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Verfahren zur Herstellung von Metallaluminiurnhydriden
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Das verwendete Aluminium kann Hüttenaluminium sein. Mit Silizium legiertes Aluminium hat sich als besonders geeignet erwiesen, weil es neben der leichteren Vermahlbarkeit auch eine reaktionsfördernde
Wirkung aufweist. Von etwaigen Verunreinigungen ist Blei nicht erwünscht, weil es reaktionshemmend wirkt. Die üblichen Verunreinigungen des Hüttenaluminiums stören, ausser einer gewissen Schlammbil- dung nicht.
Der verwendete Wasserstoff soll möglichst frei von Verunreinigungen sein, die mit dem Aluminium reagieren, um das Aluminium aktiv zu erhalten. Insbesondere sollen Luft, Sauerstoff, Feuchtigkeit und
Schwefelverbindungen nicht zugegen sein.
Die beim erfindungsgemässen Verfahren anzuwendende Temperatur ergibt sich zwangsläufig daraus, dass die Temperatur nicht so hoch sein darf, dass sich bei dem im jeweiligen Fall angewendeten Wasser- stoffdruck das zu bildende Metallaluminiumhydrid zersetzt, d. h., dass der angewendete Wasserstoffdruck höher sein muss als der thermische Dissoziationsdruck des Metallaluminiumhydrids bei der angewendeten
Temperatur. Die untere Grenze der Temperatur ergibt sich aus der gewünschten Geschwindigkeit der
Reaktion. Der angewendete Druck wird an der unteren Grenze ebenfalls durch die gewünschte Geschwin- digkeit der Umsetzung bestimmt und wird praktisch kaum unter 30 atm liegen, während die obere Grenze nur durch das angewendete Druckgefäss bestimmt wird, aber aus wirtschaftlichen Gründen wohl selten über 1000 atm liegen wird.
Für die Reaktionsbedingungen ist noch zu beachten, dass die Temperatur selbstverständlich nicht die kritische Temperatur des Lösungsmittels überschreiten darf, damit während der Reaktion zu jeder Zeit eine flüssige Phase vorliegt. Um dies sicherzustellen, ist ausserdem dafür Sorge zu tragen, dass das Reak- tionsgefäss genügend gefüllt ist, um bei den angewendeten Reaktionsbedingungen sicherzustellen, dass auch bei einer Temperatur, die unter der kritischen Temperatur des Lösungsmittels liegt, nicht schon der grösste Teil des Lösungsmittels verdampft ist.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren kann die Geschwindigkeit der Reaktion dadurch erheblich vergrössert werden, dass mit mechanischen Mitteln ein möglichst intensiver Kontakt zwischen den Reak- tionspartnem herbeigeführt wird u. zw. beispielsweise durch Rühren, Schütteln oder entsprechende
Massnahmen.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es zweckmässig, dafür Sorge zu tragen, dass die eingesetzten Komponenten, nämlich das suspendierte Metallhydrid und das suspendierte Alumi- nium, nicht in grösserer Menge vorliegen, als der Löslichkeit des herzustellenden Metallaluminiumhydrids entspricht. Dadurch wird vermieden, dass wesentliche Rückstände an Ausgangsstoffen zurückbleiben, die lediglich zu einer Verdickung bzw. zu einem Bodensatz führen.
Da es sich jedoch praktisch nicht immer ermöglichen lässt, die eingesetzten Mengen genau auf die Löslichkeit des gebildeten Metallaluminiumhydrids abzustimmen und daher meist doch ein geringer Bodensatz verbleibt, ist es von Vorteil, dass dieser Bodensatz nicht etwa als Nebenprodukt wie bei den bekannten Verfahren vorliegt, sondern mit dem Ausgangsstoffen identisch ist und daher erneut als Ausgangsstoff, gegebenenfalls nach erneuter Vermahlung, verwendet werden kann. Im allgemeinen wird man praktisch so arbeiten, dass stöchiometrische Mengen der Ausgangsstoffe eingesetzt werden.
Nach Abschluss der Reaktion muss dafür gesorgt werden, dass die nicht umgesetzten Ausgangsstoffe, nämlich Metallhydrid, das suspendierte Aluminium und eventuell auch das nicht gelöste Metallaluminiumhydrid, von der Lösung getrennt werden. Dies kann entweder durch Sedimentieren geschehen, was besonders bei der Herstellung von Natriumaluminiumhydrid bis zur völligen Klarheit der Lösung möglich ist. Die Trennung kann jedoch auch durch Zentrifugieren oder Filtrieren vorgenommen werden. Bei der Herstellung von Lithiumaluminiumhydrid ist es wegen der sehr geringen Dichte des Lithiumhydrids, das zum Aufrahmen neigt, zweckmässig, die Lösung von den Rückständen durch Filtrieren zu trennen.
Das gebildete Metallaluminiumhydrid wird aus der klaren Lösung durch Verdampfen des Lösungsmittels gewonnen, wobei das Lösungsmittel entweder nur bis zur Bildung eines Solvats oder bis zur Isolierung des reinen Metallaluminiumhydrids abgedampft werden kann. Da das erfindungsgemässe Verfahren frei von Nebenreaktionen ist und keine Nebenprodukte anfallen, ist das gebildete Metallaluminiumhydrid besonders rein und fällt vollkommen weiss an.
Um die Beständigkeit der an sich verhältnismässig leicht reagierenden Metallaluminiumhydride an der Luft zu erhöhen, einer Staubentwicklung entgegenzutreten und die Lösungsgeschwindigkeit bei der Verwendung des gebildeten Metallaluminiumhydrids zu verbessern, wird gemäss einer besonderen Ausführung der Erfindung vorgeschlagen, das gebildete Metallaluminiumhydrid in an sich bekannter Weise mit Paraffinöl zu benetzen. Diese Benetzung kann am besten dadurch herbeigeführt werden, dass das eingesetzte Metallhydrid als Paraffinöldispersion in das Reaktionsgefäss gegeben wird oder das Paraffinöl bei der Vermahlung, bei der Druckreaktion oder nachher dem Reaktionsmedium zugesetzt wird, wodurch ein mit Paraffinöl benetztes Metallaluminiumhydrid erhalten wird.
Da sich in manchen Fällen, z. B. bei Verwendung von feinteilig ausgemahlenem Kalzium, Lithium oder insbesondere von Natrium das betreffende Metallhydrid schon unter den erfindungsgemässen Reaktionsbedingungen bilden kann, ist es möglich, statt eines Metallhydrids die Suspension des hydridbildenden Metalles im für das herzustellende Metallaluminiumhydrid geeignete Lösungsmittel selbst einzusetzen.
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Zur Herstellung von Natriumaluminiumhydrid wird das erfindungsgemässe Verfahren in der Weise ausgeführt, dass Natriumhydrid zusammen mit Aluminium in dem inerten Medium Tetrahydrofuran vermahlen und die erhaltene feinteilige Dispersion solange unter Schütteln oder Rühren in dem
Lösungsmittel für Natriumaluminiumhydrid Tetrahydrofuran unter erhöhtem Wasserstoffdruck bei etwa 30-200 atm und bei einer Temperatur zwischen 100 und 1800 C gehalten wird, bis die Wasser- stoffaufnahme beendet ist.
Wenn das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Lithiumalumi- niumhydrid verwendet wird, ist die zweckmässigste Ausführungsform die, dass unter gleichen Bedingungen gearbeitet wird, wobei jedoch die Temperatur wegen der niedrigeren Zersetzungstemperatur des Lithium- aluminiumhydrids niedriger liegen muss, u. zw. im allgemeinen zwischen 50 und 130 C.
Zur Herstellung von Kalziumaluminiumhydrid und Kaliumaluminiumhydrid werden Dispersionen der Metallhydride und des Aluminiums in Tetrahydrofuran bei einem Wasserstoffdruck zwischen 30 und 200 kgfcm2, bei der Herstellung von Kalziumaluminiumhydrid auf einer Temperatur zwischen 50 und 2000 C, bei der Herstellung von Kaliumaluminiumhydrid zwischen 50 und 1300 C gehalten.
Nach Abschluss der Reaktion wird zunächst die Lösung von den Rückständen getrennt und dann das Lösungsmittel entweder bis zur Bildung des Solvats oder der reinen Substanz, in an sich bekannter Weise, gegebenenfalls im Vakuum, abgedampft.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann noch in einer besonderen Weise dazu verwendet werden, mit einer doppelten Umsetzung ein Metallaluminiumhydrid zu bilden, das sich unmittelbar aus dem Metallhydrid, Aluminium und Wasserstoff nur sehr schwer oder nur sehr kostspielig herstellen lässt. Da beispielsweise das Lithiumhydrid als Ausgangsstoff verhältnismässig kostspielig, das Natriumhydrid aber billig ist, kann das Natriumaluminiumhydrid nach dem erfindungsgemässen Verfahren billiger hergestellt werden.
Da sich das Natriumaluminiumhydrid wiederum mit dem billigen Lithiumchlorid leicht zu Lithiumaluminiumhydrid umsetzt, kann nach der hier vorgeschlagenen Abwandlung des erfindungsgemässen Verfahrens von vornherein Lithiumchlorid in den entsprechenden Mengen in das Reaktionsgefäss eingesetzt werden, wodurch sich ein einfaches Verfahren ergibt, Lithiumaluminiumhydrid zu erhalten. In gleicher Weise können andere Metallhalogenide zu den Ausgangsstoffen hinzugesetzt werden, so dass es möglich ist, aus Metallhydride, Aluminium und Wasserstoff sowie einem Halogenid eines anderen Metallaluminiumhydrid bildenden Metalls durch doppelte Umsetzung Aluminiumhydrid dieses andern Metalles herzustellen.
Das erfindungsgemässe Verfahren sei an folgenden Beispielen erläutert :
Beispiel l : Zur Herstellung von Natriumaluminiumhydrid wurden pulverförmiges Natriumhydrid mit einem Natriumhydridgehalt von 85%, griessförmiges Aluminium und wasserfreies Tetrahydrofuran verwendet. Das Tetrahydrofuran wurde in der Weise wasserfrei gemacht, dass ein handelsübliches Produkt zunächst über Kaliumhydroxyd stehen gelassen, dann von diesem unter Verwendung einer Rektifizierkolonne abdestilliert wurde, wobei Vor-und Nachlauf verworfen wuren. Das Destillat wurde mit etwas Lithiumaluminiumhydrid versetzt und von diesem abdestilliert.
31, 2 g Natriumhydrid wurden zusammen mit 35, 1 g Aluminium in 260 ml Tetrahydrofuran in einem Mahlgefäss aus Eisen mit Stahlkugeln unter einer Stickstoffatmosphäre vermahlen. Die gesamte Mahlzeit betrug 12 h. Die Suspension war dann so feinteilig, dass sich die Substanz beim Verdunsten des Tetrahydrofurans an der Luft bei Raumtemperatur von selbst entzündete. 200 ml dieser Suspension, die je 1 Mol Natriumhydrid und Aluminium enthält, wurden bald darauf in ein sauberes und trockenes Druckgefäss aus Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl gegeben, das mit einem elektromagnetisch betätigten Hubrührer versehen war. Das Reaktionsgefäss hatte ein Volumen von 0, 351, wovon 0, 25 1 beheizt sind.
In das Druckgefäss wurde technisch reiner Wasserstoff wiederholt bis zur vollständigen Verdrängung der Luft zugeführt, und zuletzt ein Druck von 165 kg/cm2 herbeigeführt. Dann wurde der Hubrührer mit etwa 60 Hubbewegungen je Minute in Bewegung gesetzt, um einen guten Kontakt der Reaktionskomponenten herbeizuführen.
Der Druck des Wasserstoffs sank auf 155 kgfcm2. Nach Anstellen der elektrischen Heizung wurden folgende Drücke und Temperaturen gemessen :
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<tb>
<tb> Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Druck
<tb> <SEP> C <SEP> kgcm2
<tb> Studen <SEP> Minuten
<tb> 0 <SEP> C <SEP> kgjcm' <SEP>
<tb> Stunden <SEP> Minuten
<tb> 20 <SEP> 155
<tb> 5 <SEP> 48 <SEP> 160
<tb> 18 <SEP> 70 <SEP> 168
<tb> 25 <SEP> 82 <SEP> 170
<tb> 35 <SEP> 94 <SEP> 174
<tb> 42 <SEP> 120 <SEP> 175
<tb> 47 <SEP> 136 <SEP> 174
<tb> 50 <SEP> 144 <SEP> 170
<tb> 52 <SEP> 150 <SEP> IM
<tb>
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<tb>
<tb> Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Druck
<tb> <SEP> C <SEP> kg/cm2
<tb> Stunden <SEP> Minuten
<tb> 57 <SEP> IM <SEP> 158
<tb> 1 <SEP> 7 <SEP> 160 <SEP> 150
<tb> 1 <SEP> 21 <SEP> 160 <SEP> 139
<tb> 1 <SEP> 40 <SEP> 158 <SEP> 103
<tb> 1 <SEP> 55 <SEP> 158 <SEP>
85
<tb> 2 <SEP> 10 <SEP> 157 <SEP> 73
<tb> Über <SEP> Nacht <SEP> Abkühlpause
<tb> 17 <SEP> 40 <SEP> 20 <SEP> 40
<tb> 17 <SEP> 50 <SEP> 20 <SEP> 190
<tb> (Druckauffüllung,
<tb> Flaschendruck)
<tb> 18 <SEP> 8 <SEP> 75 <SEP> 200
<tb> 18 <SEP> 13 <SEP> 80 <SEP> 202
<tb> 18 <SEP> 20 <SEP> 100 <SEP> 205
<tb> 18 <SEP> 30 <SEP> 115 <SEP> 205
<tb> 18 <SEP> 35 <SEP> 118 <SEP> 203
<tb> 18 <SEP> 39 <SEP> 125 <SEP> 200
<tb> 18 <SEP> 46 <SEP> ! <SEP> 129 <SEP> 194
<tb> 18 <SEP> 53 <SEP> 149 <SEP> 189
<tb> 19 <SEP> 5 <SEP> 150 <SEP> 176
<tb> 19 <SEP> 41 <SEP> 150 <SEP> 166
<tb> 20 <SEP> 25 <SEP> 148 <SEP> 167
<tb> 20 <SEP> 40 <SEP> 149 <SEP> 167
<tb> Heizung <SEP> und <SEP> Hubrührer <SEP> abgestellt
<tb>
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass bereits unter 100 C eine merkliche Wasserstoffaufnahme erfolgte, die bei 100 C so stark wurde,
dass der Druck trotz weiter ansteigender Temperatur nicht weiter anstieg. Ab etwa 120 C war die Wasserstoffaufnahme so, dass der Druck abfieL Bei 150 C betrug der Druckabfall bis zu 3 kg/cm/min. Die Wasserstoffaufnahme hörte ziemlich plötzlich ganz auf und die Sättigungslöslichkeit des Natriumaluminiumhydrids war bei 1500 C erreicht. Von der Unterbrechung abgesehen,
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Farbe behalten hatte, herausgenommen, was schnell oder unter Abschluss von Luft durchgeführt werden muss, um die Zersetzung der Substanz an der Luft zu vermeiden. Die Suspension sedimentierte beim Stehenlassen über Nacht. Die Analyse der Lösung ergab einen Gehalt von 17, 5 Gew.-% Natriumaluminiumhydrid.
Beim Eindampfen der Lösung im Vakuum bei 100 C wurde eine reinweisse, gewichtskonstante Trockensubstanz erhalten, was einer Ausbeute von 71% entspricht. Der Rest lag in Form des Sediments als nicht umgesetztes Natriumhydrid, Aluminium und nicht gelöstes Natriumaluminiumhydrid vor.
Beispiel 2 : Durch 12stündiges Vermahlen von 7, 9 g eines 87, 5 Gew. -%igen Lithiumhydrids und 27, 0 g Aluminium in 200 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran wurde eine Suspension hergestellt, die ähnlich wie im Beispiel 1 der Einwirkung von Wasserstoff ausgesetzt wurde.
Die Reaktionsapparatur war dieselbe, es wurden 200 ml der Dispersion eingesetzt und die folgenden Drucke in Abhängigkeit von den angegebenen Temperaturen beobachtet :
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<tb>
<tb> Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Druck
<tb> <SEP> C <SEP> kg/cm2
<tb> Studen <SEP> Minuten
<tb> ! <SEP> 20 <SEP> 165 <SEP>
<tb> 17 <SEP> 50 <SEP> 145 <SEP>
<tb> 19 <SEP> 65 <SEP> 120
<tb> 37 <SEP> 75 <SEP> 99
<tb> 47 <SEP> 99 <SEP> 92
<tb> 54 <SEP> 115 <SEP> 93
<tb> 1 <SEP> 2 <SEP> 130 <SEP> 96 <SEP>
<tb>
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<tb>
<tb> Zeit <SEP> Temperatur <SEP> Druck
<tb> Stunden <SEP> Minuten
<tb> l <SEP> 8 <SEP> 137 <SEP> 98
<tb> 1 <SEP> 24 <SEP> 137 <SEP> 100
<tb> Über <SEP> Nacht <SEP> Abkühlpause
<tb> 17 <SEP> 7 <SEP> 20 <SEP> 80
<tb> 17 <SEP> 32 <SEP> 20 <SEP> 187
<tb> H2 <SEP> nachgepresst
<tb> 17 <SEP> 34 <SEP> 20 <SEP> 182
<tb> 17 <SEP> 45 <SEP> 27 <SEP>
183
<tb> 18 <SEP> 44 <SEP> 59 <SEP> 195
<tb> 19 <SEP> 87 <SEP> 196
<tb> 19 <SEP> 14 <SEP> 110 <SEP> 196
<tb> 19 <SEP> 57 <SEP> 105 <SEP> 192
<tb> 21 <SEP> 12 <SEP> 83 <SEP> 173
<tb> 21 <SEP> 35 <SEP> 100 <SEP> 174
<tb> 21 <SEP> 57 <SEP> 105 <SEP> 175
<tb> 22 <SEP> 22 <SEP> 115 <SEP> 177
<tb> 23 <SEP> 47 <SEP> 115 <SEP> 177
<tb>
Die dem Reaktionsgefäss entnommene Suspension wurde filtriert und in dem Filtrat der Gehalt an Lithiumaluminiumhydrid zu 11, 45 Gew.-% ermittelt, was einer Ausbeute von 67 Gew.-% bezogen auf den eingesetzten Feststoff, entspricht.
Beispiel 3 : Zur Synthese von Kalziumaluminiumhydrid wurden 4209 Gew. -Teile 95%iges Kalziumhydrid zusammen mit 5394 Gew.-Teilen griessförmigem 99%igem Aluminium in eine Kugelmühle eingebracht und mit Tetrahydrofuran auf 250 Raumteile aufgefüllt. Nach 22stündigem Mahlen in der verschlossenen Mühle, in der etwa 50 Raumteile Luft verblieben, wurden 200 Raumteile der Dispersion in ein druckfestes Gefäss, dessen heizbares Volumen 250 Raumteile und dessen totes Volumen 100 Raumteile betrug, eingebracht, die Luft mit Wasserstoff verdrängt und Wasserstoff bis zu einem Druck von 140 keg/ 2 aufgedrückt. Gas und Flüssigkeit wurden durch einen eingebauten Hubrührer intensiv gemischt. Es wurde 6 h geheizt und gerührt.
Die Temperatur wurde bis 180 C gesteigert, wobei der Druck 178 kg/cm2 betrug.
Die aus dem Gefäss abgelassene dunkelgraue Trübe wurde in der Zentrifuge weitgehend geklärt. 5 ml der Lösung ergaben bei der Hydrolyse 90 ml Wasserstoff bei 22 C und 729 mm Quecksilber, was einer Ausbeute von 23% entsprach. Das im Zentrifugengefäss abgeschiedene Sediment enthielt nicht umgesetztes Kalziumhydrid und Aluminium und kann erneut für die Synthese eingesetzt werden. Statt Kalziumhydrid kann auch metallisches Kalzium bei sonst unveränderter Arbeitsweise eingesetzt werden.
Beispiel 4 : Bei der Herstellung von Magnesiumaluminiumhydrid wird analog wie im vorstehenden Beispiel gearbeitet, d. h. eine Magnesiumhydrid-Dispersion, eine Aluminium-Dispersion und ElektrolytWasserstoff eingesetzt. Als Reaktionsmedium dient Diäthyläther. Die Wasserstoffaufnahme erfolgt bei 140 C. Es wurden 5, 4 g Magnesiumaluminiumhydrid pro Liter der Lösung erhalten. Die Herstellung des Magnesiumhydrids kann z. B. nach Zeitschrift für Naturforschung (1951) 6 b, p 394 erfolgen.
Beispiel 5 : Zur Herstellung von Kaliumaluminiumhydrid werden in einem Autoklaven mit 250 cm3 heizbarem Inhalt 200 cm3 einer Dispersion von 19 g Kaliumhydrid und 21 g Aluminium in Tetrahydrofuran unter Wasserstoffdruck von 140 atm gesetzt, wobei der gesamte Gasraum 100 cm3 Inhalt hat. Die Kaliumhydriddispersion wurde in der Weise hergestellt, dass zunächst Kalium bei 250 C in Paraffinöl suspendiert und unter heftigem Rühren bei 20 atm Wasserstoffdruck zu Kaliumhydrid umgesetzt wurde, wonach das Öl durch wiederholtes Zusetzen und Dekantieren durch wasserfreies Tetrahydrofuran ersetzt wurde. Zur Herstellung des Kaliumaluminiumhydrids wurde die Temperatur im Autoklaven auf 100 C erhöht, wobei der Druck auf 150 atm stieg.
Bei weiterer Temperaturerhöhung auf 1200 C innerhalb i h fiel der Druck auf 120 atm und nachdem die Temperatur wieder auf Raumtemperatur gefallen war, auf 100 atm ; der Wasserstoff verbrauch betrug demnach 4 Normalliter. Die Lösung aus der Reaktion wurde geklärt. Aus dem Wasserstoffverbrauch ergibt sich eine Ausbeute an Kaliumaluminiumhydrid von 65%.
Beispiel 6 : Eine Aluminiumdispersion in Tetrahydrofuran mit einem Gehalt von 5 Mol Al/1 wurde zusammen mit 4 Mol Natriummetall/l dieser Dispersion in einem Druckgefäss 41 h bei 155 C unter einem Wasserstoffdruck von 115 bis 195 kgjcm2 zur Reaktion gebracht. Die geklärte Lösung wies einen Gehalt von 2, 8 Mol NaAlH4j1 auf, was einer Ausbeute von 70%, bezogen auf Natrium, bzw. 56%, bezogen auf Aluminium, entspricht.
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Beispiel 7 : 31 Stahlkugeln, 5 Mol Hüttenaluminium als Griess, 5 Mol Natrium, 5 Mol wasserfreies
Lithiumchlorid und 11 gereinigtes und wasserfreies Tetrahydrofuran werden in einen druckfesten Stahl- topf eingebracht. Der Stahltopf wird mittels einer flexiblen Leitung mit Wasserstoff von 30 atü Druck versorgt und nach Art einer Schwingmühle exzentrisch geschüttelt. Hiebei findet eine Mahlung der Fest- stoffe, eine feine Dispergierung des Natriums und eine Wasserstoffaufnahme statt. Zunächst bildet sich
Natriumhydrid, dann Natriumaluminiumhydrid. Dieses setzt sich mit dem Lithiumchlorid zu Lithium- aluminiumhydrid um. Durch Selbsterwärmung oder Zuheizen bis 100 C wird die Wasserstoffaufnahme beschleunigt. Nach 24 h wird eine Trübe erhalten, die mittels einer schnellaufenden Zentrifuge geklärt wird.
Diese geklärte Lösung enthält 3 Mol LiA1H4fI. Bei verlängerter Mahlzeit enthält auch der Boden- körper Lithiumaluminiumhydrid, das aus demselben durch kurzzeitiges Mahlen mit Äther gelöst und ge- wonnen werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Metallaluminiumhydriden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall- hydrid oder ein hydridbildendes Metall und feinzerteiltes Aluminium, das eine aktive Oberfläche hat, in einem für das herzustellende Metallaluminiumhydrid geeigneten Lösungsmittel suspendiert mit Wasser- stoff unter Druck und erhöhter Temperatur umgesetzt wird.