| Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Name, Symbol, Ordnungszahl | Aluminium, Al, 13 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Metalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 13 (IIIA), 3, p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | silbrig | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 7,57 % | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atommasse | 26,981538 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 125 (118) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 118 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ne]3s23p1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Austrittsarbeit | 4,08-4,25 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 577,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1816,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 2744,8 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 11577 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. Ionisierungsenergie | 14842 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. Ionisierungsenergie | 18379 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 7. Ionisierungsenergie | 23326 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 8. Ionisierungsenergie | 27465 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 9. Ionisierungsenergie | 31853 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 10. Ionisierungsenergie | 38473 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (paramagnetisch) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | 2700 kg/m3 (2,75) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 933,47 K (660,32 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 2740 K (2467 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 10,00 · 10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 293,4 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 10,79 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 2,42 · 10-06 Pa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 5100 m/s bei 293 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 900 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 37,7 · 106 S/m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 237 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 23,8·10-6 K-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| E-Modul | 70000 N/mm² | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Chemisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände | 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxide (Basizität) | (amphoter) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Normalpotenzial | -1,66201 V (Al3+ + 3e- → Al) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,61 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aluminium (von lat. alumen „Alaun“) ist ein chemisches Element des Periodensystems mit der Ordnungszahl 13. Das Elementsymbol ist Al. Es gehört zur Borgruppe (früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet).
Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste und tritt wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nur in chemisch-gebundenem Zustand auf.
Eigenschaften
Das reine Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Die Oxidschicht macht reines Aluminium sehr korrosionsbeständig. Durch elektrische Oxidation (Eloxieren) oder auf chemischem Weg kann die schützende Oxidschicht verstärkt werden.
Aluminium reagiert heftig mit Natriumhydroxid unter Bildung von Wasserstoff. Diese Reaktion wird in chemischen Rohrreinigungsmitteln ausgenutzt. Mit Brom reagiert Aluminium bei Zimmertemperatur unter Flammenerscheinung. Hierbei ist zu beachten, dass das entstehende Aluminiumbromid mit Wasser unter Bildung von Aluminiumoxid und Bromwasserstoffsäure reagiert. Mit Quecksilber reagiert Aluminium unter Bildung eines Amalgams.
Aluminium ist ein sehr weiches, zähes Metall. Es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden. Es lässt sich gut gießen, verformen, biegen, pressen, schmieden und spanabhebend bearbeiten. Entstandene Spannungen durch Kaltverformen können durch Weichglühen (bis 250 °C) beseitigt werden.
Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter (die Leitfähigkeit beträgt 60 Prozent von der des Kupfers). Bei einer Sprungtemperatur von 1,8K wird Aluminium supraleitend.
Um Aluminium nachzuweisen, gibt man die entsprechende Verbindung auf eine Magnesiarinne mit einem Tropfen verdünnter Cobaltnitratlösung und erhitzt dies im Bunsenbrenner. Ist Aluminium vorhanden färbt sich die Rinne nach Thénards Blau.
Geschichte
Plinius erzählt, dass einst im Palast des Kaiser Tiberius, der in den Jahren 14 bis 37 n. Chr. regierte, ein Metallarbeiter erschien, und ein metallisches Geschenk anbot, das äußerlich wie Silber aussah, aber auffallend leicht war. Der Kaiser fragte den Arbeiter, wo dieses Metall zu finden wäre und erhielt die Antwort, dass jener es aus einer tonhaltigen Erde hergestellt hätte. Tiberius fragte weiter, ob sonst noch jemand um das Vorhandensein und die Herstellung dieses Metalls wüsste, worauf der Arbeiter zu seinem Unheil erwiderte, dass außer ihm nur Jupiter das Geheimnis kenne. Der Kaiser aber war von Argwohn erfasst, dass das neue Metall den Wert des Goldes und des Silbers schädigen könnte und ließ daher die Werkstatt des Geschenkgebers zerstören und denselben enthaupten, sodass die Erfindung verloren ging. Als Sir Humphry Davy im Jahre 1808 das Aluminium entdeckte und beschrieb, erinnerte man sich wieder des Schicksals dieses unglücklichen Metallarbeiters und es verbreitete sich die Meinung, dass es sich bei diesem sagenhaften Metall um Aluminium gehandelt habe. Auch wenn ein wahrer Kern in dieser Erzählung stecken würde, so wäre es gänzlich ungeklärt, wie ein einzelner Arbeiter die technischen Schwierigkeiten hätte überwinden können, die bei der Aluminiumerzeugung zu überwinden sind. Erst 1825 gelang es dem Dänen Hans Christian Ørsted Aluminium, das in der Natur nicht in gediegener Form vorkommt, synthetisch herzustellen, allerdings in sehr verunreinigter Form. Die Herstellung von reinem Aluminium in Pulverform gelang 1827 dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler. Zu jener Zeit war der Preis von Aluminium höher als der von Gold.
Henri Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Dadurch fiel der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90 Prozent.
1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das jetzt nach ihnen benannte Verfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. Nach diesem Prinzip erfolgt noch heute die großtechnische Aluminiumherstellung. Im Jahr 1889 wurde das Verfahren durch Carl Josef Bayer weiter verbessert.
Vorkommen
Aluminium ist das Metall, welches in der Erdkruste am häufigsten vorkommt (7,57 Prozent des Gesamtgewichts der Erdkruste). Es tritt allerdings nicht gediegen auf, sondern nur in chemischen Verbindungen. Aluminium findet man in der Natur häufig in Alumosilikaten als Bestandteil von z.B. Ton, Gneis und Granit.
Eine wirtschaftliche Gewinnung von Aluminium ist nur aus Bauxit möglich. Bauxit enthält ca. 60 Prozent Aluminiumoxid (Al2O3), ca. 30 Prozent Eisenoxid (Fe2O3), Siliziumoxid (SiO2) und Wasser.
In seltener Form ist Aluminiumoxid in Korund, bekannt als Rubin und Saphir, vorhanden. Die rote oder blaue Farbe der Steine entsteht durch Verunreinigungen.
Bauxitvorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Ungarn, Russland, Indien, Australien und USA.
Gewinnung und Darstellung
Nach dem Verfahren von Ørsted (1825) wird Aluminium aus Aluminiumchlorid und Kaliumamalgam hergestellt, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient:
Nach Wöhler wird metallisches Kalium zur Reduktion verwendet.
Technisch gelingt die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren, Bayer-Verfahren). Aluminiumoxid wird mit Kryolith geschmolzen und elektrolysiert. Dabei entsteht an der Kathode Aluminium und an der Anode Sauerstoff.
Der Sauerstoff reagiert mit der Kohleanode zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonooxid - die Graphitblöcke, die die Anode bilden, verbrennen und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Kohlekathode ist gegenüber dem Aluminium inert.
Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Der Energieaufwand beträgt etwa 13–16 kWh/kg. Mit dieser Energiemenge für die Herstellung einer Tonne Aluminium könnte man ein Einfamilienhaus 2 Jahre lang versorgen.
Umweltverbände kritisieren den Einsatz von Aluminium wegen des hohen Ressourcenverbrauchs bei der Herstellung. Das Metall Aluminium kann prinzipiell nur auf elektrochemischem Weg aus mineralischen Rohstoffen hergestellt werden.
Verwendung
Wegen der geringen Dichte von Aluminium wird dieses Metall gerne dort verwendet, wo Masse bewegt werden muss, vor allem in der Verpackungsindustrie und der Luft- und Raumfahrt. Aus diesem Grund gewinnt der Werkstoff Aluminium auch im Fahrzeugbau zunehmend an Bedeutung; Kraftfahrzeughersteller nutzen den Werbeeffekt des Werkstoffes. In Legierungen mit Magnesium, Silizium und anderen Metallen werden Festigkeiten in Strangpressprofilen erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminium für die Gewichtsreduzierung sehr beliebt. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik ist Aluminium der Werkstoff der Wahl. Aluminium wird in Überlandleitungen als Leitungsmaterial verwendet - die geringe Dichte ist hier ausschlaggebend. Kupferleitungen mit der gleichen Leitfähigkeit hätten zwar einen geringeren Querschnitt, aber eine höhere Masse.
Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für z.B. Wärmetauscher (Kühler) und Kühlrippen verwendet.
Im Haushalt trifft man Aluminium in Form von Getränkedosen und Aluminiumfolie an, zuweilen auch als Kochtöpfe oder als Campinggeschirr.
In der Lebensmittel-Herstellung findet es Verwendung als Lebensmittelfarbe (E 173) bei Überzügen von Zuckerwaren zur Dekoration von Kuchen und feinen Backwaren.
In Pulverform (Partikelgröße < 500 µm) ist es vor allem, wenn es nicht phlegmatisiert ist, aufgrund seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. So reagiert Aluminium mit Wasser unter Abgabe von Wasserstoff zu Aluminiumoxid. Ebenso ist es für die stark exotherme (bis zu 2500 °C) Thermit-Reaktion unerlässlich. Vorsicht: Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst, er hat das Gefahrenzeichen [F+].
Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht geschützt.
Die Aluminiumverarbeitung geschieht oft mit Hilfe von Gußverfahren (Aluminiumgießerei).
- Sandguss
- Strangguss
- Druckguss
- Feinguss
- Kokillenguss (ggf. mit Sandkern)
- Bandguss
- Sprühkompaktieren
Hierbei muß man solche Verfahren unterscheiden, die der Herstellung (fast) fertiger Bauteile dienen (z.B. Sandguss, Druckguss, Feinguss) und solchen, die Rohmaterial für die Weiterverarbeitung zu Halbzeug wie Blechen und Strangpreßprofilen liefern (z.B. Strangguss). Sprühkompaktieren und Bandguss nehmen eine Sonderstellung ein.
Die Herstellung von Halbzeug oder Bauteilen geschieht aus Vormaterial wie z.B. Walzbarren mit Hilfe von Umformverfahren
Nachweis
Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnter Kobaltnitratlösung auf der Magnesiarinne nach. Dabei entsteht das Pigment Thénards Blau (Kobaltblau oder Cobaltblau, Dumonts Blau, Coelestinblau, Leithners Blau, Cobaltaluminat). Es ist ein Cobaltaluminiumspinell mit der Formel CoAl2O4. Diese Nachweisreaktion wurde 1795 von Leithner durch Glühen von Aluminiumsulfat und Cobaltnitrat (Co(NO3)2) entdeckt. Die industrielle Erzeugung wurde durch den Pariser Universitätsprofessor Louis Jacques Thénard veranlasst.
Produktionskette
Aluminiumlegierungen
Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Chrom, Zink, Zirkon und Molybdän legiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken.
Bei den meisten Legierungen ist jedoch die Bildung der schützenden Oxydschicht (Passivierung) stark gestört, wodurch die daraus gefertigten Bauteile teils hochgradig Korrosionsgefährdet sind. Nahezu alle Hochfesten Aluminiumlegierungen sind von dem Problem betroffen.
- Aluminiumgusslegierungen - Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen. Typische Aluminiumgusslegierungen sind: AlSi, AlSiCu, AlSiMg, AlCuTi, AlMg
- Aluminiumknetlegierungen - Platten und Bandproduktion durch Warm- und Kaltumformen (Walzen, Strangpressen, Schmieden). Typische "naturharte" Aluminiumknetlegierungen sind: AlMg, AlMn, AlMgMn, AlSi
- Aushärtung von Aluminiumlegierungen - Gitterverspannung durch Ausscheidung von Legierungselementen
Typische "aushärtbare" Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu, Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung AlCuMg bekam 1907 den Markennamen Duraluminium.
Es gibt Aluminiumknetlegierungen (AW, engl. wrought), zum Beispiel AlMg4,5Mn, und Aluminiumgusslegierungen (AC, engl. cast). Aluminiumgusslegierungen werden z.B. für Leichtmetallfelgen verwendet. Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen nach dem System der AA (Aluminium Association) bezeichnet.
Hierbei gilt für Knetlegierungen folgende Einordnung nach dem jeweiligen Hauptlegierungselement:
- 1xxx: Reinaluminiumqualitäten (über 99% Aluminium)
- 2xxx: Kupfer, ggf. Lithium
- 3xxx: Mangan
- 4xxx: Silicium, ggf. Magnesium
- 5xxx: Magnesium
- 6xxx: Magnesium-Silicium
- 7xxx: Zink-Magnesium
- 8xxx: Sonderlegierungen
Ein x bezeichnet jeweils eine weitere Ziffer. Beispiele sind etwa 2024, 5083 oder 7075.
Für Gusslegierungen gilt hingegen folgende Einordnung:
Verbindungen
- Aluminiumoxid Al2O3, auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor und wird als Schleif- oder Poliermittel verwendet.
- Kaliumaluminiumsulfat KAl(SO4)2, bekannt als "Alaun" zum Blutstillen.
- Aluminiumacetat Al(CH3-COO)3, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
- Aluminiumorganische Verbindungen - Triethylaluminium u.v.m. - werden im großtechnischen Maßstab als Katalysatoren in der Polyethylen-Herstellung eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik. Hier werden flüchtige Aluminiumalkyle (Trimethylaluminium, Triethylaluminium etc.) als Vorstufen zur CVD (Chemical-Vapor-Deposition)- Abscheidung von Alumiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliziumdioxid einsetzt.
- Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet (siehe auch Thermitverfahren).
- Aluminiumoxynitrid ist ein transparenter keramischer Werkstoff.
Sicherheitshinweise
Aluminium ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, die keine vorteilhafte Funktion in lebenden Zellen zu haben scheinen.
Aluminium wird durch zunehmende Säurebelastung der Böden von den Pflanzen vermehrt aufgenommen. Wir bekommen mit der Nahrung täglich im Durchschnitt 25 mg Aluminium. Wenn Speisen nun noch im Aluminiumgeschirr zubereitet (saure Lebensmittel lösen Aluminium!) und in Alufolie aufbewahrt werden, kann sich die Aufnahme um das 2 - 3 fache erhöhen.
Aluminium ist in Backpulver, Weißmehl (als Bleichmittel), Schmelzkäse, Scheibletten sowie sauer eingelegten Gemüsekonserven, als Antiklumpmittel in Kaffeeweißern, Salz und Gewürzen enthalten. Aluminiumverbindungen finden sich außerdem in Körperpflegemitteln (Deo, Zahnpasta), in Medikamenten gegen Magenübersäuerung (Antacida), Durchfallmitteln (Kaolin, Attapulgite, Bolus) und in manchen Lipidsenkern (Aluminiumclofibrat), sowie in Industrieemissionen aus der Herstellung von Aluminium, der Papier-, Glas-, Porzellan- und Textilindustrie.
Aluminium kann an Anämie beteiligt sein, weil es dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt. Es kann den Knochenstoffwechsel beeinträchtigen, Arthritis begünstigen, Beschwerden des Nervensystems wie z.B. Gedächtnis- und Sprachstörungen , Antriebslosigkeit und Aggressivität befördern und führt auf jeden Fall mit der Zeit zu Leber- und Nierenschädigungen (dagegen hilft auch ein Leber- oder Nierenprogramm). Aluminium stört den Stoffwechsel von Calcium, Chrom, Eisen, Fluor, Kupfer, Magnesium, Phosphor, Silizium, Zink sowie der Vitamine B6 und D.
Ferner besteht der Verdacht, dass Aluminium Brustkrebs fördern könnte.
Einige Prozent der Bevölkerung reagieren auf Aluminium stark allergisch — sie erleiden Ausschläge in jeder möglichen Form durch Verwenden von Antitranspirationsprodukten, Verdauungsstörungen und Unfähigkeit, Nährstoffe aus der Nahrung aufzunehmen, die in Aluminiumtöpfen gekocht wurde, oder Erbrechen und anderen Vergiftungserscheinungen durch Einnehmen aluminiumhaltiger Medikamente.
Ökologie
Hinsichtlich der Umweltbelastung ist die gute Recyclierbarkeit von Aluminium hervorzuheben. Außerdem wird durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Energieeinsparung bei der Anwendung führt.
Andererseits wird für die Elektrolyse von Aluminium sehr viel elektrische Energie benötigt. Der Abbau von Bauxit, das überwiegend im Tagebau gewonnen wird, führt zu Umweltzerstörungen wie Regenwaldabholzung.
