Das Element Aluminium – Aluminiumatom

Aluminium (oder Aluminium im nordamerikanischen Englisch) ist ein chemisches Element im Periodensystem mit dem Symbol Al und der Ordnungszahl 13. Es ist ein silbriges und duktiles Mitglied der Gruppe der armen Metalle und kommt hauptsächlich in Form des Erzes Bauxit vor. Es zeichnet sich durch seine Oxidationsbeständigkeit (Aluminium ist eigentlich fast immer schon oxidiert, kann aber im Gegensatz zu den meisten Metallen in dieser Form verwendet werden), seine Festigkeit und sein geringes Gewicht aus. Aluminium wird in vielen Branchen zur Herstellung von Millionen verschiedener Produkte verwendet und ist für die Weltwirtschaft von großer Bedeutung. Strukturelle Komponenten aus Aluminium sind in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in anderen Bereichen des Transport- und Bauwesens, in denen geringes Gewicht, Haltbarkeit und Festigkeit erforderlich sind, von großer Bedeutung.

Magnesium – Aluminium – Silizium B Al Ga
Allgemein
Name, Symbol, Nummer	Aluminium, Al, 13
Chemische Reihe	Arme Metalle
Gruppe, Periode, Block	13 (IIIA), 3, p
Dichte, Härte	2700 kg/m3, 2.75
Aussehen	silbrig
Atomische Eigenschaften
Atomisches Gewicht	26.981538 amu
Atomradius (kalk.)	125 pm (118 pm)
Kovalenter Radius	118 pm
van der Waals-Radius	keine Angaben
Elektronenkonfiguration	3s2 3p1
e- pro Energieniveau	2, 8, 3
Oxidationsstufen (Oxid)	3 (amphoter)
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Physikalische Eigenschaften
Zustand der Materie	fest
Schmelzpunkt	933.47 K (1220.58 °F)
Siedepunkt	2792 K (4566 °F)
Molares Volumen	10.00 ×10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	293.4 kJ/mol
Schmelzwärme	10,79 kJ/mol
Dampfdruck	2.42 E-06 Pa bei __ K
Schallgeschwindigkeit	5100 m/s bei 933 K
Sonstiges
Elektronegativität	1.61 (Pauling-Skala)
Spezifische Wärmekapazität	900 J/(kg*K)
Elektrische Leitfähigkeit	37.7 106/m ohm
Wärmeleitfähigkeit	237 W/(m*K)
1. Ionisierungspotential	577.5 kJ/mol
2. Ionisierungspotential	1816.7 kJ/mol
3. Ionisierungspotential	2744.8 kJ/mol
4. Ionisierungspotential	11577 kJ/mol
5. Ionisierungspotential	14842 kJ/mol
6. Ionisierungspotential	18379 kJ/mol
7. Ionisierungspotential	23326 kJ/mol
8. Ionisierungspotential	27465 kJ/mol
9. Ionisierungspotential	31853 kJ/mol
10. Ionisierungspotential	38473 kJ/mol
SI-Einheiten & STP werden verwendet, außer wenn angegeben.

Besondere Eigenschaften

Aluminium ist ein weiches und leichtes, aber festes Metall mit einem matten silbergrauen Aussehen, das auf eine dünne Oxidationsschicht zurückzuführen ist, die sich schnell bildet, wenn es der Luft ausgesetzt wird, und die weitere Korrosion verhindert. Aluminium wiegt etwa ein Drittel so viel wie Stahl oder Kupfer; es ist formbar, dehnbar und lässt sich leicht bearbeiten und gießen und weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit auf. Es ist außerdem unmagnetisch und funkenfrei und ist das am zweithäufigsten verformbare und das am sechsthäufigsten dehnbare Metall.

2 Anwendungen

Gemessen an der Menge oder dem Wert übersteigt die Verwendung von Aluminium die aller anderen Metalle außer Eisen, und es ist in praktisch allen Bereichen der Weltwirtschaft von Bedeutung. Reines Aluminium ist weich und schwach, aber es kann sich mit geringen Mengen an Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium und anderen Elementen zu Legierungen mit einer Vielzahl nützlicher Eigenschaften verbinden.

Diese Legierungen sind wichtige Bestandteile von Flugzeugen und Raketen. Wenn Aluminium im Vakuum aufgedampft wird, bildet es eine Beschichtung, die sowohl sichtbares Licht als auch Strahlungswärme reflektiert. Diese Beschichtungen bilden eine dünne Schicht aus schützendem Aluminiumoxid, die sich nicht wie Silberbeschichtungen zersetzt. Eine weitere Verwendung dieses Metalls ist die Beschichtung von Teleskopspiegeln.

Einige der vielen Verwendungszwecke von Aluminium sind in

Sein Oxid, Aluminiumoxid, kommt in der Natur als Korund, Schmirgel, Rubin und Saphir vor und wird in der Glasherstellung verwendet. Synthetischer Rubin und Saphir werden in Lasern für die Erzeugung von kohärentem Licht verwendet. Aluminium oxidiert sehr stark und findet daher Verwendung in festen Raketentreibstoffen und Thermit.

3 Geschichte

Die älteste vermutete (wenn auch nicht beweisbare) Erwähnung von Aluminium findet sich in der Naturalis Historia von Plinius dem Älteren:

Einst durfte ein Goldschmied in Rom dem Kaiser Tiberius einen Speiseteller aus einem neuen Metall zeigen. Der Teller war sehr leicht und fast so glänzend wie Silber. Der Goldschmied erzählte dem Kaiser, dass er das Metall aus einfachem Ton hergestellt hatte. Er versicherte dem Kaiser auch, dass nur er selbst und die Götter wüssten, wie man dieses Metall aus Ton herstellen könne. Der Kaiser war sehr interessiert, und als Finanzexperte war er auch ein wenig besorgt. Der Kaiser spürte jedoch sofort, dass alle seine Gold- und Silberschätze an Wert verlieren würden, wenn die Menschen begännen, dieses glänzende Metall aus Lehm herzustellen. Anstatt dem Goldschmied die erwartete Wertschätzung entgegenzubringen, befahl er daher, ihn zu enthaupten.

Die alten Griechen und Römer verwendeten Salze dieses Metalls als färbende Beizen und als Adstringens zum Verbinden von Wunden, und Alaun wird immer noch als Alaunstift verwendet. 1761 schlug Guyton de Morveau vor, die Basis Alaun als Alaun zu bezeichnen. Im Jahr 1808 stellte Humphry Davy fest, dass es eine Metallbasis aus Alaun gibt, die er benannte (siehe Rechtschreibung unten für weitere Informationen zum Namen).

Friedrich Wöhler wird allgemein die Isolierung von Aluminium (lat. alumen, Alaun) im Jahr 1827 zugeschrieben. Dieses Metall wurde jedoch zwei Jahre zuvor von dem dänischen Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted erstmals in unreiner Form hergestellt.

Charles Martin Hall erhielt 1886 das Patent (400655) auf ein elektrolytisches Verfahren zur Aluminiumgewinnung. Henri Sainte-Claire Deville (Frankreich) verbesserte Wohler’s Methode (1846) und stellte diese 1859 in einem Buch vor, wobei er zwei Verbesserungen des Verfahrens vornahm, nämlich den Ersatz von Kalium durch Natrium und die Verdoppelung des Chlors anstelle von einfachem Chlor. Die Erfindung des Hall-Héroult-Verfahrens im Jahr 1886 machte die Gewinnung von Aluminium aus Mineralien kostengünstig, so dass es heute in der ganzen Welt gebräuchlich ist.

4 Vorkommen und Ressourcen

Obwohl Al in der Erdkruste reichlich vorkommt (8,1 %), ist es in freier Form sehr selten und galt einst als Edelmetall, das wertvoller als Gold war (es wird erzählt, dass Napoleon einen Satz Aluminiumteller für seine besten Gäste reservieren ließ. Andere mussten sich mit goldenen Tellern begnügen). Es ist also ein relativ neues Industriemetall und wird erst seit etwas mehr als 100 Jahren in kommerziellen Mengen hergestellt.

Aluminium war bei seiner ersten Entdeckung nur sehr schwer von den Gesteinen zu trennen, in denen es enthalten war. Da das gesamte Aluminium der Erde in Form von Verbindungen gebunden war, war es das am schwierigsten zu gewinnende Metall der Erde, obwohl es eines der häufigsten Metalle der Erde ist.

Die Rückgewinnung dieses Metalls aus Schrott (durch Recycling) ist zu einem wichtigen Bestandteil der Aluminiumindustrie geworden. Beim Recycling wird das Metall einfach eingeschmolzen, was weitaus billiger ist als die Gewinnung aus Erz. Außerdem erfordert die Herstellung von Aluminium enorme Mengen an Strom. Für das Recycling werden 95 % weniger benötigt. Das Recycling von Aluminium ist nicht neu, sondern seit Anfang 1900 gängige Praxis. Bis in die späten 1960er Jahre, als das Recycling von Aluminium-Getränkedosen das Recycling endgültig ins öffentliche Bewusstsein rückte, war es jedoch eine unauffällige Tätigkeit. Zu den Quellen für recyceltes Aluminium gehören Autos, Fenster und Türen, Geräte, Behälter und andere Produkte.

Aluminium ist ein reaktives Metall und kann nicht durch Reduktion mit Kohlenstoff aus seinem Erz, Bauxit (Al2O3), gewonnen werden. Stattdessen wird es durch Elektrolyse gewonnen – das Metall wird in Lösung oxidiert und dann wieder zum reinen Metall reduziert. Dazu muss das Erz in flüssigem Zustand sein. Bauxit hat jedoch einen Schmelzpunkt von 2000 °C, eine zu hohe Temperatur, um sie wirtschaftlich zu erreichen. Stattdessen wurde das Bauxit viele Jahre lang in geschmolzenem Kryolith aufgelöst, was den Schmelzpunkt auf etwa 900 °C senkt. Inzwischen ist Kryolith jedoch durch ein künstliches Gemisch aus Aluminium-, Natrium- und Kalziumfluoriden ersetzt worden. Dieses Verfahren ist immer noch sehr energieaufwendig, und die Aluminiumwerke haben in der Regel eigene Kraftwerke in der Nähe.

Die Elektroden, die bei der Elektrolyse von Bauxit verwendet werden, bestehen beide aus Kohlenstoff. Sobald sich das Erz im geschmolzenen Zustand befindet, können sich seine Ionen frei bewegen. Die Reaktion an der negativen Kathode ist

Al3+ + 3e- ! Al

Hier wird das Aluminiumion reduziert (Elektronen werden hinzugefügt). Das Aluminiummetall sinkt dann zu Boden und wird abgezapft.

Die positive Anode oxidiert den Sauerstoff des Bauxits, der dann mit der Kohlenstoffelektrode zu Kohlendioxid reagiert:

2O2- ! O2 + 2e- O2 + C ! CO2

Diese Kathode muss häufig ausgetauscht werden, da sie Teil der Reaktion ist. Trotz der hohen Kosten der Elektrolyse ist Aluminium ein sehr weit verbreitetes Metall. Aluminium kann jetzt auch aus Ton gewonnen werden, aber dieses Verfahren ist nicht wirtschaftlich.

Elektrischer Strom macht etwa ein Drittel der Kosten der Aluminiumraffination aus. Aus diesem Grund werden Raffinerien in der Regel dort angesiedelt, wo Strom reichlich vorhanden und günstig ist, wie im Nordwesten der Vereinigten Staaten und in Quebec in Kanada.

China ist derzeit (2004) der weltweit größte Aluminiumproduzent.

5 Isotope

Aluminium hat neun Isotope, deren Massenzahlen von 23 bis 30 reichen. Nur Al-27 (stabiles Isotop) und Al-26 (radioaktives Isotop, t1/2 = 7,2 × 105 y) kommen natürlich vor. Al-26 wird aus Argon in der Atmosphäre durch Spallation mit Protonen der kosmischen Strahlung erzeugt. Aluminiumisotope haben praktische Anwendung bei der Datierung von Meeressedimenten, Manganknollen, Gletschereis, Quarz in Gesteinsaufschlüssen und Meteoriten gefunden. Das Verhältnis von Al-26 zu Beryllium-10 wurde verwendet, um die Rolle des Transports, der Ablagerung, der Lagerung von Sedimenten, der Vergrabungszeiten und der Erosion auf einer Zeitskala von 105 bis 106 Jahren zu untersuchen.

Kosmogenes Al-26 wurde erstmals bei Untersuchungen des Mondes und von Meteoriten verwendet. Meteoritenfragmente sind nach dem Verlassen ihres Mutterkörpers auf ihrer Reise durch den Weltraum einem intensiven Bombardement durch kosmische Strahlung ausgesetzt, was zu einer erheblichen Al-26-Produktion führt. Nach dem Fall auf die Erde schützt die atmosphärische Abschirmung die Meteoritenfragmente vor einer weiteren Al-26-Produktion, und ihr Zerfall kann dann zur Bestimmung des irdischen Alters des Meteoriten verwendet werden. Die Meteoritenforschung hat auch gezeigt, dass Al-26 zur Zeit der Entstehung unseres Planetensystems relativ reichlich vorhanden war. Möglicherweise war die durch den Zerfall von Al-26 freigesetzte Energie für das Umschmelzen und die Differenzierung einiger Asteroiden nach deren Entstehung vor 4.6 Milliarden Jahren

6 Vorsichtsmaßnahmen

Aluminium ist eines der wenigen häufig vorkommenden Elemente, die in lebenden Zellen keine nützliche Funktion zu haben scheinen, aber ein paar Prozent der Menschen reagieren allergisch darauf – sie bekommen Kontaktdermatitis von jeder Form von Aluminium: Ein juckender Ausschlag bei der Verwendung von Styptika oder Antitranspirantien, Verdauungsstörungen und Unfähigkeit zur Nährstoffaufnahme beim Verzehr von in Aluminiumpfannen gekochten Speisen sowie Erbrechen und andere Vergiftungserscheinungen bei der Einnahme von Produkten wie Kaopectate® (Mittel gegen Durchfall), Amphojel® und Maalox® (Antazida). Bei anderen Personen gilt Aluminium nicht als so giftig wie Schwermetalle, aber es gibt Hinweise auf eine gewisse Toxizität, wenn es in übermäßigen Mengen konsumiert wird, obwohl die Verwendung von Aluminiumkochgeschirr, das wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und guten Wärmeleitung beliebt ist, nachweislich nicht zu einer Aluminiumtoxizität im Allgemeinen führt. Der übermässige Konsum von Antazida, die Aluminiumverbindungen enthalten, und der übermässige Gebrauch von aluminiumhaltigen Antitranspirantien sind wahrscheinlichere Ursachen für die Toxizität. Es wurde vermutet, dass Aluminium mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden könnte, obwohl diese Forschung kürzlich widerlegt wurde.

7 Schreibweise

Die offizielle IUPAC-Schreibweise des Elements ist Aluminium; Amerikaner und Kanadier schreiben und sprechen es jedoch im Allgemeinen als Aluminium aus. Im Jahr 1808 schlug Humphry Davy ursprünglich den Namen Alumium für dieses damals noch unentdeckte Metall vor, entschied sich aber vier Jahre später, den Namen in Aluminium zu ändern. Diese Änderung wurde in Amerika akzeptiert, in Großbritannien jedoch in Frage gestellt, da sie nicht dem Präzedenzfall des Suffixes -ium entsprach, den Kalium, Natrium, Magnesium, Calcium und Strontium (alle von Davy entdeckt) geschaffen hatten. So wurde die Schreibweise Aluminium in Großbritannien am häufigsten verwendet. In den Vereinigten Staaten wurde weiterhin Aluminium verwendet, obwohl die offizielle Bezeichnung im Bereich der Chemie sowohl in den Vereinigten Staaten als auch in Großbritannien weiterhin Aluminium lautete. Im Jahr 1926 beschloss die American Chemical Society, Aluminium offiziell in ihren Veröffentlichungen zu verwenden.

Im Jahr 1990 übernahm die IUPAC Aluminium als internationalen Standardnamen für das Element. Aluminium ist auch die Bezeichnung im Französischen, Niederländischen, Deutschen, Dänischen, Norwegischen und Schwedischen; im Italienischen wird alluminio, im Portugiesischen alumínio und im Spanischen aluminio verwendet. (Die Verwendung dieser Wörter in diesen anderen Sprachen ist einer der Gründe, warum die IUPAC Aluminium dem Aluminium vorzog). Im Jahr 1993 erkannte die IUPAC Aluminium als akzeptable Variante an, bevorzugt aber immer noch die Verwendung von Aluminium.