium</strong>,<br />
Glas, Eisen und Kunststoff als Verpackungsmaterial<br />
<strong>Aluminium</strong> in der Automobilindustrie<br />
<strong>Aluminium</strong> hält mehr und mehr Einzug in den Automobilbau.<br />
In den letzten Jahren haben die Autohersteller zunehmend ihre<br />
Fahrzeuge im Bereich Fahrwerk, Motor und Getriebe auf <strong>Aluminium</strong><br />
umgerüstet. Motorblöcke, Zylinderköpfe und Felgen<br />
aus <strong>Aluminium</strong> sind heutzutage schon fast selbstverständlich.<br />
Neuerdings geht man aber noch einen Schritt weiter: Die er-<br />
Fuhrunternehmer Anton Schnell muß scharf kalkulieren!<br />
Transportunternehmer Anton Schnell will einen neuen Lastkraftwagen<br />
für seinen Fuhrpark anschaffen. Ihm liegen zwei<br />
Angebote vor: die altbewährte und preiswertere Stahlbauausführung<br />
und ein Modell in <strong>Aluminium</strong>-Bauweise, das immerhin<br />
25.000 DM teurer in der Anschaffung ist.<br />
Der Hersteller des <strong>Aluminium</strong>fahrzeugs weist auf den um 1 t<br />
leichteren Aufbau hin. Bei gleicher Achslast der Fahrzeuge -<br />
so erkennt Anton Schnell - kann er also bei jeder Fahrt 1 t mehr<br />
an Lasten transportieren. Anton schnell hollt seine Betriebsdaten<br />
aus der Schublade (siehe rechts) und beginnt zu rechnen:<br />
Aufgaben<br />
4. Überlege, welche Rechnung Anton Schnell aufstellen<br />
wird. Rechne mit.<br />
5. Für welches Fahrzeug wird sich Anton Schnell entscheiden?<br />
Begründe deine Antwort anhand der Berechnungen.<br />
6. Sammle Argumente, die für einen Transporter aus<br />
<strong>Aluminium</strong> sprechen. Berücksichtige dabei auch Umweltbelange.<br />
Der Einzug von <strong>Aluminium</strong> ins tägliche Leben<br />
kehr, Bauwesen, Maschinenbau oder Elektrotechnik. Zunehmende<br />
Bedeutung gewinnt <strong>Aluminium</strong> auch als Verpackungsmaterial<br />
und ganz allgemein im Haushaltswarenbereich.<br />
Ich bin aus Alu<br />
Ich bin aus PE<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
Glas<br />
sten Fahrzeuge mit einer Karosserie ganz aus <strong>Aluminium</strong> sind<br />
auf dem Markt.<br />
Aufgabe<br />
3. Welche Vor- und Nachteile hat die fortschreitende Verwendung<br />
von <strong>Aluminium</strong> im Fahrzeugbau?<br />
6,3<br />
PE<br />
Betriebsdaten Anton Schnell<br />
a: Jährliche Fahrstrecke pro LKW mit<br />
100 % Auslastung:<br />
Frachteinnahmen je t und km bei<br />
100 % Auslastung<br />
b: Treibstoffkosten je t LKW/100 km<br />
bezogen auf die Leerfahrten<br />
(54.000 Leerkilometer pro LKW<br />
und Jahr)<br />
c: Laufzeit seiner Transporter:<br />
Energieaufwand zur Herstellung eines<br />
Kubikmeters in Gigajoule [GJ]<br />
0<br />
88,6<br />
Fe<br />
351,6<br />
Al<br />
732,5<br />
Know-how in <strong>Aluminium</strong>: Aufreißdeckel für Getränkedosen<br />
aus der Forschung und Entwicklung der <strong>VAW</strong><br />
Ob nah ob fern,<br />
A. Schnell<br />
hilft immer gern<br />
70.000 km<br />
0,17 DM<br />
6.00 DM<br />
ca. 5 Jahre<br />
A. Schnell<br />
Nah- und Ferntransporte
Seite 4<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage 13<br />
Einem Vorurteil auf der Spur: Eisen rostet, <strong>Aluminium</strong> nicht<br />
Wer kennt es nicht, das leidige Problem mit dem Rost. Früher mußte man sein<br />
Fahrrad, das noch zu großen Teilen aus Eisen bestand, sorgfältig reinigen und<br />
fetten, damit sich der Rost nicht durch den Lenker und die Felgen fraß. Die<br />
Besitzer von <strong>Aluminium</strong>rädern heute kennen dieses Problem nicht.<br />
Vergleichen wir einmal das Verhalten von <strong>Aluminium</strong> und Eisen an der Luft,<br />
so stellen wir fest, daß sowohl Eisen als auch <strong>Aluminium</strong> mit Sauerstoff<br />
reagieren. <strong>Aluminium</strong> reagiert spontan mit dem Luftsauerstoff unter Bildung<br />
einer festhaftenden schützenden Oxidschicht. Die Oxid-/Hydroxidschicht auf<br />
Eisen ist porös und verhindert bei feuchter Luft nicht die weitere Korrosion.<br />
Die glänzende <strong>Aluminium</strong>oberfläche wird an der Luft matt und stumpf. Eisen<br />
wird von der gefürchteten rotbraunen Rostschicht überzogen.<br />
Aufgaben<br />
1. Obwohl Gegenstände aus <strong>Aluminium</strong> viel schneller an der Luft reagieren<br />
als solche aus Eisen, müssen Eisengegenstände vor dem<br />
Korrosionsangriff von feuchter Luft geschützt werden. Versuche diesen<br />
scheinbaren Widerspruch anhand der Abbildung auf der rechten Seite<br />
aufzulösen.<br />
2. Warum ist die Aussage, <strong>Aluminium</strong> rostet nicht, eigentlich falsch?<br />
3. Bearbeite einen angerosteten Eisengegenstand und ein nicht glänzendes<br />
Stück <strong>Aluminium</strong> mit Schmirgelpapier und formuliere deine Beobachtung.<br />
V1: Reaktion von <strong>Aluminium</strong> mit Salzsäure<br />
Materialien: <strong>Aluminium</strong>grieß oder -späne, Reagenzglas mit seitlichem<br />
Ansatz, Reagenzglas, Stopfen, kurzes Stück Gummischlauch,<br />
Glaswanne, gebogenes Glasrohr, verdünnte Salzsäure.<br />
Durchführung: Man gibt einige <strong>Aluminium</strong>späne oder einen<br />
Spatellöffel <strong>Aluminium</strong>grieß in ein Reagenzglas mit seitlichem<br />
Ansatz, verbindet diesen über ein Gummischlauchstück mit einem<br />
Gasableitungsrohr, das in eine runde, mit Wasser gefüllte<br />
Glaswanne taucht (siehe Abbildung rechts). Anschließend gibt<br />
man einige Milliliter verdünnte Salzsäure auf das <strong>Aluminium</strong> und<br />
verschließt das Reagenzglas mit einem Gummistopfen. Man<br />
fängt das sich bildende Gas in einem Reagenzglas auf. Wenn das<br />
Reagenzglas mit dem Gas gefüllt ist, hält man es mit der Öffnung<br />
(vorsichtig) an die nicht leuchtende Bunsenbrennerflamme.<br />
Aufgaben<br />
4. Schreibe deine Beobachtungen auf.<br />
5. Welches Gas ist entstanden?<br />
V2: Reaktion von <strong>Aluminium</strong> mit Natronlauge<br />
Materialien:<br />
Wie Versuch 1; anstelle von verdünnter Salzsäure verdünnte<br />
Natronlauge.<br />
Durchführung:<br />
Man verwendet die oben beschriebene Apparatur und gibt statt<br />
der Salzsäure einige Milliliter verdünnte Natronlauge hinzu.<br />
Ansonsten führt man den Versuch wie oben beschrieben durch.<br />
Aufgabe<br />
7. Notiere und deute die Beobachtungen.<br />
<strong>Aluminium</strong>, das etwas andere Metall<br />
Einige Versuche mit <strong>Aluminium</strong><br />
Salzsäure<br />
<strong>Aluminium</strong>späne<br />
Verhalten von <strong>Aluminium</strong> an der Luft<br />
O 2<br />
Al<br />
HO<br />
2<br />
Verhalten von Eisen an der Luft<br />
Fe<br />
O 2<br />
HO<br />
2<br />
6. Formuliere die Reaktionsgleichung.<br />
Fe O<br />
2 3<br />
Gas<br />
Wasser<br />
V3: Reaktion von <strong>Aluminium</strong> mit Iod<br />
Materialien:<br />
Verbrennungslöffel, Klammer, Muffe, Stativ, <strong>Aluminium</strong>grieß,<br />
Iod, Wasser, Pasteurpipette.<br />
Hinweis:<br />
Der Versuch muß im Abzug durchgeführt werden!<br />
Durchführung:<br />
Man befestigt einen Verbrennungslöffel (Eisenlöffel) mit Hilfe von<br />
Klammer und Muffe an einem Stativ und füllt ein Gemisch aus 1 g<br />
<strong>Aluminium</strong>grieß und 3 g Iodpulver ein. Anschließend erhitzt man<br />
kurz mit der Brennerflamme, bis violette Dämpfe aufsteigen, und<br />
gibt mit einer Pipette 2 Tropfen Wasser in das Gemisch.<br />
Aufgabe<br />
8. Notiere deine Beobachtungen und deute sie.<br />
Glaswanne<br />
Al O<br />
2 3
Vollmer: KIS Köln <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Seite 15<br />
Kopiervorlage 14<br />
Was <strong>Aluminium</strong> „edler“ macht - Oberflächenverbesserung<br />
Ein wichtiges Feld der <strong>Aluminium</strong>forschung dient dem Ziel, die<br />
Oberfläche dieses Leichtmetalls zu verbessern. Der Grund hierfür<br />
ist, daß an den Oberflächenzustand der verschiedenen<br />
Fertigungsprodukte und Bauteile aus <strong>Aluminium</strong> jeweils unterschiedliche<br />
Anforderungen gestellt werden. Diese Anforderungen<br />
betreffen Funktion und Aussehen der Werkstücke. Der<br />
Zentralbereich Forschung und Entwicklung der <strong>VAW</strong> <strong>Bonn</strong> hat<br />
es sich u. a. zur Aufgabe gemacht, neue Methoden der<br />
Oberflächenveredelung von <strong>Aluminium</strong> zu erforschen. Auf dieser<br />
Seite lernst du zwei altbewährte Methoden der Oberflächenbehandlung<br />
von <strong>Aluminium</strong> kennen: Das Eloxieren (Anodisieren)<br />
und das Einfärben einer frischen Eloxalschicht..<br />
Geräte und Chemikalien:<br />
Gleichstromquelle, Amperemeter, Becherglas (250 ml), <strong>Aluminium</strong>blech,<br />
Kohleelektrode, verdünnte Schwefelsäure<br />
H SO , (10 bis 20 %ig)<br />
2 4<br />
Durchführung:<br />
In das mit verdünnter Schwefelsäure gefüllte Becherglas werden<br />
das <strong>Aluminium</strong>blech und die Kohleelektrode eingetaucht.<br />
Man verbindet das <strong>Aluminium</strong>blech mit dem Pluspol, die<br />
Kohleelektrode mit dem Minuspol der Gleichstromquelle und<br />
schaltet das Amperemeter in den Stromkreis. Die Spannung<br />
wird so reguliert, daß ein Strom von 0,5 bis 1 A fließt. Nach ca.<br />
15 Minuten schaltet man den Strom ab, nimmt das <strong>Aluminium</strong>blech<br />
heraus und spült gründlich mit destilliertem Wasser nach.<br />
Aufgaben<br />
1. Formuliere deine Beobachtungen. Vergleiche dazu auch<br />
das eloxierte mit dem unbehandelten <strong>Aluminium</strong>blech.<br />
2. Versuche anhand der Beobachtungen zu erklären, welche<br />
Vorgänge an der Kathode und an der Anode stattgefunden<br />
haben.<br />
3. Worin liegen die grundsätzlichen Vorteile von eloxiertem<br />
gegenüber unbehandeltem <strong>Aluminium</strong>?<br />
V 2: Einfärben der frisch erstellten Eloxalschicht<br />
Geräte und Chemikalien:<br />
Eosinlösung, Becherglas (500 ml), destilliertes Wasser, Heizplatte<br />
oder Bunsenbrenner.<br />
Durchführung: In einem 400 ml Becherglas bereitet man aus<br />
destilliertem Wasser und Eosin eine kräftig rotgefärbte Lösung<br />
und erhitzt diese auf etwa 95 °C. In diese Lösung taucht man<br />
etwa 5 bis 10 Minuten lang ein frisch eloxiertes Al-Blech<br />
hinein, spült es anschließend mit destilliertem Wasser gründlich<br />
ab und stellt es dann in ein Becherglas mit siedendem<br />
Wasser. Nach zehnminütigem Kochen spült man das Blech<br />
unter kaltem Wasser ab und trocknet es.<br />
Aufgabe<br />
4. Formuliere deine Beobachtungen.<br />
Die frisch gebildete Eloxalschicht ist zunächst noch porös, so<br />
daß die Farbstofflösung in die Poren eindringen kann. Beim<br />
Kochen quillt die Eloxalschicht, dabei schließen sich die Poren<br />
und der Farbstoff wird in die Schicht eingeschlossen.<br />
Das Eloxal-Verfahren<br />
Durch die elektrische Oxidation wird die dünne Oxidschicht<br />
um ein Vielfaches verstärkt. Die Oberfläche der<br />
neuen Oxidhaut ist porös.<br />
Versuche zur Oberflächenverbesserung von <strong>Aluminium</strong><br />
V1: Eloxieren von <strong>Aluminium</strong> (Elektrolytische Oxidation von <strong>Aluminium</strong>)<br />
+<br />
A<br />
<strong>Aluminium</strong>blech<br />
_<br />
Al O<br />
2 3<br />
vor dem Eloxieren Al nach dem Eloxieren<br />
V=<br />
<strong>Aluminium</strong>oxidschicht mit<br />
eingelagertem Farbstoff<br />
Kohleelektrode<br />
verd. Schwefelsäure
Seite 6<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage Didaktische Bemerkungen<br />
15<br />
Einsatzmöglichkeiten der Kopiervorlagen im „Normalunterricht“ und Anbindung an die Lehrpläne<br />
Sekundarstufe I:<br />
Integration in das obligatorische Thema „Elektronenübertragungsreaktionen“<br />
(Oxidation/Reduktion). Mögliches<br />
Schwerpunktthema mit Anwendungsbezug könnte dabei sein<br />
„Gewinnung und Recycling von Metallen“. Das Thema ist auch<br />
im Rahmen einer projektorientierten Unterrichtsreihe durchführbar<br />
(vgl. Richtlinien und Lehrpläne Chemie für Gymnasien,<br />
Sekundarstufe I, S. 52/53, S. 96).<br />
Informationen, Bemerkungen, Lösungen<br />
Vorbemerkung:<br />
Auf die Behandlung der <strong>Aluminium</strong>gewinnung aus <strong>Aluminium</strong>oxid<br />
durch Schmelzflußelektrolyse wird im Rahmen dieser Materialien<br />
bewußt verzichtet, weil das Prinzip der Schmelzflußelektrolyse<br />
konventioneller Inhalt fast sämtlicher<br />
Unterrichtswerke (für die Sekundarstufe I und II) ist. Umfangreiche<br />
Informationen zur Gewinnung von <strong>Aluminium</strong> durch<br />
Schmelzflußelektrolyse findet man in Themenheften „<strong>Aluminium</strong>“<br />
(PdN, Heft 8/35, 1986; NiU, Heft 37, 1988).<br />
A. Bemerkungen zu den Kopiervorlagen<br />
Ergänzung zu den Kopiervorlagen 2 und 3: Recycling von<br />
<strong>Aluminium</strong>schrott als Unterrichtsversuch<br />
Der Werkstoff <strong>Aluminium</strong> eignet sich in bevorzugter Weise für<br />
einen ökologischen Werkstoffkreislauf, weil er, wenn das<br />
<strong>Aluminium</strong>metall einmal erzeugt ist, nur mit jeweils ca. 5 % des<br />
ursprünglichen Energieeinsatzes ohne Qualitätsverlust im<br />
Kreislauf geführt werden kann. Da <strong>Aluminium</strong> in großen Men-<br />
Sekundarstufe II:<br />
Integration in das Kursthema „Elektrochemie“.<br />
Weiterhin können die Arbeitsblätter zur Vorbereitung einer Exkursion<br />
zur <strong>VAW</strong> <strong>Bonn</strong> bzw. für den Einstieg in das Thema<br />
„Element <strong>Aluminium</strong>“ verwendet werden. Hierbei besteht für<br />
<strong>Bonn</strong>er Schüler wegen der Nähe zur <strong>VAW</strong> <strong>Bonn</strong> ein besonderer<br />
Lebensweltbezug.<br />
Das nachstehende Fließschema gibt einen Überblick über die Einsatzmöglichkeiten und die mögliche Abfolge der Kopiervorlagen:<br />
gen im Hausmüll anfällt, ist es sinnvoll, daß die Schüler die<br />
Notwendigkeit der Verwertung von <strong>Aluminium</strong> aus <strong>Aluminium</strong>schrott<br />
erkennen.<br />
Die Rückgewinnung von <strong>Aluminium</strong>metall aus <strong>Aluminium</strong>schrott<br />
läßt sich mit einem einfachen Versuch veranschaulichen:<br />
Versuch: Gewinnung von <strong>Aluminium</strong> aus <strong>Aluminium</strong>schrott:<br />
Material:<br />
Porzellantiegel, Porzellanschale, Dreifuß, Tondreieck, 2 Teclubrenner,<br />
Stativmaterial, Tiegelzange, Magnesiumstäbchen<br />
<strong>Aluminium</strong>material: Man benötigt 20 bis 50 g <strong>Aluminium</strong>schrott<br />
(Bleche, Folien, Verschlüsse, Deckel von Getränkedosen).<br />
Flußmittel: In einer Porzellanschale werden Natriumchlorid (45<br />
Gew.%), Kaliumchlorid (45 Gew.%) und Natriumfluorid (10<br />
Gew.%) mit einem Spatellöffel gründlich durchmischt. Das Salzgemisch<br />
schmilzt bei 610 °C, die Schmelztemperatur von <strong>Aluminium</strong><br />
liegt bei 660 °C.
Vollmer: KIS Köln <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Seite 17<br />
Durchführung:<br />
Der Porzellantiegel wird auf einem Dreifuß in ein Tondreieck<br />
gesetzt. Ein Teclubrenner wird unter dem Tiegel plaziert. Von<br />
oben wird das Brennerrohr eines weiteren Brenners, der dazu in<br />
ein Stativ eingespannt wird, schräg auf die Öffnung des Tiegels<br />
gerichtet. Löffelweise wird das Flußmittelgemisch in den Tiegel<br />
Didaktische Kopiervorlage Bemerkungen<br />
61<br />
B. Hilfen und Hinweise zur Beantwortung der Fragen und Aufgaben<br />
Kopiervorlage 1<br />
Aufgabe 3<br />
Al kommt in der Natur nicht elementar, sondern in sehr beständigen<br />
Verbindungen vor. Es kann nicht mit den bereits früh entwickelten<br />
Reduktionsverfahren mit Koks (C) als Reduktionsmittel, die bei<br />
der Herstellung von Eisen angewendet wurden, gewonnen werden.<br />
Kopiervorlage 2<br />
Aufgabe 1<br />
Weitere Beispiele für die Verwendung von Al als Verpackungsmaterial:<br />
Anwendung<br />
TK-Gerichte<br />
Joghurtdeckel<br />
Kaffeeverpackung<br />
Getränkedosen<br />
Eigenschaft von<br />
<strong>Aluminium</strong><br />
Stabilität, chemische<br />
Beständigkeit, Hitzebeständigkeit<br />
Verschlußsicherheit<br />
Dichtigkeit<br />
Geringes Gewicht,<br />
Dichtigkeit, Verschlußsicherheit,Recyclingfähigkeit<br />
auf hohem<br />
Niveau<br />
erzielte Wirkung<br />
sichere Aufbewahrung,<br />
Schutz vor Frostbrand,<br />
bequemes Garen in der<br />
Alu-Form (Backofen<br />
oder Mikrowelle), niedrige<br />
Transportkosten<br />
Aromaschutz, Schutz<br />
vor Eindringen von<br />
Keimen<br />
Aromaschutz<br />
Schutz vor Keimen und<br />
Aromaverlust, Ersparnis<br />
von Transportkosten,Bruchsicherheit<br />
Kopiervorlage 3<br />
Aufgabe 1<br />
<strong>Aluminium</strong> reagiert mit Sauerstoff zu <strong>Aluminium</strong>oxid, das auf<br />
der Oberfläche eine sehr feste, dichte Schicht bildet und so das<br />
darunterliegende Metall vor weiterer Oxidation schützt. Der auf<br />
der Eisenoberfläche gebildete Rost dagegen blättert ab, oder es<br />
bildet sich eine poröse Schicht, durch die Wasser und Sauerstoff<br />
die darunter liegende Metallschicht angreifen können.<br />
Aufgabe 2<br />
<strong>Aluminium</strong> reagiert wie Eisen mit Luftsauerstoff.<br />
Aufgabe 3<br />
Beim Schmirgeln erscheint das glänzende metallische Eisen<br />
wieder. Die <strong>Aluminium</strong>oberfläche bleibt matt und stumpf, da<br />
sich die Oxidschicht nicht durch Schmirgeln entfernen läßt.<br />
Kopiervorlage 4<br />
Zu Versuch 1<br />
Das <strong>Aluminium</strong>blech läßt sich an den eingetauchten (eloxierten)<br />
Stellen weniger leicht mit Schmirgelpapier zerkratzen als an den<br />
nicht eingetauchten (nicht eloxierten) Stellen. Während das Metall<br />
den elektrischen Strom gut leitet, ist Al 2 O 3 ein schlechter<br />
Leiter. Man berührt mit der (abgetrockneten) Kohleelektrode<br />
das <strong>Aluminium</strong>blech zunächst im oberen, nicht eloxierten, dann<br />
im unteren, eloxierten Teil. In den Stromkreis ist ein Amperemeter<br />
(erst auf größeren Meßbereich einstellen) geschaltet. Die<br />
angezeigte Stromstärke fällt beim Kontakt der Kohleelektrode<br />
mit dem eloxierten im Vergleich zum nicht eloxierten Teil wesentlich<br />
geringer aus.<br />
Bei der Elektrolyse der verdünnten Schwefelsäure entsteht an<br />
der Kohleelektrode Wasserstoff. Am <strong>Aluminium</strong>blech (Anode)<br />
eingebracht und eingeschmolzen. Dann gibt man den <strong>Aluminium</strong>schrott<br />
(vorher zusammengerollt oder -gedrückt) hinzu. Ab und<br />
zu rührt man mit einem mit der Tiegelzange gefaßten Magnesiumstäbchen<br />
gut um. Nach ca. 10 Min. läßt man abkühlen. Der Tiegel<br />
wird zerschlagen und das <strong>Aluminium</strong> entnommen.<br />
Für die Reduktion sind Temperaturen über 2000°C erforderlich.<br />
Dabei bildet sich in großen Mengen <strong>Aluminium</strong>carbid Al 4 C 3 .<br />
Aufgabe 4<br />
Al liegt im Erz nicht elementar, sondern gebunden vor.<br />
Aufgabe 3<br />
Vorteile: geringes Gewicht (Einsparung von Treibstoffkosten)<br />
und Korrosionsbeständigkeit<br />
Nachteile:höherer Aufwand für die Al-Gewinnung, rechnet sich<br />
im Sinne einer Ökobilanzierung nur bei konsequentem<br />
Recycling<br />
Aufgaben 4/5/6 (Betriebskalkulation Anton Schnell)<br />
70.000 km mit Last ergeben 11.900 DM Mehreinnahmen pro<br />
Jahr, da jeweils eine t mehr transportiert werden kann.<br />
Leerkilometer schlagen bei A. Schnell über die Treibstoffkosten<br />
negativ zu Buche; bei einem Leergewicht, das um eine t verringert<br />
ist (Alu-Aufbau), errechnet sich eine Ersparnis von 540 x 6<br />
DM = 3240 DM pro Jahr.<br />
Nach 5 Jahren addieren sich die Mehreinnahmen und die<br />
Treibstoffersparnis zu insgesamt 75.700 DM. Trotz der höheren<br />
Anschaffungskosten des LKW mit <strong>Aluminium</strong>aufbau ergibt sich<br />
für A. Schnell eine um ca. 50.000 DM günstigere Bilanz.<br />
Zu Versuch 1<br />
Das gebildete Gas ist Wasserstoff, der mit leichtem Knall oder<br />
ruhig mit farbloser Flamme verbrennt.<br />
Reaktionsgleichung: 2 Al + 6H + → 2 Al 3+ + 3 H 2<br />
Zu Versuch 2<br />
Es wird ebenfalls Wasserstoff gebildet. (Reaktionsgleichung:<br />
2 Al + 2OH - + 6 H 2 O → 2 [Al(OH) 4 ] - + 3 H 2<br />
<strong>Aluminium</strong> reagiert mit Säuren und Laugen unter Wasserstoffentwicklung.<br />
Zu Versuch 3<br />
Es entweichen violette Dämpfe von Iod, und nach kurzer Zeit<br />
entzündet sich das Gemisch und brennt mit gelber Flamme.<br />
(Reaktionsgleichung: 2 Al + 3 I 2 → 2 AlI 3 )<br />
wird die dünne Oxidschicht durch anodische Oxidation auf ein<br />
Vielfaches verstärkt. Die Eloxalschicht ist nach der Verdickung<br />
hart und kann mechanisch nur schwer zerstört werden.<br />
Beim Elektrolysevorgang fällt die Stromstärke allmählich stark<br />
ab. An der Kathode (Kohleelektrode) entwickelt sich ein Gas<br />
(Wasserstoff). An der Anode (<strong>Aluminium</strong>blech) ist keine Gasentwicklung<br />
zu beobachten.<br />
An der Kathode werden Elektronen auf Wassermoleküle übertragen<br />
nach: 2 H 2 O + 2e - → H 2 + 2 OH -<br />
An der Anode laufen folgende Reaktionen ab:<br />
a: 4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4e -<br />
b: Al → Al 3+ + 3 e -<br />
insgesamt: 4 Al + 3 O 2 → 2 Al 2 O 3
Seite 8<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong> - <strong>Bonn</strong> Vollmer: KIS Köln<br />
Kopiervorlage Hintergrundinformationen<br />
71<br />
Hintergrundinformationen zu . . .<br />
<strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong><br />
Die <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, ein Unternehmen der VI<strong>AG</strong>-Gruppe,<br />
ist mit einem Umsatz von 5,9 Milliarden DM und 12.700 Mitarbeitern<br />
eine der führenden <strong>Aluminium</strong>gesellschaften Europas<br />
und Marktführer in Deutschland. Der Schwerpunkt der Marktaktivitäten<br />
liegt auf anspruchsvollen <strong>Aluminium</strong>produkten, die<br />
eine hohe Wertschöpfung aufweisen. Das Unternehmen liefert<br />
seine Produkte, vornehmlich Walzerzeugnisse, flexible Verpakkungen<br />
sowie Formgußteile für Motoren in die Zielmärkte Verpackung,<br />
Verkehr und Bau. Zur Versorgung der Verarbeitungsbetriebe<br />
greift <strong>VAW</strong> auf eine eigene Metallbasis zurück. Neben<br />
der Konzernzentrale in <strong>Bonn</strong> befinden sich in näherer Umgebung<br />
noch die Werke in Neuss-Norf und Grevenbroich.<br />
<strong>Aluminium</strong> als Verpackungsmaterial<br />
Da <strong>Aluminium</strong> leicht, geschmacks- und geruchsneutral, unempfindlich<br />
gegenüber den meisten organischen Säuren mit hohem<br />
Molekulargewicht und korrosionsbeständig ist, eignet es sich<br />
besonders als Lebensmittelverpackung. Es bietet bei sparsamem<br />
Materialeinsatz sicheren Schutz gegen Licht und Sauerstoff, Mikroorganismen,<br />
Fremdgeruch und Fremdstoffe sowie Feuchtigkeit.<br />
Es bewahrt das Füllgut vor Aromaverlust und chemischem<br />
Abbau, verhindert den Zerfall von Wirkstoffen und die Diffusion<br />
flüchtiger Bestandteile. <strong>Aluminium</strong> ist häufiger Bestandteil<br />
von Verbundmaterialien.<br />
Recycling von <strong>Aluminium</strong><br />
Der Wert von gebrauchtem <strong>Aluminium</strong> hat seit jeher dazu geführt,<br />
daß ein hoher Anteil der <strong>Aluminium</strong>schrotte wieder der<br />
Produktion zugeführt wird. In Deutschland erzeugte die<br />
<strong>Aluminium</strong>sekundärwirtschaft im Jahre 1993 408.000 Jahrestonnen<br />
Sekundäraluminium aus Produktions- und Altschrotten.<br />
Die Primärhersteller produzierten im gleichen Zeitraum 552.000<br />
Jahrestonnen. Verkaufsverpackungen aus <strong>Aluminium</strong> werden<br />
durch das Duale System gesammelt und sortiert. Bei der<br />
<strong>Aluminium</strong>sortierung hat man in letzter Zeit zunehmend von<br />
manueller auf mechanische Sortierung umgestellt. Durch den<br />
Einsatz von Wirbelstromabscheidern wird die Sortiereffizienz<br />
gesteigert. Wirbelstromabscheider trennen auf physikalisch-mechanischem<br />
Weg automatisch <strong>Aluminium</strong>verpackungen von den<br />
übrigen Verpackungsmaterialien. Durch die Umstellung des Verfahrens<br />
wurde die Erfassung von <strong>Aluminium</strong>abfällen von Juni<br />
bis September 1994 von 1.000 Tonnen auf 1.800 Tonnen <strong>Aluminium</strong><br />
gesteigert.<br />
<strong>Aluminium</strong> im Fahrzeugbau<br />
100 Kilogramm Gewichtsersparnis reduziert den Benzinverbrauch<br />
eines PKW zwischen 0,4 und 0,7 Liter auf 100 Kilometer.<br />
Heutzutage befinden sich bereits ca. 63 kg <strong>Aluminium</strong> im<br />
PKW mit steigender Tendenz: Motor/Getriebe 50 %, Fahrwerk<br />
30 %, Karosserie 15 %, Ausstattung 5%.<br />
Mit über 31% am gesamten <strong>Aluminium</strong>verbrauch ist der<br />
Verkehrssektor in Deutschland Hauptabnehmer für <strong>Aluminium</strong>.<br />
Die <strong>Aluminium</strong>-Recyclingquote im Bereich Verkehrswesen beträgt<br />
etwa 90 %. (Angaben: Duales System Deutschland GmbH)<br />
Literatur:<br />
[1] Themenheft „<strong>Aluminium</strong>“: PdN Heft 3/35, Aulis Verlag,<br />
Deubner & CO KG, Köln 1986<br />
[2] Themenheft „<strong>Aluminium</strong>“: NiU Heft 37, Friedrich Verlag,<br />
Seelze 1988<br />
Kontaktinformationen<br />
1. Ansprechpartner und Informationsmaterial<br />
<strong>VAW</strong> allgemein: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Öffentlichkeitsarbeit, Postfach 2468, 53014 <strong>Bonn</strong>,<br />
Tel.: 02 28 / 552 (02)-21 46, Fax: -21 20, Internet: http:\\www.<strong>VAW</strong>.DE<br />
Forschung und Entwicklung: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Forschung und Entwicklung, Postfach 2468,<br />
53014 <strong>Bonn</strong>, Tel.: 02 28 / 552 (02)-23 68, Fax: -24 52<br />
Ökologie: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Ökologie, Postfach 2468, 53014 <strong>Bonn</strong>, Tel.: 02 28 / 552 (02)-23 84,<br />
Fax: -20 17<br />
Umwelt: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Umwelt und Arbeitssicherheit, Postfach 2468, 53014 <strong>Bonn</strong>,<br />
Tel.: 02 28 / 552 (02)-22 86, Fax: -2081<br />
2. Betriebsbesichtigungen und Betriebspraktika<br />
Führungen in der Forschung und Entwicklung werden auf Anfrage durchgeführt.<br />
Kontaktadressen für Betriebsbesichtigungen in den Produktionsstandorten im Großraum Köln:<br />
Elektrolyse und Gießerei: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Postfach 101554, 41415 Neuss,<br />
Tel.: 0 21 31 / 382-1, Fax: -690<br />
Walzerzeugnisse: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Postfach 100664, 41415 Neuss; Folie: Tel.: 0 21 81 / 66-14 56,<br />
Fax: -1820; Lithographie: Tel.: 0 21 81 / 66-13 51, Fax: -11 80; Dose: Tel.: 0 21 81 / 66-13 83, Fax: -18 28;<br />
Band: Tel.: 0 21 81 / 66-12 32, Fax: -17 72<br />
Betriebspraktika: Interessenten für Betriebspraktika wenden sich bitte an: <strong>VAW</strong> aluminium <strong>AG</strong>, Personal,<br />
Postfach 2468, 53014 <strong>Bonn</strong>, Tel.: 02 28 / 552 (02)-22 20, Fax: -24 47<br />
3. Ausbildungsplätze, berufliche Möglichkeiten<br />
Ausbildungsplätze: Industriekaufleute in der Konzernzentrale, Werkstoffprüfer und Gießereimechaniker<br />
in der Forschung und Entwicklung. Die Produktionsstandorte bieten neben den o.g. Ausbildungen z.B.<br />
Ausbildung zum Energieanlagenelektroniker, Verfahrensmechaniker und Industriemechaniker.<br />
Berufliche Möglichkeiten: Neben den o.g. Ausbildungsberufen werden u.a. beschäftigt:<br />
Chemielaboranten, Physiklaboranten, Chemisch-Technische Assistenten für Chemie, Technische Assistenten<br />
für Metallographie und Metallkunde, Techniker, Ingenieure und Wissenschaftler für Metallkunde,<br />
Hüttenwesen, Gießerei, Elektronik, Maschinenbau, Informatik, Mathematik, Chemie und Physik sowie<br />
Juristen, Betriebswirte und Volkswirte.