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Aluminium
Aluminium (von lat. alumen = Alaun) ist ein chemisches Element des Periodensystems mit der Ordnungszahl 13. Das Elementsymbol ist Al. Es gehört zur Borgruppe (früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet).
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Aluminiumguss-
Legierungen
Tabelle der:
mechanischen
physikalischen
u. chemischen
Eigenschaften
Elemente:
Eisen
Silizium |
Das Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Die Oxidschicht macht Aluminium sehr korrosionsbeständig. Es ist ein sehr weiches Metall, ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden. Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste und tritt nur in chemisch-gebundenem Zustand auf. Es ist ein guter elektrischer Leiter.
Inhaltsverzeichnis
1 Geschichte
2 Vorkommen
3 Gewinnung und Darstellung
4 Verwendung
4.1 Aluminiumverarbeitung
5 Sicherheitshinweise
6 Ökologie
7 Aluminiumlegierungen
8 Verbindungen
Geschichte
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 Oersted 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 1859 in einem Buch publiziert. 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 Karl Josef Bayer weiter verbessert.
Vorkommen
Aluminium findet man in der Natur häufig als Aluminiumsilikat. Aluminiumoxid (Al2O3) kommt nur selten vor und ist bekannt als Edel- und Halbedelstein. Je nach Verunreinigung spricht man von Smaragden, Rubinen oder Saphiren. Weitaus häufiger ist Aluminium in Form von Bauxit.
Gewinnung und Darstellung
Nach dem Verfahren von Oersted (1825) wird Aluminium aus Aluminiumchlorid und Kaliumamalgam hergestellt, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient:
Nach Wöhler wird metallisches Kalium zur Reduktion verwendet.
Technisch geling die Herstellung von Aluminium durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren, Bayer-Verfahren). Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Der Energieaufwand beträgt etwa 13-16 kWh/kg.
Verwendung
Wegen der geringen Dichte von Aluminium wird dieses Metall gerne da verwendet, wo Masse bewegt werden muss, vor allem in der Verpackungsindustrie und der Luft- und Raumfahrt; Aus diesem Grund gewinnt der Werkstoff Aluminium im Fahrzeugbau zunehmend an Bedeutung. In Legierungen mit Magnesium, Silizium und anderen Metallen werden Festigkeiten in Strangpressprofilen erreicht, die denen von 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. Kraftfahrzeughersteller nutzen den Werbeeffekt des Werkstoffes. |
Eigenschaften |
Magnesium - Aluminium - Silizium
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Allgemein |
| Name, Symbol, Ordnungszahl |
Aluminium, Al, 13 |
| Serie | Metalle |
| Gruppe, Periode, Block | 13 (IIIA), 3, p |
| Aussehen | silbrig |
| Massenanteil an der Erdhülle | 7,57 % |
Atomar |
| Atommasse | 26,981538 |
| Atomradius (berechnet) | 125 (118) pm |
| Kovalenter Radius | 118 pm |
| van der Waals-Radius | - |
| Elektronenkonfiguration | [Ne]3s23p1 |
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 3 |
| Oxidationszustände (Oxide) | 3 (amphoter) |
| Normalpotential | -1,662 V (Al3+ + 3e-→ Al) |
| Elektronegativität | 1,61 (Pauling-Skala) |
| Austrittsarbeit | 4,08-4,25 eV |
| 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 |
Physikalisch |
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest (paramagnetisch) |
| Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert |
| Dichte (Mohshärte) | 2700 kg/m3 (2,75) |
| Schmelzpunkt | 933,47 K (660,32 °C) |
| Siedepunkt | 2792 K (2519 °C) |
| Molares Volumen | 10,00 · 10-6 m3/mol |
| Verdampfungswärme | 293,4 kJ/mol |
| Schmelzwärme | 10,79 kJ/mol |
| Dampfdruck | 2,42 · 10-06 Pa |
| Schallgeschwindigkeit | 5100 m/s bei 933 K |
Verschiedenes |
| Spezifische Wärmekapazität | 900 J/(kg · K) |
| Elektrische Leitfähigkeit | 37,7 · 106 S/m |
| Wärmeleitfähigkeit | 237 W/(m · K) |
Isotope |
| Isotop |
NH |
t½ |
ZM |
ZE MeV |
ZP |
| 26Al |
{syn.} |
7,17 · 105 a |
Epsilon |
4,004 |
26Mg |
| 27Al |
100 % |
Al ist stabil mit 14 Neutronen |
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. |
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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 bei der Herstellung.
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 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.
Aluminiumverarbeitung
Die Aluminiumverarbeitung geschieht oft mit Hilfe von Gussverfahren (Aluminiumgiesserei).
Urformen:- Strangguss
- Druckguss
- Strangpressen
- Sprühkompaktieren
Sicherheitshinweise
Aluminium ist eines 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. Ferner besteht jedoch der Verdacht, dass Aluminium Brustkrebs fördern könnte. Auch diese Vermutung ist noch nicht wissenschaftlich bestätigt.
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.
Aluminium ist physiologisch unbedenklich und hat deshalb seine berechtigte Anwendung in der Nahrungsmittelindustrie.
Eine physiologische Bewertung wie Schwermetall = Gift ist sehr irreführend. Gold, Silber, Eisen z.B. sind auch Schwermetalle. Und ohne Eisen hätten die Lebewesen dieser Welt kein rotes Blut. Es gibt natürlich Schwermetalle, die in bestimmten Mengen dem menschlichen Körper schädigen können. Eine differenzierte Betrachtung ohne Panikmache tut hier not.
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.
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 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 (siehe auch Thermitverfahren).
Einordnung: Chemisches Element | Erdmetall | Periode-3-Element | Werkstoff |
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