Aluminium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Aluminium, Al, 13
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block	[[\|13 (IIIA)]], 3, [[Periodensystem#Block\|p]]
Aussehen	silbrig
CAS-Nummer	{{{CAS}}}
EG-Nummer	{{{EG-Nummer}}}
ECHA-InfoCard	100.028.248
ATC-Code	{{{ATC-Code}}}
Massenanteil an der Erdhülle	7,57
Atomar
Atommasse	26,981538 u
Atomradius (berechnet)	125 (118) pm
Kovalenter Radius	118 pm
Van-der-Waals-Radius	- pm
Elektronenkonfiguration	[Ne]3s23p1
1. Ionisierungsenergie	577,5
2. Ionisierungsenergie	1816,7
3. Ionisierungsenergie	2744,8
4. Ionisierungsenergie	11577
5. Ionisierungsenergie	14842
6. Ionisierungsenergie	18379
7. Ionisierungsenergie	23326
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	2700
Mohshärte	2,75
Magnetismus	paramagnetisch
Schmelzpunkt	933,47 K (660,32 °C)
Siedepunkt	2740 (2467 °C)
Molares Volumen	10,00 · 10-6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	293,4
Schmelzenthalpie	10,79 kJ·mol−1
Dampfdruck	2,42 · 10-6 Pa
Schallgeschwindigkeit	5100 m·s−1 bei 293 K
Spezifische Wärmekapazität	900 J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit	4,08-4,25
Elektrische Leitfähigkeit	37,7 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	237 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	3
Normalpotential	-1,66201 V (Al3+ + 3e- → Al)
Elektronegativität	1,61 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
	Vorlage:NMREigenschaften
Sicherheitshinweise
	GHS-Gefahrstoffkennzeichnung{{{GHS-Piktogramme}}}
H- und P-Sätze	H: {{{H}}}
	EUH: {{{EUH}}}
	P: {{{P}}}
	Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

[[Kategorie:Periode-3-Element]] Aluminium (Al) ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 13. Die Bezeichnung leitet sich ab vom lateinischen Wort alumen für Alaun.

Im Periodensystem der Elemente gehört Aluminium zur Borgruppe, die früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es 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 undurchdringliche 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 Aluminiumhydroxid und Bromwasserstoffsäure reagiert. AlBr₃ + 3H₂O --> Al(OH)₃ + 3HBr

Mit Quecksilber bildet Aluminium ein Amalgam.

Aluminium ist ein relativ weiches, zähes Metall. Es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden. Es lässt sich auch bei niedrigen Temperaturen gut gießen, verformen, biegen, pressen, schmieden und spanabhebend bearbeiten. Durch Kaltverformen entstandene Spannungen 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 1,8 K wird Aluminium supraleitend.

Schmelzpunkt:660,4 °C Siedepunkt:2.467 °C Dichte:2,7 Gramm/Kubikzentimeter

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 berichtet, 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), Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien und den USA.

Gewinnung und Darstellung

Nach dem Verfahren von Ørsted (1825) wird Aluminium aus Aluminiumchlorid und Kaliumamalgam hergestellt, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient:

$\mathrm {4AlCl_{3}+3K\rightarrow Al+3KAlCl_{4}}$

Nach Wöhler wird metallisches Kalium zur Reduktion verwendet.

Technisch gelingt die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren) von Aluminiumoxid $Al_{2}O_{3}$ , welches durch das Bayer-Verfahren (Nasser Aufschluss) oder dem heute bedeutungslosen trockenen Aufschluss (Beim trockenen Aufschluss wird feinstgemahlenes Bauxit in Drehöfen bei rund 1000 °C calciniert.) gewonnen wird. Aluminiumoxid wird mit Kryolith geschmolzen und elektrolysiert. Dabei entsteht an der Kathode Aluminium und an der Anode Sauerstoff, der mit dem Kohlenstoff der Elektrode zu Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonooxid reagiert. Kryolith wird zugesetzt, um den Schmelzpunkt herabzusetzen.

Die Graphitblöcke, die die Anode bilden, verbrennen und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Kohlekathode ist gegenüber dem Aluminium inert.

Dieser Prozess ist wegen der hohen Bindungsenergie des Aluminiums und seiner Dreiwertigkeit sehr energieaufwändig. Der Energieaufwand beträgt etwa 13–16 kWh/kg. Mit der Energiemenge für die Herstellung einer Tonne Aluminium könnte man ein Einfamilienhaus 2 Jahre lang versorgen. Das Metall Aluminium kann großtechnisch prinzipiell nur auf elektrochemischem Weg aus mineralischen Rohstoffen hergestellt werden.

Umweltverbände kritisieren den Einsatz von Aluminium wegen des hohen Ressourcenverbrauchs bei der Herstellung. Andererseits lässt sich Aluminium mit vergleichsweise geringem Energieaufwand hervorragend recyceln.

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 unlegiertem 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.

Auch die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der Zuverlässigkeit der Eigenschaften und guten Verarbeitbarkeit ein: So werden als Verbindungsdrähtchen zwischen Chips und ihren Gehäusebeinchenheute oft auch Aluminiumfäden verwendet, weil sich Aluminium beispielsweise problemlos zu einem sehr dünnen Drähtchen ausziehen lässt.

Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für z. B. Wärmeübertrager (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+]. Mischungen aus Aluminiumstaub und Luft sind stark explosiv. In der Luft- und Raumfahrttechnik wird Aluminium deswegen auch als Bestandteil des Treibstoffs in Feststoffraketen verwendet.

Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht geschützt.

Die Aluminiumverarbeitung geschieht oft mit Hilfe von Gußverfahren (Aluminiumgießerei).

Urformen:

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

Umformen:

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.

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:

1xx: Reinaluminiumqualitäten
2xx: Kupfer
3xx: Silicium-Kupfer/Magnesium
4xx: Silicium
5xx: Magnesium
7xx: Magnesium-Zink
8xx: Zinn

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 Aluminiumoxid 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.

Unter besonderen Bedingungen tritt Aluminium auch einwertig auf. Diese Verbindungen benutzt man zur Gewinnung von hochreinem Aluminium (Subhalogeniddestillation).

Aluminium im täglichen Leben

Aluminium ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, die anscheinend von Lebewesen nicht genutzt werden. Der Grund könnte darin liegen, dass Aluminium ursprünglich, als sich das Leben im Meer entwickelte, im Meerwasser in gelöster Form fast überhaupt nicht vorhanden war und somit von dem sich entwickelnden Leben nicht genutzt werden konnte. Das Leben hat gelernt, ohne Aluminium auszukommen. Erst im Laufe der Jahrmilliarden wurde Aluminium allmählich durch Flüsse im Meer angereichert, obwohl auch heute noch die Konzentration im Meer sehr gering ist. Für diese These spricht auch, dass die Aluminiumkonzentration im Flusswasser wesentlich höher liegt als im Meerwasser.

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 zwei- bis dreifache erhöhen.

Aluminium ist in Backpulver, Schmelzkäse, Scheibletten sowie sauer eingelegten Gemüsekonserven, als Antiklumpmittel in Kaffeeweißern, Salz und Gewürzen enthalten. Aluminiumverbindungen finden sich außerdem in Körperpflegemitteln (mineralischer Sonnenschutz, 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.

Aluminiumverbindungen können 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 fördern 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.

Laut neuesten Untersuchungen des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) besteht kein Zusammenhang zwischen der Aluminiumaufnahme aus Lebensmittelbedarfsgegenstaenden und Alzheimer. ([1])

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, obwohl die Aluminiumlegierungen streng getrennt werden müssen und das Schmelzen von Aluminium sehr viel Energie erfordert. Außerdem wird durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Einsparungen bei Treibstoffen führt. Andererseits wird für die Elektrolyse von Aluminium sehr viel elektrische Energie benötigt.

Siehe auch

Weblinks

Commons: Aluminium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Aluminium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen