Aluminium 13Al | ||||||
engl. Aluminium; lat. alumen („Alaun“) | ||||||
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Reines
Aluminium glänzt hell silbrig, es besitzt im sichtbaren
Licht ein durchgängig konstant gutes Reflexionsvermögen, so
dass es sich für Spiegelbeschichtungen hervorragend eignet.
Aluminium ist relativ weich, man kann es mit
einem Messer ritzen. Dies erklärt auch, warum sich
Aluminium maschinell zu dünnen Blechen und Folien walzen
lässt. Das Leichtmetall ist sehr zäh, kompakte Stücke
lassen sich mit Hammer und Meißel kaum trennen.
Aluminium
hat eine relativ niedrige Schmelztemperatur, Folien und dünne
Bleche lassen sich mit der rauschenden Brennerflamme schmelzen. Außerdem besitzt es eine sehr gute elektrische
Leitfähigkeit und auch eine gute Wärmeleitfähigkeit.
Fein verteiltes Aluminium verbrennt an der Luft unter Lichtblitz und starker
Wärmeentwicklung zu Aluminiumoxid Al2O3. Als Nebenprodukt entsteht durch eine Reaktion mit dem Luftstickstoff Aluminiumnitrid AlN.
4 Al + 3 O2 ![]() 2 Al + N2 ![]()
Aluminium ist gegen Luftfeuchtigkeit und Luftsauerstoff viel unempfindlicher als Eisen. Dies beruht auf der dünnen Oxidschicht, die sich bei frisch angeritztem Aluminium innerhalb weniger Sekunden bildet und das darunter liegende Aluminium vor weiterer Korrosion schützt. Aluminium reagiert sehr gerne mit Sauerstoff und eignet sich als Reduktionsmittel zum Beispiel bei der Herstellung von Roheisen aus Eisenerz im Thermitverfahren. Das Aluminiumpulver entzieht dabei dem Metalloxid die Sauerstoff-Atome.
Von Salzen verschiedener
Metalle (Blei, Eisen, Kupfer, Nickel, Natrium, Quecksilber, Zink und Zinn)
wird Aluminium angegriffen. Es löst sich auch sehr leicht in starken
Säuren unter Wasserstoffbildung und Bildung der entsprechenden Salze,
mit Salzsäure erhält man Aluminiumchlorid und Wasserstoff:
2 Al + 6 HCl + 6 H2O ![]() Die dabei entstehenden Salze reagieren infolge ihrer Hydrolyse in wässrigen
Lösungen sauer. Zunächst löst es sich langsam, solange bis
sich die schützende Oxidschicht aufgelöst hat, dann erfolgt eine
raschere Zersetzung. In oxidierend wirkenden Säuren wie (kalte) Salpetersäure wird Aluminium nicht angegriffen, da sich die oxidierte Schutzschicht des
Metalls weiter verstärkt. Mit Natronlauge bildet es unter stürmischer Wasserstoffentwicklung Natriumhydroxoaluminat:
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O ![]()
Alle Aluminiumverbindungen kommen bei Raumtemperatur in der Oxidationsstufe +3 vor, beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumsulfat.
Aluminiumverbindungen mit der Oxidationsstufe +1 sind nur bei tiefen
Temperaturen beständig. Aluminiumwasserstoff oder Aluminiumhydrid
AlH3 bildet farblose Kristalle. Er entsteht bei der Reaktion von Aluminiumchlorid
mit Lithiumalanat in Diethylether. Es kommen wie beim Silicium und beim
Magnesium auch organische Aluminium-Verbindungen vor. Man bezeichnet
sie als Alumane oder Alane.
Der Nachweis von Aluminium-Ionen kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Ein Beispiel für eine typische Reaktion ist die Bildung von Thénards Blau, wenn man in einem Porzellanschiffchen auf wenig Aluminiumchlorid einen oder zwei Tropfen 0,1%ige Cobaltnitrat-Lösung gibt und danach in der Oxidationsflamme kräftig erhitzt. Dabei bildet sich Cobaltblau oder Thénards Blau CoAl2O4, das eine Spinell-Struktur aufweist.
Eine andere Möglichkeit zum Alumniumnachweis ist die Bildung eines Farblacks mit dem Farbstoff Alizarin S. Zu einer sauren Aluminiumsalz-Lösung wird solange 10%ige Natriumhydroxid-Lösung hinzugetropft, bis die Lösung alkalisch ist. Ein paar Tropfen aus dem Bodensatz werden dann auf eine Tüpfelplatte gegeben. Nach der Zugabe eines Tropfens einer Alizarin-S-Lösung gibt man einen Tropfen einer 12%igen Essigsäure-Lösung hinzu. Es entsteht ein roter Niederschlag, der die Bildung des Farblacks anzeigt. Dieser ähnelt dem Krapplack. Bildet sich der Farblack nicht, wartet man entweder ab oder gibt einen weiteren Tropfen der Essigsäure hinzu.
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Die
akut toxische Wirkung von Aluminium und seinen Verbindungen
ist relativ
gering. Beim Verschlucken werden sie über die Niere
ausgeschieden.
Bei Personen mit Nierenfunktionsstörungen können
aber Probleme auftreten. Das Metall hat die Eigenschaft, sich um
Amalgamfüllungen
herum anzulagern. Eine andere Aufnahmemöglichkeit besteht
bei der medikamentösen Einnahme von aluminiumhaltigen Antazida oder bei Dialysepatienten
über
die Gabe von aluminiumsalzhaltiger Dialyseflüssigkeit.
Die Aluminium-Ionen
lagern sich im Gehirngewebe ein. Ein bekanntes Krankheitsbild
ist die Dialyseenzephalopathie. [Lit 37] Bei dieser Erkrankung des zentralen Nervensystems treten Symptome wie Gedächtnisstörungen
oder Krampfanfälle und im Endstadium sogar Demenz auf. Beim Einatmen von Aluminiumstäuben
über einen längeren Zeitraum hinweg können chronische Lungenkrankheiten
entstehen. Gelöste Aluminium-Ionen gelangen auch über das Trinkwasser und über Nahrungsmittel in den menschlichen Körper. Auch die Verwendung löslicher Aluminiumsalze in Medikamenten ist problematisch. Verpackungen aus Aluminium können Aluminium-Ionen freisetzen, wenn sie mit Säuren in Kontakt kommen. Aluminiumsalze sind als Lebensmittel-Zusatzstoffe zugelassen. Eine übermäßige Aluminium-Aufnahme führt zu erhöhten Blutwerten. [vgl. Lit 95] Nach der Studie einer Genfer Forschergruppe, die 2016 im International Journal of Cancer veröffentlicht wurde, soll Aluminiumchlorid in Deos Brustkrebs verursachen. [Lit 100] Eine Entwarnung diesbezüglich gibt das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) in seiner Stellungsnahme 030/2020 vom 20. Juli 2020: Unter Berücksichtigung zweier Human-Studien aus den Jahren 2016 und 2019 kommt das Amt zur Einschätzung, dass gesundheitliche Beeinträchtigungen durch Aluminium-Aufnahme über die Haut unwahrscheinlich sind. [Lit 122] Eine Ursachenwirkung für die Entstehung von Alzheimer durch erhöhte Aluminium-Blutwerte ist umstritten. Einige wissenschaftliche Studien sahen bisher keinen Zusammenhang. [Lit 92] Vertreter der Alternativmedizin argumentieren, dass in den Gehirnen von verstorbenen Alzheimerpatienten ein erhöhter Aluminiumgehalt feststellbar ist. Im Gehirn und anderen Organen werden Depots angelegt. Sie stufen Aluminium-Ionen als neurotoxisch ein. [Lit 93 und 94] |
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Häufigkeit sehr häufig
Aluminium ist das in der Erdhülle nach Silicium am häufigsten vorkommende metallische Element. Es sind mindestens 230 Aluminiumminerale bekannt. Aluminium tritt elementar in der Natur nur sehr selten auf, meistens in Form von silbergrau glänzenden Einlagerungen in bestimmten Gesteinen. In den Feldspäten und Glimmern ist Aluminium als Aluminiumsilicat in großen Mengen chemisch gebunden. Das Mineral Korund ist aus Aluminiumoxid aufgebaut. Das wichtigste Aluminiumerz ist aber das Gestein Bauxit, das aus verschiedenen Aluminiummineralen wie Gibbsit, Böhmit und Diaspor, sowie Eisenerzen und Kaolinit besteht. Die bedeutendsten Förderländer für Bauxit sind heute Australien, China, Guinea, Brasilien und Indien. Auch Vietnam, Jamaika und Indonesien sind aufgrund ihrer Reserven von Bedeutung. In Europa gibt es in der zentralgriechischen Landschaft Fokida noch ein abbauwürdiges Bauxitvorkommen. Das Förderland für das Erz und das Produktionsland für das Metall sind nicht immer identisch: Der Bauxit aus Brasilien wird zum Beispiel nach Island verschifft, da dort preiswerte Energie aus Erdwärme für die aufwändige Schmelzflussanalyse zur Verfügung steht.
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Der dänische Chemiker Hans Christian Oersted
(1777–1851) stellte 1825 das Element erstmals aus Alaunerde
her. Es gelang ihm, Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam zu unreinem
Aluminium zu reduzieren. Der Name leitet sich vom lateinischen Wort alumen für Alaun
ab. Reineres Aluminium produzierte Friedrich
Wöhler 1827 durch Reduktion von Aluminiumchlorid
mit elementarem Kalium. An den erhaltenen Metallflittern
konnte Wöhler erstmals die Eigenschaften des Metalls untersuchen. Im Jahre 1854 gelang
dem Pariser Chemiker Henri Sainte-Claire Deville (1818–1881) eine Darstellung
des reinen Aluminiums aus dem Mineral Kryolith durch eine Reduktion
mit Natrium. Dadurch war die Grundlage für die großtechnische
Produktion des heute sehr bedeutenden Metalls gelegt.
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Die Aluminiumgewinnung aus Bauxit erfolgt in mehreren Schritten: Das Erz wird zunächst von Verunreinigungen gereinigt. Durch Zugabe von
Natronlauge wird das im fein gemahlenen Bauxit enthaltene Aluminiumhydroxid
zu wasserlöslichem Natriumaluminat Na[Al(OH)4]
umgewandelt.
Die ebenfalls enthaltenen Oxide der anderen Metalle gehen
nicht in Lösung,
sie bleiben im sogenannten Rotschlamm zurück. Die
typische rote Farbe
des Rotschlammes wird durch Eisenhydroxide verursacht. Die
Metalloxide
und -hydroxide können aus dem Rotschlamm abfiltriert
werden, so dass
die Natronlauge im Filtrat verbleibt. Durch Abkühlen auf
unter 90 °C
und durch Zugabe von Impfkristallen bildet sich reines
Aluminium(III)-oxid-Trihydrat. Die Natronlauge wird abgetrennt. Nach dem
Erhitzen auf über 1200 °C
erhält man trockene Tonerde oder Aluminiumoxid Al2O3. [Lit 7 und 74]
Das Metall wird anschließend
in der Schmelzfluss-Elektrolyse nach Hall-Héroult
gewonnen. Um den Schmelzpunkt der Tonerde herabzusetzen, gibt man das Flussmittel Kryolith hinzu. Die Elektrolyse
erfolgt bei einer Spannung von etwa fünf Volt. Das Aluminium bildet sich an
der Kohle-Kathode, es ist aufgrund der hohen Badtemperatur von 950 °C
flüssig.
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Die gewöhnlichen Spiegel im Schlaf- und Badezimmer sind heute nicht mehr mit Silber, sondern mit Aluminium beschichtet. Aluminium
und seine Legierungen gehören zu den wichtigsten Werkstoffen
zum Bau von Profilen, Rohren und Blechen. In der Lebensmittelindustrie
ist Aluminiumfolie ein wichtiges Verpackungsmittel. Das Metall dient aber
auch zur Herstellung von Kochgeschirr, Milchkannen und Trinkbechern. Aluminiumbronze
wird in Rostschutzfarbe eingesetzt und spielt bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern
und Sprengstoffen eine Rolle. In Grießform wird es beim Thermitschweißen eingesetzt. Reinstes Aluminium wird in elektrischem Leitermaterial eingesetzt,
beispielsweise in Hochspannungsleitungen. Duraluminium ist eine wichtige
Aluminiumlegierung für den Fahrzeug- und Maschinenbau und für
die Luftfahrt. Sie enthält neben dem Aluminium etwa 4% Kupfer,
0,5% Magnesium und 0,6% Mangan,
sowie Spuren von Eisen und Silicium.
Beim Eloxieren wird das Aluminium auf elektrolytischem Weg oxidiert. Der zu eloxierende Gegenstand wird als Anode in eine Elektrolytlösung, bestehend aus verdünnter Schwefelsäure, gehängt. Beim Anlegen einer Spannung entsteht an der Kathode (Blei oder Aluminium) Wasserstoff und die Anode überzieht sich mit einer Oxidschicht. Diese Schicht ist besonders dick, widerstandfähig und schützt gut vor Korrosion. Die Eloxalschicht enthält Poren, in die man Farbstoffe einlagern kann. So erhalten eloxierte Gegenstände ein ästhetisch ansprechendes Aussehen. |
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Schmelzfluss-Elektrolyse Demonstrationen zum Thermitverfahren Thermitschweißen bei der Bahn |
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