Anodisering och färgning av aluminium

Av: Annika Jonsson, Anders Särngren

Frätande Irriterande Använd skyddsglasögon

Tid för förberedelser:

20 minuter

Tid för genomförandet:

60 minuter

Antal tillfällen:

1

Svårighetsgrad:

Kräver viss labvana

Säkerhetsfaktor:

Utföres med normal varsamhet




Introduktion

Aluminium är en metall som tillsammans med luftens syre bildar ett oxidskikt, som förhindrar korrosion. Denna egenskap, samt att det är en lätt metall gör den väldigt användbar. Den används både i cocacola-burkar och i flygplan.

Genom en elektrokemisk metod, anodisering (= eloxering), kan man förstärka ytan, förbättra korrosionsskyddet och göra metallen elektriskt isolerande. Dessutom kan man färga den i olika färger. Det gör den ännu mera användbar!



Riktlinjer

Försöket lämpar sig bäst för gymnasiet (som elevförsök) eller i åk 9 som demonstration.



Säkerhet

I försöket används syror och baser som kräver stor försiktighet vid hanteringen. Försöket bör utföras i en väl ventilerad lokal eller vid ett öppet fönster. Undvik att andas in ångorna från elektrolysen.

Avfallet kan slängas ut i vasken, men skölj noga med mycket vatten.



Materiel



Förarbete

Se till att det finns gott om is, för att kyla elektrolysen.

Blanda lösningar.



Utförande

Moment 1: Betning av aluminiumbiten

  1. Klipp till en bit aluminium, ca 1×3 cm.

  2. Stoppa ner den i NaOH, 2 M och låt den ligga några minuter så det blir en kraftig gasutveckling.

  3. Skölj den i kallt vatten. (För att porerna inte ska förseglas innan den är färgad).

  4. Doppa den i HNO3, 2 M. Skölj sedan med vatten.

Moment 2: Anodisering

  1. Häll upp svavelsyra, 2 M, till ca 2 cm i en 250 ml bägare. Ställ bägaren kallt, med isvatten runt om.

  2. Anslut blyelektroden till spänningskubens negativa pol och aluminiumbiten till den positiva polen.

  3. Sänk ner elektroderna i syran. OBS! Krokodilklämman får inte nå ner i syran!

  4. Ställ in spänningen på ca 15 V, eller reglera spänningen så att det endast sker en svag gasutveckling vid anoden.

  5. Kontrollera så att temperaturen på elktrolyten inte överstiger 25 °C eller understiger 18 °C.

  6. Låt elektrolysen pågå i ca 10 minuter. Avbryt och lyft upp aluminiumbiten.

  7. Skölj den i vatten.

  8. Undersök aluminiumbitens hårdhet, skrapa lite och jämför med biten som inte varit under ytan (i elektrolysbadet).

  9. Undersök även ledningsförmågan med en doppelektrod. Dvs. har den blivit riktigt anodiserad ska den inte leda ström. Detta är viktigt för att gå vidare med nästa moment: färgningen. Leder den fortfarande ström bör man fortsätta elektrolysen ett tag till.

Uppkoppling för att anodisera aluminium

Bild: © Svante Åberg


Med en strömkub är det lätt att kontrollera spänningen.

Foto: © Annika Jonsson

Moment 3: Färgning


Som pigment kan användas t.ex. röd karamellfärg. Lösningen bör vara koncentrerad. Blanda med vatten ungefär 1:1.

Metylorange ger en brandgul färg. Lös ca 1 tsk i 50 ml vatten. Blandat med metylenblått blir det en grön färg.

Färga så här:

  1. Värm upp färgbadet till ca 50 °C, lägg i aluminiumbiten.

  2. Låt färgbadet sakta värmas till ca 90 °C. Låt biten ligga i den heta lösningen ca 5 minuter. Ta upp den och skölj i vatten.

Anodiserade aluminiumbitar som färgats i experimentet

Bild: © Annika Jonsson

Variation

Genom att använda aluminiumtrådar (eller titantrådar) kan man doppa ner hela aluminiumbiten i elektrolysbadet. Tänk på att tråden också blir anodiserad, dvs. den leder inte ström efter processen. Vill man upprepa försöket får man ta en ny aluminiumtråd eller beta tråden med NaOH och HNO3.



Förklaring

Försöket börjar med att man betar aluminiumbiten. Det innebär att det gamla oxidskiktet försvinner och ytan blir matt. I elektrolysen är aluminium anod och bly katod. Som elektrolyt används svavelsyra. Aluminium reagerar med vatten och bildar ett oxidskikt, Al2O3. Vid anoden utvecklas syrgas och vid katoden vätgas.

Efter anodiseringen har aluminium fått en hårdare yta, ett ökat korrosionsskydd och blivit elektriskt isolerande. Oxidskiktet är direkt efter anodiseringen poröst och kan då lätt färgas. Färgen tränger in i porerna. Sedan måste porerna "förseglas" (teknisk term: eftertätas) i hett vatten.



Bakgrundsfakta

Aluminium

Allmänt och historia

Grundämne

Massprocent

Syre (O)

49,4 %

Kisel (Si)

16,3 %

Aluminium (Al)

7,5 %

Järn (Fe)

4,7 %

Aluminium är den vanligaste metallen i jordskorpan, och det tredje vanligaste grundämnet. Trots att metallen är vanlig har man inte använt den så länge. Järn, som är mindre vanlig har ju använts sedan forntiden.

Först 1825 lyckades dansken Örsted renframställa aluminium. Det var länge en dyr och exklusiv metall. Mot slutet av 1800-talet började man framställa aluminium elektrokemiskt (på liknande sätt som idag), och så småningom blev aluminium en användbar vardagsmetall. Metoden är dock mycket energikrävande, varför man bör återvinna aluminiummetall av miljöskäl. Aluminium framställs ur ett aluminiummineral, bauxit, som fått namn efter Les Baux i södra Frankrike. Bauxiten består av AlO(OH).

Egenskaper

Aluminium är en mycket användbar metall, den har låg densitet, den är mjuk och lätt att forma. Den har hög elektrisk ledningsförmåga och den kan lödas och svetsas. För att öka hållfastheten legeras den ofta med små mängder av andra metaller, t.ex. mangan, zink eller magnesium. Aluminium är dessutom beständig mot korrosion. Syret i luften bildar ett oxidskikt på metallytan. Det är 1·10−8 m tjockt, men är så tätt att det skyddar bra mot korrosion.

Användning

De goda egenskaperna gör aluminium mycket användbar.

Anodiserat aluminium

I ren form är aluminium korrosionsbeständig p.g.a. sitt oxidskikt. Men i legeringar, där bl.a. magnesium ingår är inte motståndet mot korrosion lika bra. Därför är anodisering en bra metod för att förstärka korrosionsskyddet. Den täta, hårda ytan kan inte flagna och skyddar bra mot korrosion och nötning. Den är beständig mot kemiska ämnen inom pH-området 5-8. Värmeledningsförmågan är 1/10 jämfört med ren aluminium, dessutom har ytan blivit elektriskt isolerande. Oxidskiktet är innan tätning poröst och lätt att färga i många olika kulörer. Metallen har i denna form en lång livslängd.

Anodiserade och färgade karbinhakar

Foto: © Annika Jonsson

Anodiseringen ger aluminium mycket goda egenskaper. Den anodiserade ytan är ofarlig och används både inom livsmedelsindustrin och medicinteknik. Den ger inte heller upphov till allergier.

Anodiseringsprocessen

Anodisering är ett sätt att öka oxidskiktet på elektrolytisk väg. Som anod används aluminiumbiten och som katod en blyelektrod. Svavelsyra används som elektrolyt.

Anodreaktion:

 2 Al + 3 H2O 

"

 Al2O3 + 6 H+ + 6 e− 

Katodreaktion:

 6 H+ + 6 e− 

"

 3 H2(g) 

Totalreaktion:

 2 Al + 3 H2O 

"

 Al2O3 + 3 H2(g) 

Oxidskiktets tjocklek blir 5 - 25 mikrometer (mikrometer = 10−6 µm). Om elektrolysen pågår för länge "äts" oxidskiktet upp av svavelsyran. Oxidskiktet har en finporig struktur och kan lätt binda till sig färgämnen, både organiska och oorganiska. Efter färgning måste porerna förslutas i hett vatten, s.k. tätning eller "sealing".

Mijöaspekter

Aluminium är en metall som kräver stora energimängder för att framställas. Men energiåtgången vid återanvändning (omsmältning) är betydligt mindre, bara 5 % av det totala energibehovet för processen. Aluminium har många bra egenskaper som gör den användbar och hållbar. Dessutom är den lätt, vilket ger energivinster t.ex. vid konstruktioner och transporter. Anodisering av aluminium ger ytterligare fördelar som ökar användningsområdet och livslängden. T.ex ett ökat korrosionsskydd, bättre motstånd mot slitage, ett attraktivt utseende.

Jämfört med andra ytbehandlingsmetoder har anodisering mindre miljöpåverkan, under förutsättning att spillvatten från processen och färgningen tas om hand och renas. En anodiserad aluminiumbit som blir liggande i naturen har inte någon påverkan på omgivningen. Om insamling och omsmältning av aluminium fungerar bra, så är anodiserad aluminium ett material som är både miljövänligt och resursbevarande.

Framställningsprocessen

Bauxitmineralet AlO(OH) överförs till aluminiumoxid Al2O3,(smältpunkt 2050 °C). Aluminiumoxiden löses i en smälta av kryolit, Na3AlF6. Där sker en smältelektrolys med kolstavar som anod och ugnsbotten som katod (även den av kol).

vid katoden (reduktion):

 Al3+ + 3 e

"

 Al 

vid anoden (oxidation):

 2 O2− + C(s)

"

 CO2(g) + 4 e

Totalreaktion:

 2 Al2O3

"

 4Al + CO2

Genom denna elektrolys får man en aluminiumhalt på 99,5 %.

Framställning av alumiunium genom elektrolys i Hall-Héroult-processen

Bild: © Svante Åberg

Processen är mycket energikrävande och för att framställa ett kg aluminium behövs 14 kWh elenergi. I Sverige produceras aluminium enbart i Sundsvall, och den industrin använder elenergi motsvarande 1,2 % av Sveriges elkonsumtion.

Eftersom aluminium är en så lätt metall gör man stora energivinster genom att använda den, jämfört med andra tyngre metaller, t.ex. järn. Dessutom är den mycket lätt att återanvända. För omsmältning krävs bara 5 % av den energi som behövs till framställningen. Det är därför viktigt att insamlingen av t.ex. burkar fungerar bra.



Referenser

  1. Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, 1989, Norstedts förlag, Stockholm.

  2. Main page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2006-09-06)

  3. Välkommen till Aluminiumriket Sverige, Aluminiumriket Sverige
    http://www.aluminiumriket.com/ (2008-04-16)

  4. Anodizing, Robert S. Alwitt, Electrochemistry Encyclopedia
    http://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-a02-anodizing.htm (2006-09-06)

  5. Anodizing Aluminum, Ron Newman
    http://www.focuser.com/atm/anodize/anodize.html (2006-09-06)

  6. Chemical of the Week: Aluminum, Bassam Shakhashiri
    http://scifun.chem.wisc.edu/CHEMWEEK/Aluminum/ALUMINUM.html (2007-06-04)

  7. Electrolytic production of aluminum, Theodore R. Beck
    http://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-a01-al-prod.htm (2007-05-22)