Aluminium
Aluminium ist das 13. Element im Periodensystem der chemischen Elemente.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Aluminium, Al, 13 | ||||||||||||||||||
| Serie | Metalle | ||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 13 (IIIA), 3, p | ||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 2700 kg/m3, 2,75 | ||||||||||||||||||
| Aussehen | silbrig | ||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||
| Atomgewicht | 26,981538 amu | ||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 125 (118) pm | ||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 118 pm | ||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | k. A. | ||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ne]3s2 3p1 | ||||||||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 3 | ||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | 3 (amphoter) | ||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert | ||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (paramagnetisch) | ||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 933,47 K (660,32 °C) | ||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 2792 K (2519 °C) | ||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 10,00 · 10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 293,4 kJ/mol | ||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 10,79 kJ/mol | ||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 2,42 · 10-06 Pa bei __ K | ||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 5100 m/s bei 933 K | ||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,61 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||
| Austrittsarbeit | 4,08-4,25 eV | ||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 900 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 37,7 · 106/m Ohm | ||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 237 W/(m · K) | ||||||||||||||||||
| 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 | ||||||||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||
Das Leichtmetall Aluminium hat ein stumpfes, silbergraues Aussehen aufgrund der dünnen Oxidschicht, die sich sehr schnell an der Luft bildet. Diese Oxidschicht macht Aluminium sehr korrosionsbeständig. Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste und tritt nur chemisch gebunden auf. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter, es ist zudem sehr weich, dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden.
Historische Informationen
Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen noch nicht lange bekannt. Es wurde erst im Jahr 1808 durch Sir Humphry Davy entdeckt und benannt. Friedrich Wöhler gelang die Herstellung von Aluminium im Jahr 1827 basierend auf einer unreinen Form, die Hans Christian Ørsted zwei Jahre zuvor hergestellt hatte. Der Preis von Aluminium war zu jener Zeit höher als der von Gold.
Durch Henri Sainte-Claire Deville wurde der Wöhler-Prozess im Jahr 1846 weiter verfeinert und im Jahr 1859 in einem Buch publiziert. Dadurch fiel der Aluminiumpreis innerhalb von 10 Jahren um 90%.
Im Jahr 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 Karl Josef Bayer weiter verbessert.
Vorkommen
Aluminium kommt in der Natur häufig als Aluminiumsilikat vor. Reines Al2O3 kommt nur selten vor und ist uns bekannt als Edel- und Halbedelstein. Je nach Verunreinigung sprechen wir von Smaragden, Rubinen oder Saphiren. Weitaus häufiger kommt Aluminium im Bauxit vor.
Herstellung
Technisch wird Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt (Kryolith-Tonerde-Verfahren, Bayer-Verfahren). Die Herstellung von Aluminium ist energieaufwändig. Der Energieaufwand beträgt etwa 13-16 KWh/kg.
Verwendung
Wegen der geringen Dichte von Aluminium wird dieses Metall vor allem in der Produktion für Luft- und Raumfahrt eingesetzt; auch im Fahrzeugbau hat Aluminium eine steigende Bedeutung. In Legierungen mit Silizium und anderen Metallen werden Festigkeiten in Stranggussprofilen erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Damit wird das Aluminium zur Gewichtsreduzierung sehr beliebt. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik ist Aluminium der Werkstoff der Wahl. Kraftfahrzeughersteller nutzen den Werbeeffekt des Werkstoffes.
Im Haushalt trifft man Aluminium in Form von Getränkedosen und Aluminiumfolie an, zuweilen auch als Kochtöpfe. Umweltverbände kritisieren den Einsatz von Aluminium wegen des hohen Ressourcenverbrauchs in der Herstellung.
In Pulverform (< 500µm) ist es, vor allem wenn es nicht phlegmatisiert ist, aufgrund seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. So reagiert es beispielsweise 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+].
Aluminium wird häufig durch eine Eloxalschicht geschützt.
Vorkehrungen
Aluminium ist eins der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, das keine vorteilhafte Funktion in lebenden Zellen zu haben scheint, aber einige Prozent Personen reagieren 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. Aluminium ist nicht so giftig wie Schwermetalle, aber vieles spricht für eine geringe Giftigkeit, wenn es in übermäßigen Mengen gebraucht wird. Jedoch ist der Gebrauch von Aluminiumgeschirr, das sehr populär wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und guten Hitzeübertragung ist, unbedenklich. Übermäßiger Verbrauch von Mitteln gegen Sodbrennen und Deodorants, die Aluminium enthalten, sind wahrscheinlichere Ursachen von Vergiftungserscheinungen. Es wurde eine Zeit lang vermutet, dass Aluminium Alzheimer hervorrufen kann. Diese Vermutung konnte nicht bewiesen werden.
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 Elektroenergie benötigt. Der Abbau von Bauxit führt zu Umweltzerstörungen.
Aluminiumlegierungen
Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung bekam 1907 den Markennamen Duraluminium.
Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Chrom, Zink, Zirkon und Molybdän legiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken.
- Aluminiumgusslegierungen - Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen
- Aluminiumknetlegierungen - Platten und Bandproduktion durch Warmumformen (Walzen, Strangpressen)
- Aushärtung von Aluminiumlegierungen - Gitterverspannung durch Abschrecken
Es gibt Aluminiumknetlegierungen (AW, engl. wrought), zum Beispiel AlMg4,5Mn, und Aluminiumgusslegierungen (AC). Aluminiumgusslegierungen werden z.B. für Leichtmetallfelgen verwendet.
Aluminiumverarbeitung
Urformen:
Beispiele chemischer Verbindungen
- Aluminiumoxid Al2O3 auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder als sehr harte Kristalle vor, wird als Schleif- oder Poliermittel verwendet.
- Kaliumaluminiumsulfat KAl(SO4)2, bekannt als "Alaun" zum Blutstillen
- Aluminiumacetat (CH3-COO)3Al, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge
- Aluminiumorganische Verbindungen - Triethyaluminium 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.