Aluminium

Allgemeines

Aluminium, chemisches Symbol Al, zu den Leichtmetallen zählendes, in der Erdkruste am häufigsten vorkommendes Element mit der Ordnungszahl 13. Dieses technisch wichtige Metall gehört zur dritten Hauptgruppe (die Borgruppe) des Periodensystems.

Die erste Synthese von Aluminium gelang 1825 dem dänischen Chemiker Hans Christian Ørsted. Ørsted erhielt, wenn auch stark verunreinigtes, Aluminium durch die Umsetzung von Aluminiumtrichlorid mit metallischem Kalium. Die Herstellung von reinem Aluminium in Pulverform gelang 1827 dem Chemiker Friedrich Wöhler nach der gleichen Syntheseroute, die sein dänischer Kollege versucht hatte. Wöhler war der Erste, der die relative Dichte von Aluminium bestimmte. 1854 gewann Henri Sainte-Claire Deville in Frankreich das Metall, indem er eine Mischung aus Kochsalz und Aluminiumchlorid mit Natrium reduzierte. Dank der finanziellen Unterstützung Napoleons III. konnte Deville eine groß angelegte Experimentalfabrik bauen und auf der Pariser Weltausstellung von 1855 reines Aluminium vorstellen. Aluminium wurde in den Jahren von 1855 bis 1890 nach Devilles Verfahren technisch hergestellt. Danach folgte das noch heute praktizierte Elektrolyseverfahren (siehe unten Hall-Héroult-Verfahren).

Eigenschaften

Bei reinem Aluminium handelt es sich um ein leichtes, silbriges Metall mit der Atommasse 26,9815 u. Das Metall schmilzt bei 660 °C, siedet bei 2 467 °C und hat eine relative Dichte von 2,7. Aluminium ist stark elektropositiv und in reinster Form extrem reaktionsfähig – reines Aluminiumpulver reagiert an der Luft selbstentzündlich. In Verbindung mit Luft wird das Leichtmetall rasch von einer zähen, durchsichtigen Schicht aus Aluminiumoxid bedeckt, die es vor weiterer Korrosion schützt (Eloxal). Aus diesem Grund rosten aus Aluminium gefertigte Gegenstände nicht und werden auch nicht matt.

Zahlreiche metallische Verbindungen lassen sich mit Aluminium reduzieren. Erhitzt man z. B. Thermit (eine Mischung aus pulverförmigem Eisenoxid und Aluminium), entzieht das Aluminium dem Eisen rasch den Sauerstoff (Aluminothermie); die Hitze der Reaktion reicht aus, um das Eisen praktisch zu schmelzen. Diesen Vorgang nutzt man beispielsweise beim Thermitschmelzverfahren zum Schweißen von Eisen.

Das Oxid des Aluminiums ist amphoter – es hat sowohl saure als auch basische Eigenschaften. Zu den wichtigsten Verbindungen gehören das Oxid, das Hydroxid, das Sulfat und verschiedene Sulfatverbindungen. Wasserfreies Aluminiumchlorid spielt eine wichtige Rolle in der Erdöl- und petrochemischen Industrie. Zahlreiche Edelsteine – etwa Rubine und Saphire – bestehen hauptsächlich aus kristallinem Aluminiumoxid mit verschiedenen Einlagerungen.
 

Vorkommen

Aluminium ist der häufigste Metallbestandteil und das dritthäufigste Element in der Erdkruste; nur Sauerstoff und Silicium sind noch häufiger vertreten. Das metallische Element kommt vor allem in Form von Sauerstoffverbindungen in der Natur vor. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Oxide der Form Al2O3, also vom Korund bis hin zu den Edelsteinen Saphir und Rubin, sowie um die Hydroxide Al(OH)3 (z. B. Hydrargillit) bzw. AlO(OH) (z. B. Diaspor). Darüber hinaus findet man in der Natur Kombinationen von Oxiden und Hydroxiden, auch mit anderen Metallen wie z. B. Natrium, Kalium, Eisen, Calcium und Magnesium. Eine wichtige Gruppe von Aluminiumsilicaten stellen die Feldspäte sowie deren Verwitterungsprodukte Tone und Bauxit dar. Wesentlich seltener kommt Aluminium in Form des Fluorids (z. B. als Kryolith) in der Natur vor.
 

Technische Herstellung

Reines Aluminium aus den Silicaten zu gewinnen ist chemisch schwierig und daher teuer. Zu diesem Zweck verwendet man heutzutage Bauxit, ein aluminiumhaltiges Sedimentgestein. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine Mischung aus Aluminiumoxidhydroxid (AlOOH) und Aluminiumhydroxid (Al(OH)3).

Das für die eigentliche Schmelzflußelektrolyse benötigte Aluminiumoxid muss zuvor aus Bauxit aufgeschlossen werden. Beim so genannten Bayer-Verfahren wird gemahlenes Bauxit in entsprechend großen Reaktoren (vorzugsweise Rohrreaktoren) mit wässriger Natronlauge vermischt und bei etwa 150 °C zur Reaktion gebracht. Stark vereinfacht läuft dabei Folgendes ab (in der Realität sind die Reaktionsvorgänge viel komplizierter):

Al(OH)3 + NaOH <--> Na[Al(OH)4]

Während dieses Prozesses „lösen" sich quasi die Aluminiumbestandteile in Form von Natriumaluminat (Na[Al(OH)4]) aus der Mischung, wobei man die Lösung durch Filtration von den festen Bestandteilen (meist stark eisenhaltig) trennt. Der verbleibende Schlamm wird mehrfach ausgewaschen, die Waschlösungen mit dem Filtrat weiterverarbeitet. Dazu behandelt man die abgekühlte Mischung mit großen Mengen Aluminiumhydroxids. Durch diese Vorgehensweise geht praktisch ein Großteil des Aluminats ins Hydroxid (-Al(OH)3; Hydrargillit) über und fällt als solches aus. Das Hydrargillit wird abfiltriert, getrocknet und anschließend bevorzugt in Wirbelschichtöfen bei rund 1 300 °C zu Al2O3 umgewandelt (Calcinierung).

1886 entdeckten der Franzose Paul Louis Toussaint Héroult und der Amerikaner Charles Martin Hall unabhängig voneinander, dass Aluminiumoxid (oder Tonerde) sich in geschmolzenem Kryolith (Na3AlF6) auflöst und elektrolytisch in ein rohes, geschmolzenes Metall und Nebenprodukte zerlegt werden kann. Dieses Verfahren ist heute auch unter dem Namen Hall-Héroult-Verfahren in der Technik bekannt.

Reines Aluminiumoxid hat einen extrem hohen und damit für die Elektrolyse ungünstigen Schmelzpunkt (2 045 °C). Bessere Vorbedingungen lassen sich durch die Zugabe des Oxids in eine Kryolithschmelze erreichen, denn der Schmelzpunkt von Kryolith liegt bei etwa rund 1 000 °C. Diese Mischung wird anschließend bei Temperaturen um 960 °C der Elektrolyse mit Gleichstrom unterworfen. Als Elektrodenmaterial verwendet man Kohlenstoff. Auch hierzu ein stark vereinfachtes Reaktionsschema:

Kathode:
2 Al2O3 --> 4 Al + 3 O2.

Anode:
3 C + 3 O2 --> 3 CO2 bzw.: 6 C + 3 O2 --> 6 CO.

Das Hall-Héroult-Verfahren ist derzeit immer noch die wichtigste Methode für die industrielle Produktion von Aluminium, wenn auch inzwischen neue Verfahren geprüft werden. Die Reinheit des Endprodukts wurde laufend gesteigert; heute besteht ein industriell reiner Barren aus 99,5 Prozent Aluminium. Die Reinheit lässt sich weiter bis auf 99,99 Prozent verfeinern.
 

Verwendung

Aluminium eines bestimmten Volumens wiegt weniger als ein Drittel desselben Volumens an Stahl. Die einzigen leichteren Metalle sind Lithium, Beryllium und Magnesium. Durch sein hohes Dichte-Gewicht-Verhältnis eignet sich Aluminium vergleichsweise gut zum Bau von Flugzeugen, Eisenbahnwaggons und Autos. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium u. a. auch für Kochgeräte und als Werkstoff für Kolben von Verbrennungsmotoren verwendet. Bei einem bestimmten Drahtdurchmesser besitzt das Leichtmetall zwar nur 63 Prozent der elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer, wiegt aber weniger als die Hälfte des Kupferdrahtes. Besonders bei weiten Entfernungen und hohen Spannungen ist das Gewicht wichtig, und heute werden Aluminiumleitungen für die übertragung von elektrischem Strom bei 700 000 Volt oder mehr benutzt.

Für die Halbleitertechnik könnte sich zur Produktion leistungsfähiger Computerchips Aluminiumoxid als interessant erweisen. Bei der Chipherstellung werden u. a. Siliciumoxid und -dioxidschichten auf das Halbleitermaterial aufgebracht. Jüngsten Forschungsergebnissen zufolge ist die elektrische Ladekapazität von Alumiumoxidschichten gegenüber Siliciumoxidschichten dreimal so hoch. Dieser Sachverhalt hat im Hinblick auf die Mindestgröße sowie Zuverlässigkeit von integrierten Schaltkreisen eine entscheidende Bedeutung. Ab einer bestimmten Schichtdicke weichen Elektronen von den vorgezeichneten Leiterbahnen ab und beginnen, die Atomschichten zu durchtunneln, es kommt zu Fehlschaltungen. Durch die Verwendung von Aluminiumoxid anstelle von Siliciumoxid in elektronischen Bausteinen versucht man die Leistungsfähigkeit des Chips zu steigern. Es bedarf jedoch einiger Entwicklungsarbeit, da das Erzeugen dünner Aluminiumoxidschichten technisch derzeit noch sehr kompliziert ist.

Seitenwandungen aus Aluminium, sturmgeschützte Fenster und Aluminiumfolie sind für die Isolierung von Häusern hervorragend geeignet. Das Metall wird auch in der Tieftemperaturtechnik eingesetzt, weil es auch bei starker Abkühlung seine Härte behält. Aufgrund seines geringen Gewichts, der leichten Formbarkeit und der Verträglichkeit mit Nahrung und Getränken dient Aluminium häufig als Material für Behälter und flexible Verpackungen. Das Recycling solcher Verpackungen ist eine zunehmend wichtige Maßnahme zur Energieeinsparung. Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit in Salzwasser findet Aluminium auch beim Bau von Bootsrümpfen und anderen Produkten für die Schifffahrt Verwendung.

Ein breites Spektrum von Schutz- und Schmiedelegierungen steht zur Verfügung, die dem Metall eine größere Dichte verleihen oder es widerstandsfähiger gegen Korrosion und hohe Temperaturen machen.
 


"Aluminium," Microsoft Encarta Online Encyclopädie 2002 (http://encarta.msn.de)
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