Aluminium

Eigenschaften
[Ne] 3s2 3p1 13 Al Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Aluminium, Al, 13
Serie	Metalle
Gruppe, Periode, Block	13, 3, p
Aussehen	silbrig
CAS-Nummer	7429-90-5
Massenanteil an der Erdhülle	7,57 %[1]
Atomar [2]
Atommasse	26,981538 u
Atomradius (berechnet)	125 (118) pm
Kovalenter Radius	121 pm
Van-der-Waals-Radius	184[3] pm
Elektronenkonfiguration	[Ne] 3s2 3p1
Austrittsarbeit	4,06 – 4,26 eV [4]
1. Ionisierungsenergie	577,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1816,7 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2744,8 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	2,7 g/cm3
Mohshärte	2,75
Magnetismus	paramagnetisch ($ \chi _{m} $ = 2,1 · 10−5)[5]
Schmelzpunkt	933,47 K (660,32 °C)
Siedepunkt	2743 K[6] (2470 °C)
Molares Volumen	10,00 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	284 kJ/mol[6]
Schmelzwärme	10,7 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	5100 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	897[1] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	37,7 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	235 W/(m · K)
Mechanisch [2]
E-Modul	70000 N/mm²[7]
Poissonzahl	0,34[8]
Chemisch [2]
Oxidationszustände	1, 2, 3
Oxide (Basizität)	Al2O3 (amphoter)
Normalpotential	−1,676 V (Al3+ + 3 e− → Al)
Elektronegativität	1,61 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 25Al {syn.} 7,183 s ε 4,277 25Mg 26Al in Spuren 7,17 · 105 a ε 4,004 26Mg 27Al 100 % Stabil 28Al {syn.} 2,2414 min β− 4,642 28Si 29Al {syn.} 6,56 min β− 3,680 29Si
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 Er(1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 27Al 5/2 6,976 · 107
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [9] Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 250-261 P: 210-​222-​231+232-​280-​422-​501Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze [10] EU-Gefahrstoffkennzeichnung [11] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [9] Pulver Leicht- entzündlich (F) R- und S-Sätze R: 15-17 (nicht stabilisiert) R: 10-15 (phlegmatisiert) S: (2)-7/8-43
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Aluminium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Al und der Ordnungszahl 13. Im Periodensystem gehört Aluminium zur dritten Hauptgruppe oder Borgruppe, die früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Aluminium ist ein silbrig-weißes Leichtmetall. Es ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Obwohl das Metall sehr unedel ist, ist es durch Passivierung geschützt, so dass es bei Raumtemperatur nicht mit Luft oder Wasser reagiert.

Geschichte

Der englische Chemiker Sir Humphry Davy

Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen noch nicht lange bekannt. Erst im Jahre 1808 beschrieb es Sir Humphry Davy als „Aluminum“ und versuchte seine Herstellung. Die gelang erstmalig Hans Christian Ørsted 1825 durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl₃) mit Kaliumamalgam, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient:^[12]

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

Friedrich Wöhler verwendete 1827 die gleiche Methode, verwendete zur Reduktion jedoch metallisches Kalium und erhielt damit ein reineres Aluminium. Zu jener Zeit kostete Aluminium mehr als Gold.

Henri Étienne 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 %.

1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das jetzt nach ihnen benannte Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. 1889 entwickelte Carl Josef Bayer das nach ihm benannte Bayer-Verfahren zur Aluminiumherstellung. Aluminium wird noch heute nach diesem Prinzip großtechnisch hergestellt.

Zu dieser Zeit stand das Metall in solchem Ansehen, dass man daraus gefertigte Metallschiffe durchaus auf den Namen Aluminia taufte.

Namensgebung

Der Elementname leitet sich vom lateinischen Wort alumen für Alaun ab. Zwei Namen für das Element sind in Gebrauch: Aluminium und Aluminum. Weltweit dominiert das erstere, während in den Vereinigten Staaten der zweite Name geläufiger ist.^[13] Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) beschloss im Jahr 1990 dass der Elementname Aluminium laute, akzeptierte 3 Jahre später aber auch Aluminum als mögliche Variante.

Vorkommen

Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Allerdings kommt es aufgrund seines unedlen Charakters praktisch ausschließlich in gebundener Form vor. Die größte Menge befindet sich chemisch gebunden in Form von Alumosilicaten, wo es in der Kristallstruktur die Position von Silicium in Sauerstoff-Tetraedern einnimmt. Diese Silikate sind zum Beispiel Bestandteil von Ton, Gneis und Granit.

Seltener wird Aluminiumoxid in Form des Minerals Korund und seiner Varietäten Rubin (rot) und Saphir (farblos, verschiedenfarbig) gefunden. Die Farben dieser Kristalle beruhen auf Beimengungen anderer Metalloxide. Korund hat mit fast 53 % den höchsten Aluminiumanteil in der Verbindung. Einen ähnlich hohen Aluminiumanteil haben die noch selteneren Minerale Akdalait (~51 %) und Diaoyudaoit (~50 %). Insgesamt sind bisher (Stand: 2010) 1156 aluminiumhaltige Minerale bekannt.^[14]

Das einzige wirtschaftlich wichtige Ausgangsmaterial für die Aluminiumproduktion ist Bauxit. Vorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Guinea, Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien, Brasilien und den Vereinigten Staaten. Bauxit enthält ungefähr 60 % Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃ und AlO(OH)), etwa 30 % Eisenoxid (Fe₂O₃) und Siliciumdioxid (SiO₂).

Bei der Herstellung unterscheidet man Primäraluminium, auch Hüttenaluminium genannt, das aus Bauxit gewonnen wird, und Sekundäraluminium aus Aluminiumschrott. Die Wiederverwertung benötigt dabei nur etwa 5 % Energie der Primärgewinnung.

Trotz seines unedlen Charakters kann Aluminium in der Natur auch elementar vorkommen. Hier tritt es sehr selten gediegen, das heißt elementar meist in Form von körnigen bis massigen Aggregaten auf, kann in seltenen Fällen aber auch tafelige Kristalle bis etwa einen Zentimeter Größe entwickeln.^[15] Von der International Mineralogical Association (IMA) ist es daher in der Mineralsystematik nach Strunz unter der System-Nummer 1.AA.05 beziehungsweise veraltet unter I/A.03-05 als Mineral anerkannt. Gediegenes Aluminium konnte bisher (Stand: 2010) an rund 20 Fundorten nachgewiesen werden: In Aserbaidschan, Bulgarien, der Volksrepublik China (Guangdong, Guizhou und Tibet), Italien, Russland (Ostsibirien, Ural) und in Usbekistan. Auch auf dem Mond ist gediegenes Aluminium gefunden worden.^[16] Aufgrund der extremen Seltenheit hat gediegenes Aluminium keine Bedeutung als Rohstoffquelle.

Gewinnung

Zeitliche Entwicklung der weltweiten Primäraluminiumproduktion

Da Aluminium aus den Alumosilikaten aufgrund der Bindungsverhältnisse praktisch nicht isoliert werden kann, ist eine wirtschaftliche großtechnische Gewinnung von metallischem Aluminium nur aus Bauxit möglich. Das in diesem Erz enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch wird zunächst mit Natronlauge aufgeschlossen (Bayer-Verfahren), um es von Fremdbestandteilen wie Eisen- und Siliciumoxid zu befreien und wird dann überwiegend in Wirbelschichtanlagen (aber auch in Drehrohröfen) zu Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebrannt.

Der sogenannte trockene Aufschluss (Deville-Verfahren) hat dagegen keine Bedeutung mehr. Dabei wird feinstgemahlenes, ungereinigtes Bauxit zusammen mit Soda und Koks in Drehrohröfen bei rund 1200 °C kalziniert und das entstehende Natrium-Aluminat anschließend mit Natronlauge gelöst.

Die Herstellung von Aluminium erfolgt ausschließlich durch Schmelzflusselektrolyse von Aluminiumoxid nach dem Kryolith-Tonerde-Verfahren (Hall-Héroult-Prozess). Zur Herabsetzung des Schmelzpunktes wird das Aluminiumoxid zusammen mit Kryolith geschmolzen (Eutektikum bei 963 °C;^[17]. Der Prozess ist aufgrund der hohen Bindungsenergie des Aluminiums und seiner Dreiwertigkeit recht energieaufwändig. Der Energieeinsatz liegt bei 12,9–17,7 kWh pro produziertem Kilogramm Roh-Aluminium.^[18][19]

Bei der Elektrolyse entsteht an der den Boden des Gefäßes bildenden Kathode Aluminium und an der Anode Sauerstoff, der mit dem Graphit (Kohlenstoff) der Anode zu Kohlendioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert.

Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen wegen des im Prozess entstehenden Sauerstoffs langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphit-Kathode (Gefäßboden) ist gegenüber dem Aluminium inert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.

Die Aluminiumherstellung ist nur in der Nähe preiswert zur Verfügung stehender Elektroenergie wirtschaftlich.

Bauxit-Produktion in Tausend Tonnen (2008)^[20]

Land	Förderung	Reserven	Vorratsbasis
Australien Australien	63.000	5.800.000	7.900.000
China Volksrepublik China	32.000	700.000	2.300.000
Indien Indien	20.000	770.000	1.400.000
Guinea Guinea	18.000	7.400.000	8.600.000
Jamaika Jamaika	15.000	2.000.000	2.500.000

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Aluminium ist ein relativ weiches und zähes Metall, die Zugfestigkeit von purem Aluminium liegt bei 49 MPa, die von seinen Legierungen bei 300 bis 700 MPa. Sein Elastizitätsmodul liegt je nach Legierung bei etwa 70.000 MPa. Es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünnen Folien verarbeitet werden. Sogenannte Aluminium-Knetlegierungen lassen sich auch bei niedrigen Temperaturen gut umformen, biegen, pressen und schmieden. Durch Kaltumformen entstandene Spannungen können durch Weichglühen (bis 250 °C) beseitigt werden. Auch Duraluminium ist bei dieser Temperatur verformbar.

Legierungen mit einem Anteil bis zu 3 % Magnesium oder Silicium lassen sich gut gießen (Aluminium-Druckguss) und spanabhebend bearbeiten.

Bei einer Sprungtemperatur von 1,2 K wird reines Aluminium supraleitend.

Der Schmelzpunkt liegt bei 660,4 °C und der Siedepunkt bei 2470 °C. Die Dichte von 2,7 g/cm³ bei Aluminium zeigt den Typus als Leichtmetall deutlich.

Chemische Eigenschaften

Geätzte Oberfläche eines hochreinen (99,9998 %) Aluminium-Barrens, Größe 55×37 mm

Hochreines Aluminium (99,99 %), makrogeätzt

Alubarren aus dem Werk in Gampel im Kanton Wallis

Das reine Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Diese passivierende Oxidschicht macht reines Aluminium bei pH-Werten von 4 bis 9 sehr korrosionsbeständig, sie erreicht eine Dicke von etwa 0,05 µm.^[21]

Diese Oxidschicht schützt auch vor weiterer Oxidation, ist aber bei der elektrischen Kontaktierung und beim Schweißen hinderlich. Sie kann durch elektrische Oxidation (Eloxieren) oder auf chemischem Weg verstärkt werden.

Die Oxidschicht kann mittels Komplexbildungsreaktionen aufgelöst werden. Einen außerordentlich stabilen und wasserlöslichen Neutralkomplex geht Aluminium in neutraler chloridischer Lösung ein. Folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht den Vorgang:

$ \mathrm {Al_{2}O_{3}(s)+2\ Cl^{-}(aq)+3\ H_{2}O(l)\longrightarrow 2\ [Al(OH)_{2}Cl](aq)+2\ OH^{-}(aq)} $

Dies geschieht vorzugsweise an Stellen, wo die Oxidschicht des Aluminiums bereits geschädigt ist. Es kommt dort durch Bildung von Löchern zur Lochfraßkorrosion. Kann die chloridische Lösung dann an die freie Metalloberfläche treten, so laufen andere Reaktionen ab. Aluminium-Atome können unter Komplexierung oxidiert werden:

$ \mathrm {Al(s)+4\ H_{2}O(l)+Cl^{-}(aq)\longrightarrow [Al(OH)_{2}Cl](aq)+3\ e^{-}+2\ H_{3}O^{+}(aq)} $

Liegen in der Lösung Ionen edlerer Metalle vor, so werden sie reduziert und am Aluminium abgeschieden. Auf diesem Prinzip beruht die Reduktion von Silberionen, die auf der Oberfläche von angelaufenem Silber als Silbersulfid vorliegen, hin zu Silber.

Aluminium reagiert heftig mit wässriger Natriumhydroxidlösung unter Bildung von Wasserstoff. Diese Reaktion wird in chemischen Rohrreinigungsmitteln ausgenutzt.

Die Reaktion von Al mit NaOH läuft folgendermaßen ab:

1. Schritt: Reaktion mit Wasser

$ \mathrm {2\ Al+6\ H_{2}O\ \longrightarrow \ 2\ Al(OH)_{3}+3\ H_{2}} $

Hier schließt sich im Normalfall die Trocknung der Oberfläche an, die eine Umwandlung des Hydroxids zum Oxid zur Folge hat:

$ \mathrm {2\ Al(OH)_{3}\ \longrightarrow \ Al_{2}O_{3}+3\ H_{2}O} $

Dies passiert jedoch nicht bei der Reaktion von Aluminium in wässriger Natronlauge.

2. Schritt: Komplexierung des Hydroxids zu Natriumaluminat

$ \mathrm {Al(OH)_{3}+Na^{+}+OH^{-}\ \longrightarrow \ Na^{+}+Al(OH)_{4}^{-}} $

durch den zweiten Schritt wird das gallertartige Hydroxid wasserlöslich und kann von der Metalloberfläche abtransportiert werden. Dadurch ist die Aluminiumoberfläche nicht mehr vor dem weiteren Angriff des Wassers geschützt und Schritt 1 läuft wieder ab.

Mit dieser Methode lassen sich - ebenso wie bei der Reaktion von Aluminium mit Säuren - pro zwei Mol Aluminium drei Mol Wasserstoffgas herstellen.

$ \mathrm {2\ Al+6\ HCl\ \longrightarrow \ 2\ AlCl_{3}+3\ H_{2}} $

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.

$ \mathrm {AlBr_{3}+3\ H_{2}O\longrightarrow Al(OH)_{3}+3\ HBr} $

Mit Quecksilber bildet Aluminium ein Amalgam. Wenn Quecksilber direkt mit Aluminium zusammenkommt (d. h. wenn die Aluminiumoxidschicht an dieser Stelle mechanisch zerstört wird), frisst das Quecksilber Löcher in das Aluminium; unter Wasser wächst dann darüber Aluminiumoxid in Gestalt eines kleinen Blumenkohls. Mit Salzsäure reagiert Aluminium auch sehr heftig unter Wasserstoffentwicklung, von Schwefelsäure wird es langsam aufgelöst. In Salpetersäure wird es passiviert.

Verwendung

In den letzten Jahren kam es zu einem deutlichen Preisanstieg von Aluminium am Weltmarkt (Stand Juli 2010: ca. 2000 Euro pro Tonne bei einer Reinheit von 99,7 %).^[22]

Konstruktionswerkstoff

typisches Druckguss-Teil aus einer Aluminiumlegierung (Teil eines Staubsaugergebläses)

Wegen seiner geringen Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf geringe Masse ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenannten Knautschzone) im Wege. Schon in den 1930er Jahren verwendete ein amerikanisches Unternehmen Aluminium, um ein militärisches Amphibienfahrzeug leichter zu machen.

In Legierungen mit Magnesium, Silicium und anderen Metallen werden Festigkeiten erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminium zur Gewichtsreduzierung überall dort angebracht, wo Materialkosten eine untergeordnete Rolle spielen. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik sind Aluminium und Duraluminium weit verbreitet. Der größte Teil der Struktur heutiger Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungen genietet. Bei den neusten Modellen (Boeing 787, Airbus A350) wird Aluminium größtenteils durch den noch leichteren kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) verdrängt.

Aluminium lässt sich durch Strangpressen in komplizierte Profile formen, hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (Automatisierungstechnik, Messebau), Kühlkörperprofilen oder in der Antennentechnik. Aluminium-Gussteile können durch Druckguss in komplizierten Formen gefertigt werden; die spanende Nachbearbeitung ist gut möglich.

Mit Aluminium werden Heizelemente von Bügeleisen und Kaffeemaschinen umpresst.

Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz als so genanntes Titanzink verarbeitbar zu machen, wurde Aluminiumblech für Fassaden- und Dachelemente (siehe Leichtdach) sowie Dachrinnen eingesetzt.

Elektrotechnik

Aluminium-Umguss am Käfigläufer-Blechpaket (zylindrisches Teil in der Mitte) eines Spaltpolmotors. Die Aluminium-Käfigstäbe verlaufen im Inneren. An den Stirnseiten sind zusätzlich Lüfterflügel mitgegossen. Obere Wicklung und Lagerschalen des Motors sind entfernt.

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter: Aluminium leitet Strom je Gramm Masse besser als Kupfer, ist aber voluminöser als dieses, so dass Kupfer je Quadratzentimeter Leitungsquerschnitt Strom besser leitet als Aluminium. Weil Kupfer reaktionsträger und die Verarbeitung weniger problematisch als bei Aluminium ist, wird meistens Kupfer verwendet und Aluminium nur, wenn es auf das Gewicht ankommt.

Aluminium wird insbesondere dann als Leitermaterial für elektrischen Strom im Stromnetz verwendet, wenn es sich um starre und dicke Leitungen handelt (Stromschienen, Erdkabel). Hier bietet es Kostenvorteile gegenüber Kupfer.

Beim Kontaktieren ist problematisch, dass Aluminium unter dem Druck der Kontaktierung zum Kriechen neigt. Außerdem überzieht es sich an Luft spontan mit einer Oxidschicht. Nach längerer Lagerung oder intensivem Kontakt mit Wasser ist diese isolierende Schicht so dick, dass sie vor der Kontaktierung beseitigt werden muss. Aluminium fand vorübergehend ab ca. 1960 Anwendung als Leitermaterial in Gebäudeinstallationen – aufgrund ungeeigneter Klemmen kam es zu Ausfällen und sogar Bränden aufgrund sich lösender Kontakte. Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher. Als Zwischenlage zwischen Kupfer und Aluminium können Verbindungsstücke aus Cupal die Kontaktprobleme vermeiden.

Vorübergehend gab es für Hausinstallationen so genannte Alcu-Kabel, bei diesen sollte eine Verkupferung der Aluminiumadern zu besserer Kontaktgabe führen – das Kriechen beim hohen Kontaktdruck einer Schraubklemme konnte jedoch auch dadurch nicht beseitigt werden.

Hervorzuheben ist das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz von Legierungsbestandteilen, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine stark absinkende Leitfähigkeit zeigt.

Aluminium wird daher nicht nur zu Stromschienen in Umspannwerken, sondern auch zu stromführenden Gussteilen verarbeitet.

Aluminium wird auch in Überlandleitungen (Freileitungen) als eines von mehreren Leitungsmaterialien verwendet – die geringe Dichte ist hier ausschlaggebend. Kupferleitungen mit der gleichen Leitfähigkeit hätten zwar einen geringeren Querschnitt, jedoch etwa die doppelte Masse. Aus dem gleichen Grund werden im Airbus A380 ebenfalls Aluminiumkabel verwendet.

Für Oberleitungen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet.

Aluminium wird zur Fertigung von Kurzschlussläufern von Asynchronmotoren verwendet, indem deren Blechpakete umgossen werden.

Elektronik

Aluminium als Leitermaterial für Bonddrähte und Metallisierung in einem Bipolartransistor

Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein.

Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) bestehen insbesondere bei Leistungshalbleitern aus Aluminium.

Die Leiterbahnen integrierter Schaltkreise und von Leistungshalbleitern bestehen oft ebenfalls aus Aluminium.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für Wärmeübertrager (Kühler), stranggepresste Kühlprofile und wärmeableitende Grundplatten verwendet (bei höherwertigen Kühlern wird allerdings wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit Kupfer eingesetzt).

Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff.

Aluminium wird zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Verpackung und Behälter

Eine klassische italienische Espressokanne aus Aluminium.

Ein Elektrogrill aus gekanteten Alu-Blechen

In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu Aluminiumfolie verarbeitet. Dabei macht man sich die Eigenschaft der absoluten Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Licht und anderen Umwelteinflüssen bei gleichzeitig relativ geringem Gewicht zunutze, um Lebensmittel zu schützen. Dünne Folien werden in Stärken von 6 Mikrometer hergestellt und dann zumeist in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise in Tetra Paks. Kunststofffolien können durch Bedampfen mit Aluminium mit einer dünnen Schicht versehen werden, welche dann eine hohe (aber nicht vollständige) Barrierefunktion aufweist.

Aus Aluminium werden auch Kochtöpfe und andere Küchengeräte, wie die klassische italienische Espressokanne, sowie Reise- und Militär-Geschirr hergestellt.

Die Aufbewahrung und Zubereitung von säurehaltigen Lebensmitteln in Aluminiumbehältern beziehungsweise -folie ist problematisch, da es dabei lösliche Aluminiumsalze bildet, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Aluminiumschichten in Verpackungsmitteln werden daher häufig durch eine Kunststoffschicht geschützt.

Aluminium wird für eine Vielzahl von Behältern und Gehäusen verarbeitet, da es sich gut durch Umformen bearbeiten lässt. Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht vor Oxidation und Abrieb geschützt.

Optik und Lichttechnik

Reflexionsgrad von Aluminium (blau, Al) im Vergleich zu Gold (rot, Au) und Silber (grau, Ag)

Aluminium wird aufgrund seines hohen Reflexionsgrades als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln, unter anderem in Scannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und Spiegelreflexkameras eingesetzt. Es reflektiert im Gegensatz zu Silber auch Ultraviolettstrahlung. Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.

Weitere Anwendungen

Farbig eloxiert ist es Bestandteil vieler Dekorationsmaterialien wie Flitter, Geschenkbänder und Lametta. In Pulverform (Partikelgröße < 500 µm) ist Aluminium vor allem dann, wenn es nicht phlegmatisiert ist, aufgrund seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. Aluminium reagiert dann mit Wasser unter Abgabe von Wasserstoff zu Aluminiumoxid.

Aluminiumpulver und Aluminiumpasten werden auch zur Herstellung von Porenbeton eingesetzt.

Aluminiumpulver wird als Pigment für Farben (Silber- oder Goldbronze) verwendet.

Ebenso ist es für die stark exotherme (bis zu 2500 °C) Thermit-Reaktion beim aluminothermischen Schweißen, mit Hilfe von Eisen(III)-oxid, unerlässlich.

Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub ist sehr gefährlich und entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst. Mischungen aus Aluminiumstaub und Luft sind stark explosiv.

Feinstes, nicht phlegmatisiertes Aluminiumpulver wird auch als Pyroschliff bezeichnet.

In der Raketentechnik besteht der Treibstoff von Feststoffraketen zu maximal 30 % aus Aluminiumpulver, das bei seiner Verbrennung viel Energie freisetzt.^[23]

Aluminium ist der gebräuchlichste Brennstoff in Feuerwerken (s. a. Pyrotechnik), wo es je nach Körnung und Mischung für farbige Effekte sorgt.

Zur Beschichtung von Oberflächen wird es beim Aluminieren verwendet.

Aluminiumchlorid findet aufgrund seiner stark adstringierenden Wirkung Verwendung als Antitranspirant, wobei die dermale Aufnahme vernachlässigbar gering ist.

Aluminiumhydroxid ist Bestandteil einiger Antacida. Die Resorptionsquote aus diesen Präparaten liegt bei ungefähr 1 %.

Aluminiumsalze – vorwiegend Alaune – werden bei der „Weißgerbung“ von Fellen verwendet.^[24]

Verarbeitungsverfahren

Aluminium wird meist legiert verwendet. Es gibt eine Vielzahl von Legierungen, die entweder gute Verformbarkeit oder gute Gießbarkeit und spanende Bearbeitbarkeit zeigen.

Aluminium wird durch Gießen beziehungsweise Umformen in Aluminiumgießereien nach folgenden Gießverfahren verarbeitet:

• Sandguss
• Strangguss
• Druckguss bzw. Aluminiumdruckguss
• Feinguss
• Kokillenguss (gegebenenfalls mit Sandkern)
• Bandguss
• Sprühkompaktieren

Hierbei werden Verfahren unterschieden, 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 etwa Walzbarren, Blech oder Zylindern durch Umformen:

• Strangpressen
• Walzen
• Schmieden
• Floatforming (Fließpressen)
• Tiefziehen
• Rollen
• Cobapress

Die spanende Bearbeitung birgt die Gefahr einer Aufbauschneide und erfordert spezielle Kühlschmiermittel. Aluminium kann daher auch nur mit speziellen Schleifscheiben geschliffen werden.

Insbesondere die Bearbeitung von eloxierten Werkstücken erfordert harte Werkzeuge, um Verschleiß durch die harte Eloxalschicht zu vermeiden.

Aluminium in Natur und Organismen

Aluminium ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, die anscheinend von Lebewesen nicht genutzt werden.

Aluminium im menschlichen Körper

Obwohl Aluminium das häufigste Metall der Erdkruste ist, gibt es in Säugetieren keine aluminiumabhängigen Reaktionen, es ist also nicht essentiell.

Im menschlichen Körper befinden sich durchschnittlich etwa 35 bis 50 Milligramm Aluminium.^[25] Diese verteilen sich zu ungefähr 50 % auf das Lungengewebe, zu 25 % auf die Weichteile und zu weiteren 25 % auf die Knochen. Aluminium ist damit als Spurenelement ein natürlicher Bestandteil unseres Körpers. Jedoch kommt ihm nach heutiger Kenntnis keine biologische Bedeutung zu.

Gesunde Menschen scheiden Aluminium nach Einnahme relativ hoher Dosen (1 bis 4 Gramm pro Tag) problemlos über die Niere aus. Aufgrund dieser Toxikokinetik ist es verständlich, dass Aluminiumvergiftungen nur bei eingeschränkter Nierenfunktion auftreten. Die drei wichtigsten toxischen Wirkungen sind Anämie (weil es dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt), Osteopathie (Arthritis) und Enzephalopathie (Gedächtnis- und Sprachstörungen, Antriebslosigkeit und Aggressivität).

Laut einer Studie des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) besteht im allgemeinen Fall aufgrund der vergleichsweise geringen Menge kein Alzheimer-Risiko durch Aluminium aus Bedarfsgegenständen; jedoch sollten vorsorglich keine sauren Speisen in Kontakt mit Aluminiumtöpfen oder -folie aufbewahrt werden.^[26]

Einige Prozent der Bevölkerung reagieren auf Aluminium allergisch – sie erleiden Ausschläge in jeder möglichen Form durch Verwenden von Antitranspirationsprodukten, Verdauungsstörungen und Unfähigkeit Nährstoffe aus der Nahrung aufzunehmen, die in Aluminiumtöpfen gekocht wurden, oder Erbrechen und andere Vergiftungserscheinungen durch Einnehmen aluminiumhaltiger Medikamente.

Aluminiumhaltige Erde essende schwangere Frauen bei Naturvölkern laufen Gefahr, damit Gehirnschädigungen bei den ungeborenen Kinder zu bewirken^[27].

Pflanzen

Aluminium in Form verschiedener Salze (Phosphate, Silikate) ist Bestandteil vieler Pflanzen und Früchte, denn gelöste Al-Verbindungen werden durch Regen aus den Böden von den Pflanzen aufgenommen, bei Säurebelastung der Böden ist dies vermehrt der Fall.

Ein großer Teil des Bodens auf der Welt ist chemisch sauer. Liegt der pH-Wert unter 5,0, werden Al³⁺-Ionen von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen. Dies ist bei der Hälfte des bebaubaren Lands auf der Welt der Fall. Die Ionen schädigen insbesondere das Wurzelwachstum an den Spitzen der Wurzeln. Die Pflanze, wenn sie nicht Aluminium-tolerant ist, steht dann unter Stress. Zahlreiche Enzyme und signalübertragenden Proteine sind betroffen; die Folgen der Vergiftung sind noch nicht vollständig bekannt. In sauren metallhaltigen Böden ist Al³⁺ das Ion mit dem größten Potenzial zur Schädigung. Von der Modellpflanze Arabidopsis sind Transgene bekannt, die deren Aluminium-Toleranz heraufsetzen und auch bei Kulturpflanzen sind tolerante Sorten bekannt.^{[28][29][30][31]}

In Lebensmitteln

Die meisten Lebensmittel enthalten als Spurenelemente auch Aluminium.^[32] Gemüse enthält gewöhnlich 100 bis 400 mg/kg Aluminium, so kommt es je nach Ernährungsgewohnheiten zu einer täglichen Aufnahme von 2 bis 160 Milligramm. Beim Kochen oder Aufbewahren in Aluminiumgeschirr oder in Alufolie kann es (außer bei sauren Lebensmitteln) nur zu einer mittleren Zunahme von 5 bis 30 mg/kg kommen, was als unbedenklich eingestuft wird (Stand 2010).

Aluminiumsilikat ist Bestandteil der Lebensmittelfarbe E 173, findet in feinen Backwaren Verwendung und ist in Backpulver, Schmelzkäse, sowie sauer eingelegten Gemüsekonserven enthalten und gegen Verklumpen in Kaffeeweißern, Speisesalz und Gewürzen.^[33]

Aluminiumhaltige Effekt-Pigmente werden als Nagellack, bei Überzügen von Zuckerwaren und zur Dekoration von Kuchen verwendet.

Bei der Untersuchung von Laugengebäck (Brezeln, Stangen, Brötchen) aus Bäckereien wurde Aluminium nachgewiesen, das in das Lebensmittel gelangt, wenn bei der Herstellung von Laugengebäck Aluminiumbleche verwendet werden.^[34]

Aspekte des Umweltschutzes

Aluminiumschaum

Recycling-Code für Aluminium

Die Herstellung von Aluminium ist sehr energieaufwendig. Allein für die Elektrolyse, die zur Gewinnung eines Kilogrammes Aluminium nötig ist, werden 12,9–17,7 kWh elektrische Energie benötigt.^[19] Anschaulich formuliert benötigt die Elektrolyse eines Kilogramms Roh-Aluminium für eine Autofelge so viel Energie wie der Betrieb eines 24-Zoll-LCD-Flachbildschirms (ca. 50 Watt) in einem Monat, wenn er täglich acht Stunden leuchtet. Bei der Stromerzeugung für die Produktion von einem Kilogramm Aluminium werden im deutschen Kraftwerkspark 8,4 kg CO₂ freigesetzt, im weltweiten Durchschnitt etwa 10 kg. Es ist aber auch zu bedenken, dass aufgrund des Kostenfaktors Energie die Elektrolyse verstärkt an Orten erfolgt, an denen auf billige, CO₂-arme Wasserkraft zurückgegriffen werden kann, wie etwa in Brasilien, Kanada, Venezuela oder Island.^[35] Diese Werte für Roh-Aluminium erhöhen sich noch durch Transport- und Verarbeitungsanteile für das Wiederaufschmelzen, Gießen, Schleifen, Bohren, Polieren etc., bis ein Konsumgut aus Aluminium entsteht. Durch den Abbau des Erzes Bauxit werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einer Rekultivierung wieder nutzbar werden. Bei der Herstellung des Aluminiumoxids nach dem Bayer-Verfahren entsteht pro Kilogramm Aluminium ungefähr 1,5 Kilogramm eisenreicher alkalischer Rotschlamm.

Positiv ist hingegen die gute Wiederverwendbarkeit von Aluminium hervorzuheben, wobei die Reststoffe streng getrennt erfasst und gereinigt werden müssen (Aluminiumrecycling, Recycling-Code-4 (ALU)). Durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) wird Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Einsparung von Treibstoff führt.

Aluminium ist durch seine Selbstpassivierung korrosionsbeständiger als Eisen und erfordert daher weniger Korrosionsschutzmaßnahmen.

Nachweis

Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnter Kobaltnitratlösung auf der Magnesia-Rinne nach. Dabei entsteht das Pigment Thénards Blau (auch 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 Cobalt(II)-nitrat (Co(NO₃)₂) entdeckt.

Nachweis mittels Kryolithprobe

Die Probelösung wird alkalisch gemacht, um Aluminium als Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ zu fällen. Der Niederschlag wird abfiltriert und mit einigen Tropfen Phenolphthalein versetzt, dann gewaschen, bis keine Rotfärbung durch Phenolphthalein mehr vorhanden ist. Anschließend festes Natriumfluorid (NaF) auf den Niederschlag streuen: Es bildet sich eine Rotfärbung durch Phenolphthalein, verursacht von freigesetzten Hydroxidionen bei der Bildung von Kryolith Na₃[AlF₆].

Nachweis als fluoreszierender Morinfarblack

Strukturformel der Al(III) Morin Reaktion

Die Probe wird mit Salzsäure (HCl) versetzt und eventuell vorhandenes Aluminium somit gelöst. Anschließend wird die Probelösung mit Kaliumhydroxid (KOH) stark alkalisch gemacht. Gibt man nun einige Tropfen der Probelösung zusammen mit der gleichen Menge Morin-Lösung auf eine Tüpfelplatte und säuert anschließend mit konzentrierter Essigsäure (Eisessig, CH₃COOH) an, so ist unter UV-Strahlung (λ = 366 nm) eine grüne Fluoreszenz beobachtbar. Der Nachweis ist dann sicher, wenn diese Fluoreszenz bei Zugabe von Salzsäure wieder verschwindet.

Grund hierfür ist, dass Al(III) in neutralen sowie essigsauren Lösungen in Verbindung mit Morin eine fluoreszierende kolloidale Suspension bildet.

Aluminiumlegierungen

Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Mangan, Silicium, Eisen, Titan, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Zirconium 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 Oxidschicht (Passivierung) stark gestört, wodurch die daraus gefertigten Bauteile teils hochgradig korrosionsgefährdet sind. Nahezu alle hochfesten Aluminiumlegierungen sind von dem Problem betroffen.

Es gibt Aluminiumknetlegierungen (AW, englisch wrought), zum Beispiel AlMgMn, und Aluminiumgusslegierungen (AC, englisch cast). Aluminiumgusslegierungen werden zum Beispiel für Leichtmetallfelgen verwendet.

Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen nach dem System der AA (Aluminum Association) bezeichnet:

• 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
  • „Aushärtbare“ Knetlegierungen – Festigkeitssteigerung durch Ausscheidung von Legierungselementen bei einer zusätzlichen Alterungsglühung bei 150 bis 190 °C. Typische „aushärtbare“ Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu. Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung AlCuMg bekam 1907 den Markennamen Duraluminium.

Verbindungen

• Aluminiumoxid Al₂O₃ (englisch alumina), auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor. Es ist das Endprodukt des Bayer-Verfahrens und dient in erster Linie als Ausgangsmaterial für die Aluminiumgewinnung (Schmelzflusselektrolyse). Es wird darüber hinaus als Schleif- oder Poliermittel und für Uhrensteine, Ziehsteine und Düsen verwendet. In keramischer Form dient es als Isolierstoff, Konstruktionskeramik, als Substratmaterial für Dickschichtschaltkreise, als Grundplatte von Leistungshalbleitern und in transparenter Form als Entladungsgefäß von Natriumdampf-Hochdrucklampen.
• Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ wird ebenfalls nach dem Bayer-Verfahren gewonnen und ist das wichtigste Ausgangsmaterial zur Erzeugung anderer Al-Verbindungen, vor allem für Aluminate. Als reines Produkt wird es als Füllstoff und zum Brandschutz in Kunststoffen und Beschichtungen eingesetzt.
• Aluminiumchlorid, Polyaluminiumchlorid und Aluminiumsulfat werden vor allem als Flockungsmittel in der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und der Papierindustrie eingesetzt.
• Natriumaluminat NaAl(OH)₄ wird ebenfalls als Flockungsmittel verwendet und ist weiterhin Rohstoff für die Zeolith-Produktion, Titandioxid-Beschichtung und Calciumaluminatsulfat-Herstellung.
• Zeolithe (Alumosilikate) als Ionenaustauscher, in Lebensmitteln und in Waschmitteln zur Wasserenthärtung.
• Alaune (Kaliumaluminiumsulfat, KAl(SO₄)₂·12H₂O). Wegen seiner adstringierenden Wirkung als Rasierstift eingesetzt zum Stillen von kleinen Blutungen.
• Aluminiumdiacetat, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
• Aluminiumorganische Verbindungen wie etwa Triethylaluminium 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) von Aluminiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliciumdioxid einsetzt.
• Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet (siehe auch Thermitverfahren).
• Aluminiumoxynitrid ist ein transparenter keramischer Werkstoff.
• Aluminiumnitrid ist ein Konstruktions- und Isolationswerkstoff und zeichnet sich durch sehr hohe Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur aus. Außerdem könnte die hohe Bandlücke die Anwendung als Wide-bandgap-Halbleiter ermöglichen.
• Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH₄) ist ein starkes Reduktionsmittel, welches weitverbreitet bei der Synthese organischer Verbindungen ist.
• Phosphate: Aluminiumphosphate sind Aluminiumsalze der Phosphorsäure. Aufgrund der Eigenschaft der Phosphorsäure beziehungsweise des Phosphat-Anions (PO₄^3-), unter bestimmten Bedingungen Wasser abzuspalten und in Folge dessen zu polymerisieren, sind verschiedene Aluminiumphosphate bekannt:
  • Aluminiumorthophosphat (AlPO₄)
  • Aluminiummetaphosphat (Al(PO₃)₃)
  • Monoaluminiumphosphat (Al(H₂PO₄)₃)
  • Aluminiumpolyphosphat

In der Natur treten Aluminiumphosphate meist in Form von Doppelsalzen auf. Beispiele hierfür sind etwa der Wavellit (Al₃(PO₄)₂(F, OH)₃ · 5H₂O) oder der Türkis, ein Mischphosphat aus Kupfer und Aluminium/Eisen: Cu(Al,Fe)₆(PO₄)₄(OH)₈ · 4 H₂O.

• Aluminiumsulfid

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

Siehe auch

• Liste der größten Aluminiumproduzenten
• Aluminiumfolie

Literatur

• Luitgard Marschall: Aluminium. Metall der Moderne. Oekom, München 2008, ISBN 978-3-86581-090-8.

Weblinks

Wiktionary: Aluminium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Aluminium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Aluminium – Lern- und Lehrmaterialien

Wikibooks: Wikijunior Die Elemente/ Elemente/ Aluminium – Lern- und Lehrmaterialien

• MATERIAL ARCHIV: Aluminium – Umfangreiche Materialinformationen und Bilder
• Newsseite des Gesamtverbands der Aluminiumindustrie
• aluMATTER – ein interaktives E-Learning-Tool über Aluminium Werkstoffkunde, Fertigung und Anwendungen, in vier Sprachen umschaltbar – daher auch gut geeignet als Fachwortlexikon
• Preis-Entwicklung des Rohstoffs Aluminium seit 1992
• Elektrochemische Experimente mit Aluminium

Einzelnachweise

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