Steckbrief: Aluminium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

26,982
  Al
13

Symbol: Al

Internationale Bezeichung (IUPAC): Aluminium

Ursprung: Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nur in chemisch gebundenem Zustand auf.
Plinius berichtet, dass einst im Palast des Kaisers Tiberius, der in den Jahren 14 bis 37 n. Chr. regierte, ein Metallarbeiter erschien und ein metallisches Geschenk anbot, das äußerlich wie Silber aussah, aber auffallend leicht war. Der Kaiser fragte den Arbeiter, wo dieses Metall zu finden wäre, und erhielt die Antwort, dass jener es aus einer tonhaltigen Erde hergestellt hätte. Tiberius fragte weiter, ob sonst noch jemand um das Vorhandensein und die Herstellung dieses Metalls wüsste, worauf der Arbeiter zu seinem Unheil erwiderte, dass außer ihm nur Jupiter das Geheimnis kenne. Der Kaiser aber war von Argwohn erfasst, dass das neue Metall den Wert des Goldes und des Silbers schädigen könnte und ließ daher die Werkstatt des Geschenkgebers zerstören und denselben enthaupten, so dass die Erfindung verloren ging.
Der erste heute noch bekannte Aluminiumgegenstand ist die Gürtelschnalle des chinesischen Generals Chou-Chou (265–316) um 300.
Als Sir Humphry Davy im Jahre 1808 das Aluminium entdeckte und beschrieb, erinnerte man sich wieder des Schicksals dieses unglücklichen Metallarbeiters und es verbreitete sich die Meinung, dass es sich bei diesem sagenhaften Metall um Aluminium gehandelt habe. Auch wenn ein wahrer Kern in dieser Erzählung stecken würde, so wäre es gänzlich ungeklärt, wie ein einzelner Arbeiter die technischen Schwierigkeiten hätte überwinden können, die bei der Aluminiumerzeugung zu überwinden sind. Erst 1825 gelang es dem Dänen Hans Christian Ørsted, Aluminium, das in der Natur nicht in gediegener Form vorkommt, synthetisch herzustellen, allerdings in sehr verunreinigter Form. Die Herstellung von reinem Aluminium in Pulverform gelang 1827 dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler. Wahrscheinlich hat schon Hans Christian Ørsted mit dem gleichen Herstellunsgverfahren, allerdings noch verunreinigtes, Aluminium hergestellt. Zu jener Zeit war der Preis von Aluminium höher als der von Gold.
Henri Etienne Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. 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 Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. Im Jahr 1889 wurde das Verfahren durch Carl Josef Bayer weiter verbessert. Aluminium wird noch heute nach diesem Prinzip großtechnisch hergestellt.

Bedeutung: alumen = Alaun, wegen des Vorkommens in Alaunerde und Suffix -ium

Daten Periodensystem

Aluminium

Periode: 3

Gruppe: 13 (III A)

Gruppenname: Borgruppe (Erdmetalle)

Oxidationszahl: 3

Atommasse [u]: 26,982

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 1,5

Elektronegativität (nach Pauling): 1.61

Physikalische Daten

Aluminium

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm2]: 2,698

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: 660,25

Siedetemperatur [°C]: 2518,85

Kristallstruktur: kubisch - flächenzentriert

Verwendung im Alltag

In den letzten Jahren kam es zu einem deutlichen Preisanstieg von Aluminium am Weltmarkt (Stand Mai 2008: ca. 1800 Euro/Tonne bei 99,7% Reinheit)

  • Konstruktionswerkstoff: Wegen seiner geringen Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf die Masse eines Transportmittels ankommt, weil diese zum Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenannten Knautschzone) im Wege. Mit dem Space Frame-Konzept hat Audi hierfür Lösungen gefunden und in den Modellen A8 sowie A2 realisiert.
    In Legierungen mit Magnesium, Silicium und anderen Metallen werden Festigkeiten erreicht, die denen von Stahl nur wenig nachstehen. Daher ist die Verwendung von Aluminium zur Gewichtsreduzierung überall dort angebracht, wo Materialkosten eine untergeordnete Rolle spielen. Insbesondere im Flugzeugbau und in der Weltraumtechnik ist Aluminium und Duraluminium weit verbreitet. Der größte Teil der Struktur moderner Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungen genietet.
    Aluminium lässt sich durch Strangpressen in komplizierte Profile formen, hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (Automatisierungstechnik, Messebau), Kühlkörperprofilen oder in der Antennentechnik.
    Mit Aluminium werden Heizelemente von Bügeleisen und Kaffeemaschinen umpresst.
    Aluminium-Gussteile können durch Druckguss in komplizierten Formen gefertigt werden, die spanende Nachbearbeitung ist gut möglich.
    Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz korrosionsfest zu machen, wurde Aluminiumblech für Fassaden- und Dachelemente sowie Dachrinnen eingesetzt.
  • Elektrotechnik: Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter: Aluminium leitet Strom je Gramm Gewicht besser als Kupfer, ist aber voluminöser als dieses, so dass Kupfer je Quadratzentimeter Leitungsquerschnitt Strom besser leitet als Aluminium. Weil Kupfer reaktionsträger und die Verarbeitung problemloser als bei Aluminium ist, wird meistens Kupfer verwendet und Aluminium nur, wenn es auf das Gewicht ankommt.
    Aluminium wird insbesondere dann als Leitermaterial für elektrischen Strom im Stromnetz verwendet, wenn es sich um starre und dicke Leitungen handelt (Stromschienen, Erdkabel). Hier bietet es Kostenvorteile gegenüber Kupfer.
    Beim Kontaktieren ist aber problematisch, dass Aluminium unter dem Druck der Kontaktierung zum Kriechen neigt und sich an Luft spontan mit einer Oxidschicht (Selbstpassivierung) überzieht, die vor der Kontaktierung beseitigt werden muss. Daher fand Aluminium nur vorübergehend ab den 1960er-Jahren Anwendung als Leitermaterial in Gebäudeinstallationen – aufgrund ungeeigneter Klemmen kam es zu Ausfällen und sogar Bränden aufgrund sich lösender Kontakte. Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher.
    Vorübergehend gab es für Hausinstallationen sogenannte Alcu-Kabel, bei diesen sollte eine Verkupferung der Aluminiumadern zu besserer Kontaktgabe führen – das Kriechen beim hohen Kontaktdruck einer Schraubklemme konnte jedoch auch dadurch nicht beseitigt werden.
    Hervorzuheben ist das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz von Legierungsbestandteilen, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine stark absinkende Leitfähigkeit zeigt.
    Aluminium wird daher nicht nur zu Stromschienen in Umspannwerken, sondern auch zu stromführenden Gussteilen verarbeitet.
    Aluminium wird auch in Überlandleitungen (Freileitungen) als Leitungsmaterial verwendet – die geringe Dichte ist hier ausschlaggebend. Kupferleitungen mit der gleichen Leitfähigkeit hätten zwar einen geringeren Querschnitt, jedoch etwa die doppelte Masse. Aus dem gleichen Grund werden im Airbus A380 ebenfalls Aluminiumkabel verwendet.
    Für Oberleitungen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet.
    Aluminium wird zur Fertigung von Kurzschlussläufern von Asynchronmotoren verwendet, indem deren Blechpakete umgossen werden.
  • Elektronik: Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein.
    Die Leiterbahnen integrierter Schaltkreise und von Leistungshalbleitern bestehen oft ebenfalls aus Aluminium.
    Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für Wärmeübertrager (Kühler), stranggepresste Kühlprofile und wärmeableitende Grundplatten verwendet (bei höherwertigen Kühlern wird allerdings wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit Kupfer eingesetzt).
    Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff.
    Aluminium wird zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.
  • Verpackung und Behälter: In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu Aluminiumfolie und weiteren Einwegartikeln verarbeitet. Durch Bedampfung lassen sich Folien mit einer 0,1–1 µm dünnen Schicht versehen, was eine hohe Barrierefunktion zur Folge hat. Außerdem werden Aluminiumfolien gerne in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise in Tetrapacks. Aus Aluminium werden auch Kochtöpfe sowie Reise- und Militär-Geschirr hergestellt. Die Aufbewahrung und Zubereitung von säurehaltigen Lebensmitteln in Aluminiumbehältern bzw. -folie ist problematisch, da es dabei lösliche Aluminiumsalze bildet, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Aluminiumschichten in Verpackungsmitteln werden daher häufig durch eine Kunststoffschicht geschützt.
    Aluminium wird für eine Vielzahl von Behältern und Gehäusen verarbeitet, da es sich gut durch Umformen bearbeiten lässt. Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht geschützt.
  • Optik und Lichttechnik: Aluminium wird aufgrund seines hohen Reflexionsgrades als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln, u. a. in Scannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und Spiegelreflexkameras eingesetzt. Es reflektiert im Gegensatz zu Silber auch Ultraviolettstrahlung. Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.
  • Weitere Anwendungen: Aluminium ist Bestandteil einer Lebensmittelfarbe (E173) und findet bei Überzügen von Zuckerwaren und zur Dekoration von Kuchen und feinen Backwaren Verwendung.
    Farbig eloxiert ist es Bestandteil vieler Dekorationsmaterialien wie Flitter, Geschenkbänder und Lametta. In Pulverform (Partikelgröße < 500 µm) ist Aluminium vor allem dann, wenn es nicht phlegmatisiert ist, aufgrund seiner großen Oberfläche sehr reaktiv. Aluminium reagiert dann mit Wasser unter Abgabe von Wasserstoff zu Aluminiumoxid. Aluminiumpulver und Aluminiumpasten werden auch zur Herstellung von Porenbeton eingesetzt. Ebenso ist es für die stark exotherme (bis zu 2500 °C) Thermit-Reaktion beim aluminothermischen Schweißen unerlässlich. Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub ist sehr gefährlich und entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst. Mischungen aus Aluminiumstaub und Luft sind stark explosiv. In der Raketentechnik besteht der Treibstoff von Feststoffraketen zu maximal 30 % aus Aluminiumpulver, das bei seiner Verbrennung viel Energie freisetzt.
  • Verarbeitungsverfahren: Aluminium wird meist legiert verwendet. Es gibt eine Vielzahl von Legierungen, die entweder gute Verformbarkeit oder gute Gießbarkeit und spanende Bearbeitbarkeit zeigen.
    Aluminium wird durch Gießen bzw. Umformen in Aluminiumgießereien nach folgenden Gießverfahren verarbeitet:
    - Sandguss
    - Strangguss
    - Druckguss bzw. Aluminiumdruckguss
    - Feinguss
    - Kokillenguss (ggf. mit Sandkern)
    - Bandguss
    - Sprühkompaktieren
    Hierbei werden Verfahren unterschieden, die der Herstellung (fast) fertiger Bauteile dienen (z. B. Sandguss, Druckguss, Feinguss) und solchen, die Rohmaterial für die Weiterverarbeitung zu Halbzeug wie Blechen und Strangpressprofilen liefern (z. B. Strangguss). Sprühkompaktieren und Bandguss nehmen eine Sonderstellung ein.
    Die Herstellung von Halbzeug oder Bauteilen geschieht aus Vormaterial wie z. B. Walzbarren, Blech oder Ronden durch Umformen:
    - Strangpressen
    - Walzen
    - Schmieden
    - Floatforming (Fließpressen)
    - Tiefziehen
    - Rollen
    Die spanende Bearbeitung birgt die Gefahr einer Aufbauschneide und erfordert spezielle Kühlschmiermittel. Aluminium kann daher auch nur mit speziellen Schleifscheiben geschliffen werden. Insbesondere die Bearbeitung von eloxierten Werkstücken erfordert harte Werkzeuge, um Verschleiß durch die harte Eloxalschicht zu vermeiden.

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen: Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Es tritt allerdings nicht gediegen auf, sondern nur in chemischen Verbindungen. Aluminium findet man in der Natur häufig in Alumosilikaten, wo es in der Kristallstruktur die Position von Silicium in Sauerstoff-Tetraedern einnimmt, als Bestandteil von z. B. Ton, Gneis und Granit.
Da es aus den Alumosilikaten aufgrund der Bindungsverhältnisse praktisch nicht isoliert werden kann, ist eine wirtschaftliche Gewinnung nur aus Bauxit möglich. Bauxit enthält ca. 60 Prozent Aluminiumhydroxid (Al(OH)3 und AlO(OH)), ca. 30 Prozent Eisenoxid (Fe2O3), und Siliziumoxid (SiO2).
In seltener Form ist Aluminiumoxid in Korund, bekannt als Rubin und Saphir, vorhanden. Die rote oder blaue Farbe der Steine entsteht durch Verunreinigungen.
Bauxitvorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Guinea, Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien, Brasilien und den USA.

    Häufigkeit: 7,57 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)

    Geschichte

    Entdeckung: 1825

    Entdecker: Hans Christian Ørsted

    Isotope

    • 27Al (100 %, stabil, 14 Neutronen)

    Bilder (mit freundlicher Genehmigung von http://www.smart-elements.com):

    AluminiumAluminiumAluminiumAluminium

    Schalenmodell nach Bohr

    Aluminium

     
    hoch
    Bor
     
     
    links
    Magnesium
    Aluminium 
    rechts
    Silicium
     
    runter
    Gallium