Aluminium
chemisches Element mit dem Symbol Al und der Ordnungszahl 13 / aus Wikipedia, der freien encyclopedia
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Aluminium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Al und der Ordnungszahl 13.
Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Name, Symbol, Ordnungszahl | Aluminium, Al, 13 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elementkategorie | Metalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppe, Periode, Block | 13, 3, p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aussehen | silbrig | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS-Nummer | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
EG-Nummer | 231-072-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ECHA-InfoCard | 100.028.248 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Massenanteil an der Erdhülle | 7,57 % (3. Rang)[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomar[2] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atommasse | 26,9815384(3)[3] u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius (berechnet) | 125 (118) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalenter Radius | 121 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Van-der-Waals-Radius | 184[4] pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronenkonfiguration | [Ne] 3s2 3p1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. Ionisierungsenergie | 5,985769(3) eV[5] ≈577,54 kJ/mol[6] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2. Ionisierungsenergie | 18,82855(5) eV[5] ≈1816,68 kJ/mol[6] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3. Ionisierungsenergie | 28,447642(25) eV[5] ≈2744,78 kJ/mol[6] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Ionisierungsenergie | 119,9924(19) eV[5] ≈11577,5 kJ/mol[6] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5. Ionisierungsenergie | 153,8252(25) eV[5] ≈14841,9 kJ/mol[6] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Physikalisch[7] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aggregatzustand | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dichte | 2,6989 g/cm3 (20 °C)[8] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mohshärte | 2,75 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetismus | paramagnetisch (χm = 2,1 · 10−5)[9] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | 933,35 K (660,2[10] °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Siedepunkt | 2743 K[11] (2470 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molares Volumen | 10,00 · 10−6 m3·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verdampfungsenthalpie | 284 kJ/mol[11] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schmelzenthalpie | 10,7[12] kJ·mol−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Schallgeschwindigkeit | 6250–6500 (Longitudinalwelle) m/s; 3100 (Scherwelle)[13][14] m·s−1 bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spezifische Wärmekapazität | 897[1] J·kg−1·K−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Austrittsarbeit | 4,06–4,26 eV[15] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrische Leitfähigkeit | 37,7 · 106 S·m−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wärmeleitfähigkeit | 235 W·m−1·K−1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mechanisch[16] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
E-Modul | 60 bis 78 kN/mm²[17] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poissonzahl | 0,34[18] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Chemisch[19] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidationszustände | 1, 2, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Normalpotential | −1,676 V (Al3+ + 3 e− → Al) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativität | 1,61 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Weitere Isotope siehe Liste der Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. |
Im Periodensystem gehört Aluminium zur dritten Hauptgruppe und zur 13. IUPAC-Gruppe, der Borgruppe, die früher als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Es gibt zahlreiche Aluminiumverbindungen. Aluminium ist ein silbrig-weißes Leichtmetall. In der Erdhülle ist es, nach Sauerstoff und Silicium, das dritthäufigste Element und in der Erdkruste das häufigste Metall. In der Werkstofftechnik werden mit „Aluminium“ alle Werkstoffe auf Basis des Elementes Aluminium verstanden. Dazu zählt Reinaluminium (mindestens 99,0 % Al), Reinstaluminium (min 99,7 % Al) und insbesondere die Aluminiumlegierungen, die bis zu mit Stahl vergleichbare Festigkeiten besitzen – bei nur einem Drittel seiner Dichte.
Entdeckt wurde Aluminium, das in der Natur fast ausschließlich in Form von chemischen Verbindungen vorkommt, im frühen 19. Jahrhundert. Im frühen 20. Jahrhundert setzte die industrielle Massenproduktion ein.
Die Gewinnung erfolgt in Aluminiumhütten ausgehend von dem Mineral Bauxit zunächst im Bayer-Verfahren, mit dem Aluminiumoxid gewonnen wird, und anschließend im Hall-Héroult-Prozess einer Schmelzflusselektrolyse, bei der Aluminium gewonnen wird. 2016 wurden weltweit 115 Mio. Tonnen Aluminiumoxid (Al2O3) produziert.[24] Daraus hat man 54,6 Mio. Tonnen Primäraluminium gewonnen.[25]
Das Metall ist sehr unedel und reagiert an frisch angeschnittenen Stellen bei Raumtemperatur mit Luft und Wasser zu Aluminiumoxid. Dies bildet aber sofort eine dünne, für Luft und Wasser undurchlässige Schicht (Passivierung) und schützt so das Aluminium vor Korrosion. Reines Aluminium weist eine geringe Festigkeit auf; bei Legierungen ist sie deutlich höher. Die elektrische und thermische Leitfähigkeit ist hoch, weshalb Aluminium für leichte Kabel und Wärmetauscher verwendet wird.
Eines der bekanntesten Produkte ist Alufolie. Weitere sind Bauteile in Fahrzeugen und Maschinen, elektrische Leitungen, Rohre, Dosen und Haushaltsgegenstände. Das Aluminiumrecycling erreicht weltweit Raten von etwa 40 %.
1782 vermutete Lavoisier als erster, dass es sich bei der 1754 von Marggraf aus einer Alaunlösung gewonnenen Alaunerde (alumina, abgeleitet von lateinisch alumen ‚Alaun‘) um das Oxid eines bislang unbekannten Elements handle. Dessen Darstellung glückte schließlich 1825 dem Dänen Hans Christian Ørsted durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl3) mit Kaliumamalgam, wobei Kalium als Reduktionsmittel diente:[26]
Davy, der sich lange Zeit ebenfalls an der Darstellung des neuen Elements versucht hatte, führte ab 1807 die Namensvarianten alumium, aluminum und aluminium ein, von welchen die letzten beiden im Englischen nebeneinander fortbestehen.[27][28]
1827 gelang es Friedrich Wöhler mit der gleichen Methode wie Ørsted, jedoch unter Verwendung metallischen Kaliums als Reduktionsmittel, reineres Aluminium zu gewinnen. Henri Étienne Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Durch diesen verbesserten Prozess stieg die Ausbeute bei der Aluminiumgewinnung, und in der Folge fiel der Preis des Aluminiums, der zuvor höher als jener von Gold gewesen war, innerhalb von zehn Jahren auf ein Zehntel.
1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das 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 Isolierung von reinem Aluminiumoxid aus Bauxiten. Aluminium wird noch nach diesem Prinzip großtechnisch hergestellt.
Am Ende des 19. Jahrhunderts stand das Metall in solchem Ansehen, dass man daraus gefertigte Metallschiffe auf den Namen Aluminia taufte.
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, in denen es in der Kristallstruktur die Position von Silicium in Sauerstoff-Tetraedern einnimmt. Diese Silicate 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 Prozent den höchsten Aluminiumanteil einer Verbindung. Einen ähnlich hohen Aluminiumanteil haben die noch selteneren Minerale Akdalait (etwa 51 Prozent) und Diaoyudaoit (etwa 50 Prozent). Insgesamt sind bisher (Stand: 2017) 1156 aluminiumhaltige Minerale bekannt.[29]
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 Prozent Aluminiumhydroxid (Al(OH)3 und AlO(OH)), etwa 30 Prozent 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 nur etwa 5 Prozent der Energie der Primärgewinnung.
Infolge der Affinität zu Sauerstoff kommt Aluminium in der Natur sehr selten elementar (gediegen) vor. Erstmals entdeckt wurde Aluminium 1978 durch B. V. Oleinikov, A. V. Okrugin, N. V. Leskova in Mineralproben aus der Billeekh Intrusion und dem Dyke OB-255 in der Republik Sacha (Jakutien) im russischen Föderationskreis Ferner Osten.[30][31] Insgesamt sind weltweit bisher knapp 30 Vorkommen für gediegen Aluminium bekannt (Stand 2023), so unter anderem in Aserbaidschan, Bulgarien, der Volksrepublik China (Guangdong, Guizhou, Jiangsu und Tibet) und in Venezuela. Zudem konnte gediegen Aluminium in Gesteinsproben vom Mond, das die Sonde der Luna-20-Mission vom Krater Apollonius mitbrachte, nachgewiesen werden.[32]
Aufgrund der extremen Seltenheit hat gediegen Aluminium zwar keine Bedeutung als Rohstoffquelle, als gediegen vorkommendes Element ist Aluminium dennoch von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständiges Mineral anerkannt (Interne Eingangs-Nr. der IMA: 1980-085a).[33] Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Aluminium unter der System-Nummer 1.AA.05 (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Kupfer-Cupalit-Familie – Kupfergruppe)[34] eingeordnet. In der veralteten 8. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ist Aluminium dagegen noch nicht aufgeführt. Nur im zuletzt 2018 aktualisierten „Lapis-Mineralienverzeichnis“, das sich im Aufbau noch nach dieser alten Form der Systematik von Karl Hugo Strunz richtet, erhielt das Mineral die System- und Mineral-Nr. I/A.03-005.[35] Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendete Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.01.01.05.[36]
In der Natur kommt gediegen Aluminium meist in Form körniger Mineral-Aggregate und Mikronuggets vor, kann in seltenen Fällen aber auch tafelige Kristalle bis etwa einen Millimeter Größe entwickeln. Frische Mineralproben sind von metallisch glänzender, silberweißer Farbe. An der Luft dunkeln die Oberflächen durch Oxidierung nach und wirken grau. Auf der Strichtafel hinterlässt Aluminium einen dunkelgrauen Strich.[35]
Je nach Fundort enthält Aluminium oft Fremdbeimengungen von anderen Metallen (Cu, Zn, Sn, Pb, Cd, Fe, Sb) oder tritt eingewachsen in beziehungsweise mikrokristallin verwachsen mit Hämatit, Ilmenit, Magnetit, Moissanit und Pyrit beziehungsweise Jarosit auf.[37]
Typmaterial, das heißt Mineralproben aus der Typlokalität des Minerals, wird im Geologischen Museum der Akademie der Wissenschaften in Jakutsk in der russischen Teilrepublik Sacha (Jakutien) aufbewahrt.[37]
Primäraluminium (Herstellung aus Mineralien)
Ca. zwei Drittel des europäischen Aluminiumbedarfs wird durch Primäraluminium gedeckt. Primäraluminium wird elektrolytisch aus einer Aluminiumoxidschmelze hergestellt. Da diese aus den auf der Erde allgegenwärtigen Alumosilicaten nur schwer isoliert werden kann, erfolgt die großtechnische Gewinnung aus dem relativ seltenen, silikatärmeren Bauxit. Zur Gewinnung von reinem Aluminiumoxid aus Silikaten gibt es seit langem[38] Vorschläge, deren Anwendung allerdings nicht wirtschaftlich möglich ist.
Das im Erz enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch wird zunächst mit Natronlauge aufgeschlossen (Bayer-Verfahren, Rohrreaktor- oder Autoklaven-Aufschluss), 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 trockene Aufschluss (Deville-Verfahren) hat dagegen keine Bedeutung mehr. Dabei wurde feinstgemahlenes, ungereinigtes Bauxit zusammen mit Soda und Koks in Drehrohröfen bei rund 1200 °C kalziniert und das entstehende Natriumaluminat anschließend mit Natronlauge gelöst.
Die Herstellung des Metalls erfolgt in Aluminiumhütten 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).[39] 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 Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert. Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen so langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphitkathode (Gefäßboden) ist gegenüber Aluminium inert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.
Aufgrund der hohen Bindungsenergie durch die Dreiwertigkeit des Aluminiums und der geringen Atommasse ist der Prozess recht energieaufwendig. Pro produziertem Kilogramm Rohaluminium müssen 12,9 bis 17,7 Kilowattstunden an elektrischer Energie eingesetzt werden.[40][41] Eine Reduzierung des Strombedarfs ist nur noch in geringem Ausmaß möglich, weil die Potentiale für energetische Optimierungen weitgehend erschlossen sind.[42] Aluminiumherstellung ist daher nur wirtschaftlich, wenn billige Elektroenergie zur Verfügung steht.
Rang | Land | Produktion 2019 | Produktion 2020 | Reserven |
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1 | Australien Australien | 105.000 | 104.000 | 5.300.000 |
2 | China Volksrepublik Volksrepublik China | 70.000 | 92.700 | 1.000.000 |
3 | Guinea-a Guinea | 67.000 | 86.000 | 7.400.000 |
4 | Brasilien Brasilien (Aluminiumindustrie in Brasilien) | 34.000 | 31.000 | 2.700.000 |
5 | Indonesien Indonesien | 17.000 | 20.800 | 1.200.000 |
6 | Indien Indien | 23.000 | 20.200 | 660.000 |
7 | Jamaika Jamaika | 9.020 | 7.550 | 2.000.000 |
8 | Russland Russland | 5.570 | 5.570 | 500.000 |
9 | Kasachstan Kasachstan | 5.800 | 5.000 | 160.000 |
10 | Saudi-Arabien Saudi-Arabien | 4.050 | 4.310 | 180.000 |
11 | Vietnam Vietnam | 4.000 | 3.500 | 5.800.000 |
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Aluminiumproduktion 2019 und 2020 und die maximal mögliche Produktionsleistung der Hüttenwerke nach Ländern.
Rang | Land | Produktion 2019 | Produktion 2020 | Kapazität |
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1 | China Volksrepublik Volksrepublik China | 35.000 | 37.100 | 41.300 |
2 | Indien Indien | 3.640 | 3.560 | 4.060 |
3 | Russland Russland | 3.640 | 3.640 | 43.020 |
4 | Kanada Kanada | 2.850 | 3.120 | 3.270 |
5 | Vereinigte Arabische Emirate Vereinigte Arabische Emirate | 2.600 | 2.520 | 2.700 |
6 | Australien Australien | 1.570 | 1.580 | 1.720 |
7 | Norwegen Norwegen | 1.400 | 1.330 | 1.430 |
8 | Bahrain Bahrain | 1.370 | 1.550 | 1.550 |
9 | Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten | 1.093 | 1.012 | 1.790 |
10 | Island Island | 845 | 860 | 890 |
Sekundäraluminium (Herstellung durch Aluminium-Recycling)
Um Aluminium zu recyceln, werden Aluminiumschrotte und „Krätzen“ in Trommelöfen eingeschmolzen. „Krätze“ ist ein Abfallprodukt bei der Verarbeitung von Aluminium und bei der Herstellung von Sekundäraluminium. Krätze ist ein Gemisch aus Aluminiummetall und feinkörnigen Oxidpartikeln und wird beim Schmelzen von Aluminium bei 800 °C aus dem Aluminiumoxid der normalen Aluminiumkorrosion und als Oxidationsprodukt (Oxidhaut) beim Kontakt von flüssigem Aluminium mit Luftsauerstoff gebildet. Damit beim Aluminiumgießen keine Aluminiumoxidpartikel in das Gussteil gelangen, wird die Krätze durch Kratzvorrichtungen von der Oberfläche des Metallbads abgezogen.
Um die Bildung von Krätze zu verhindern, wird die Oberfläche der Schmelze mit Halogenidsalzen (rund zwei Drittel NaCl, ein Drittel KCl und geringe Mengen Calciumfluorid CaF2) abgedeckt (siehe dazu Aluminiumrecycling). Dabei entsteht als Nebenprodukt Salzschlacke, die noch ca. 10 Prozent Aluminium enthält, die, entsprechend aufbereitet, als Rohstoff für mineralische Glasfasern dient.[46]
Allerdings wird an der Herstellung von Sekundäraluminium kritisiert, dass beim Recycling pro Tonne jeweils 300 bis 500 Kilogramm Salzschlacke, verunreinigt mit Dioxinen und Metallen, entstehen; deren mögliche Wiederverwertung ist aber Stand der Technik.[47][48]