Aluminium - Aluminium

Aluminium,  13 Al
Aluminium-4.jpg
Aluminium
Aussprache
alternativer Name Aluminium (USA, Kanada)
Aussehen silbergrau metallic
Standardatomgewicht A r, std (Al) 26.981 5384 (3)
Aluminium im Periodensystem
Wasserstoff Helium
Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon
Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon
Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon
Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europa Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Das Blei Wismut Polonium Astatin Radon
Francium Radium Aktinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Amerika Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Röntgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moskau Lebermorium Tennessine Oganesson
B

Al

Ga
MagnesiumAluminiumSilizium
Ordnungszahl ( Z ) 13
Gruppe Gruppe 13 (Borgruppe)
Zeitraum Periode 3
Block   p-Block
Elektronenkonfiguration [ Ne ] 3s 2 3p 1
Elektronen pro Schale 2, 8, 3
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP fest
Schmelzpunkt 933,47  K ​(660,32 °C, ​1220,58 °F)
Siedepunkt 2743 K ​(2470 °C, ​4478 °F)
Dichte (nahe  rt ) 2,70 g / cm 3
wenn flüssig (bei  mp ) 2,375 g / cm 3
Schmelzwärme 10,71  kJ/mol
Verdampfungswärme 284 kJ/mol
Molare Wärmekapazität 24,20 J/(mol·K)
Dampfdruck
P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
bei  T  (K) 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen −2, −1, +1, +2, +3 (ein  amphoteres Oxid)
Elektronegativität Pauling-Skala: 1.61
Ionisierungsenergien
Atomradius empirisch: 143  pm
Kovalenter Radius 121±16 Uhr
Van-der-Waals-Radius 184 Uhr
Farblinien in einem Spektralbereich
Spektrallinien aus Aluminium
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen urtümlich
Kristallstruktur kubisch-flächenzentrierten (fcc)
Flächenzentrierte kubische Kristallstruktur für Aluminium
Schallgeschwindigkeit dünner Stab (gerollt) 5000 m/s (bei  rt )
Wärmeausdehnung 23,1 µm/(m⋅K) (bei 25 °C)
Wärmeleitfähigkeit 237 W/(m⋅K)
Elektrischer widerstand 26,5 nm (bei 20 °C)
Magnetische Bestellung paramagnetisch
Molare magnetische Suszeptibilität +16,5 × 10 -6  cm 3 /mol
Elastizitätsmodul 70 GPa
Schubmodul 26 GPa
Schüttmodul 76 GPa
QUERKONTRAKTIONSZAHL 0,35
Mohs-Härte 2,75
Vickers-Härte 160–350 MPa
Brinellhärte 160–550 MPa
CAS-Nummer 7429-90-5
Geschichte
Benennung von Aluminium , veralteter Name für Aluminiumoxid
Vorhersage Antoine Lavoisier (1782)
Entdeckung Hans-Christian Ørsted (1824)
Benannt von Humphry Davy (1812)
Haupt Isotope von Aluminium
Isotop Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Decay-Modus Produkt
26 Al verfolgen 7,17 × 10 5  y β + 26 mg
ε 26 mg
γ
27 Al 100% stabil
Kategorie Kategorie: Aluminium
| Verweise

Aluminium ( Aluminium in amerikanischem und kanadischem Englisch ) ist ein chemisches Element mit dem Symbol  Al und der Ordnungszahl  13. Aluminium hat eine geringere Dichte als andere gewöhnliche Metalle , etwa ein Drittel der von Stahl . Es hat eine große Affinität zu Sauerstoff und bildet eine Schutzschicht aus Oxid auf der Oberfläche , wenn sie der Luft ausgesetzt. Aluminium ähnelt optisch Silber, sowohl in seiner Farbe als auch in seiner großen Fähigkeit, Licht zu reflektieren. Es ist weich, nicht magnetisch und duktil . Es hat ein stabiles Isotop, 27 Al; Dieses Isotop ist sehr verbreitet und macht Aluminium zum zwölfthäufigsten Element im Universum. Die Radioaktivität von 26 Al wird bei der Radiodatierung verwendet .

Aluminium ist chemisch gesehen ein schwaches Metall der Borgruppe ; wie für die Gruppe üblich, bildet Aluminium Verbindungen hauptsächlich in der Oxidationsstufe +3 . Die Aluminium - Kation Al 3+ ist klein und hoch belastet; als solches ist es polarisierend und Bindungen aus Aluminium neigen zur Kovalenz . Die starke Affinität zu Sauerstoff führt zu der üblichen Assoziation von Aluminium mit Sauerstoff in der Natur in Form von Oxiden; Aus diesem Grund kommt Aluminium auf der Erde vor allem in Gesteinen der Erdkruste vor , wo es nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element ist , und nicht im Erdmantel , und praktisch nie als freies Metall.

Die Entdeckung von Aluminium wurde 1825 vom dänischen Physiker Hans Christian Ørsted bekannt gegeben . Die erste industrielle Aluminiumproduktion wurde 1856 vom französischen Chemiker Henri Étienne Sainte-Claire Deville initiiert . Aluminium wurde der Öffentlichkeit mit dem Hall-Héroult-Verfahren, das 1886 unabhängig vom französischen Ingenieur Paul Héroult und dem amerikanischen Ingenieur Charles Martin Hall entwickelt wurde, viel zugänglicher. und die Massenproduktion von Aluminium führte zu seiner umfangreichen Verwendung in Industrie und Alltag. In Weltkriegen I und II , war Aluminium eine wichtige strategische Ressource für Luftfahrt . 1954 wurde Aluminium das meistproduzierte Nichteisenmetall und übertraf Kupfer . Im 21. Jahrhundert wurde in den Vereinigten Staaten, Westeuropa und Japan das meiste Aluminium für Transport, Technik, Bau und Verpackung verbraucht.

Trotz der Prävalenz in der Umgebung, ist kein lebender Organismus bekannt Aluminium zu verwenden Salze metabolisch , aber Aluminium und von Pflanzen und Tieren toleriert wird. Aufgrund der Fülle dieser Salze ist das Potenzial für eine biologische Rolle für sie von anhaltendem Interesse, und die Studien werden fortgesetzt.

Physikalische Eigenschaften

Isotope

Nur von Aluminiumisotopen 27
Al
ist stabil. Diese Situation ist bei Elementen mit ungerader Ordnungszahl üblich. Es ist das einzige urtümliche Aluminiumisotop, dh das einzige, das seit der Entstehung des Planeten in seiner jetzigen Form auf der Erde existiert. Fast das gesamte Aluminium auf der Erde liegt als dieses Isotop vor, was es zu einem mononuklidischen Element macht und bedeutet, dass sein Standardatomgewicht praktisch dem des Isotops entspricht. Dies macht Aluminium für die kernmagnetische Resonanz (NMR) sehr nützlich , da sein einzelnes stabiles Isotop eine hohe NMR-Empfindlichkeit aufweist. Das Standardatomgewicht von Aluminium ist im Vergleich zu vielen anderen Metallen niedrig,{{efn|Die meisten anderen Metalle haben höhere Standardatomgewichte: zum Beispiel beträgt das von Eisen 55,8; Kupfer 63,5; Leitung 207.2. was Konsequenzen für die Eigenschaften des Elements hat (siehe unten ).

Alle anderen Isotope von Aluminium sind radioaktiv . Das stabilste davon ist 26 Al : Während es zusammen mit stabilem 27 Al im interstellaren Medium, aus dem das Sonnensystem entstand, vorhanden war, da es auch durch stellare Nukleosynthese hergestellt wurde , beträgt seine Halbwertszeit nur 717.000 Jahre und ist damit eine nachweisbare Menge hat seit der Entstehung des Planeten nicht überlebt. Jedoch werden winzige Spuren von 26 Al aus Argon in der Atmosphäre durch Spallation erzeugt, die durch Protonen der kosmischen Strahlung verursacht wird . Das Verhältnis von 26 Al zu 10 Be wurde für die Radiodatierung geologischer Prozesse über 10 5 bis 10 6  Jahre Zeitskalen verwendet, insbesondere Transport, Ablagerung, Sedimentlagerung , Verschüttungszeiten und Erosion. Die meisten Meteoritenwissenschaftler glauben, dass die beim Zerfall von 26 Al freigesetzte Energie für das Schmelzen und Differenzieren einiger Asteroiden nach ihrer Entstehung vor 4,55 Milliarden Jahren verantwortlich war.

Die verbleibenden Isotope von Aluminium mit Massenzahlen von 22 bis 43 haben alle Halbwertszeiten von deutlich unter einer Stunde. Drei metastabile Zustände sind bekannt, alle mit Halbwertszeiten unter einer Minute.

Elektronenhülle

Ein Aluminiumatom hat 13 Elektronen, die in einer Elektronenkonfiguration von [ Ne ] 3s 2  3p 1 angeordnet sind , mit drei Elektronen jenseits einer stabilen Edelgaskonfiguration. Dementsprechend sind die kombinierten ersten drei Ionisierungsenergien von Aluminium viel niedriger als die vierte Ionisierungsenergie allein. Eine solche Elektronenkonfiguration wird mit den anderen gut charakterisierten Mitgliedern seiner Gruppe, Bor , Gallium , Indium und Thallium, geteilt ; es wird auch für Nihonium erwartet . Aluminium kann bei vielen chemischen Reaktionen relativ leicht seine drei äußersten Elektronen abgeben (siehe unten ). Die Elektronegativität von Aluminium beträgt 1,61 (Pauling-Skala).

M. Tunes & S. Pogatscher, Montanuniversität Leoben 2019 Keine Urheberrechte =)
Hochauflösende STEM - HAADF Mikroskopische Aufnahme von Al - Atome entlang der [001] -Zone Achse gesehen.

Ein freies Aluminiumatom hat einen Radius von 143  pm . Wenn die drei äußersten Elektronen entfernt werden, schrumpft der Radius auf 39 pm für ein 4-koordiniertes Atom oder 53.5 pm für ein 6-koordiniertes Atom. Bei Standardtemperatur und -druck bilden Aluminiumatome (wenn sie nicht von Atomen anderer Elemente beeinflusst werden) ein kubisch-flächenzentriertes Kristallsystem, das durch metallische Bindungen gebunden ist, die von den äußersten Elektronen der Atome bereitgestellt werden; daher ist Aluminium (unter diesen Bedingungen) ein Metall. Dieses Kristallsystem wird von vielen anderen Metallen wie Blei und Kupfer geteilt ; die Größe einer Elementarzelle aus Aluminium ist mit der dieser anderen Metalle vergleichbar. Das System wird jedoch nicht von den anderen Mitgliedern seiner Gruppe geteilt; Bor hat zu hohe Ionisierungsenergien, um eine Metallisierung zu ermöglichen, Thallium hat eine hexagonal dicht gepackte Struktur und Gallium und Indium haben ungewöhnliche Strukturen, die nicht dicht gepackt sind wie die von Aluminium und Thallium. Die wenigen Elektronen, die für die metallische Bindung im Aluminiummetall zur Verfügung stehen, sind wahrscheinlich eine Ursache dafür, dass es weich mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem spezifischen elektrischen Widerstand ist .

Schüttgut

Aluminiummetall hat je nach Oberflächenrauheit ein silberweißes bis mattgraues Aussehen . Ein frischer Aluminiumfilm dient als guter Reflektor (ca. 92%) des sichtbaren Lichts und als hervorragender Reflektor (bis zu 98%) der mittleren und fernen Infrarotstrahlung . Aluminiumspiegel sind die reflektierendsten aller Metallspiegel für das nahe ultraviolette und ferne Infrarotlicht und einer der reflektierendsten im sichtbaren Spektrum, fast gleichauf mit Silber, und die beiden sehen daher ähnlich aus. Aluminium reflektiert auch die Sonnenstrahlung gut , obwohl eine längere Einwirkung von Sonnenlicht in der Luft die Oberfläche des Metalls abnutzt; Dies kann verhindert werden, wenn Aluminium eloxiert wird , wodurch eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche entsteht.

Die Dichte von Aluminium beträgt 2,70 g/cm 3 , etwa 1/3 der von Stahl, viel niedriger als bei anderen häufig vorkommenden Metallen, wodurch Aluminiumteile durch ihre Leichtigkeit leicht erkennbar sind. Die geringe Dichte von Aluminium im Vergleich zu den meisten anderen Metallen ergibt sich aus der Tatsache, dass seine Kerne viel leichter sind, während der Unterschied in der Elementarzellengröße diesen Unterschied nicht ausgleicht. Die einzigen leichteren Metalle sind die Metalle der Gruppen 1 und 2 , die außer Beryllium und Magnesium zu reaktiv für den strukturellen Gebrauch sind (und Beryllium ist sehr giftig). Aluminium ist nicht so stark oder steif wie Stahl, aber die geringe Dichte macht dies in der Luft- und Raumfahrtindustrie und für viele andere Anwendungen, bei denen geringes Gewicht und relativ hohe Festigkeit entscheidend sind, wett.

Reines Aluminium ist ziemlich weich und mangelt es an Festigkeit. In den meisten Anwendungen werden stattdessen verschiedene Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer höheren Festigkeit und Härte verwendet. Die Streckgrenze von reinem Aluminium beträgt 7–11 MPa , während Aluminiumlegierungen Streckgrenzen von 200 MPa bis 600 MPa aufweisen. Aluminium ist duktil mit einer prozentualen Dehnung von 50-70% und formbar, so dass es leicht gezogen und extrudiert werden kann . Es lässt sich auch leicht bearbeiten und gießen .

Aluminium ist ein ausgezeichneter thermischer und elektrischer Leiter mit etwa 60 % der Leitfähigkeit von Kupfer , sowohl thermisch als auch elektrisch, während es nur 30 % der Kupferdichte aufweist. Aluminium ist zur Supraleitung fähig , mit einer kritischen Supraleitungstemperatur von 1,2 Kelvin und einem kritischen Magnetfeld von etwa 100 Gauss (10 Millitesla ). Es ist paramagnetisch und somit im Wesentlichen unbeeinflusst von statischen Magnetfeldern. Die hohe elektrische Leitfähigkeit führt jedoch dazu, dass sie von magnetischen Wechselfeldern durch die Induktion von Wirbelströmen stark beeinflusst wird .

Chemie

Aluminium vereint Eigenschaften von Vor- und Nachübergangsmetallen. Da es wie seine schwereren Kongeneren der Gruppe 13 nur wenige Elektronen für die Metallbindung zur Verfügung hat, hat es die charakteristischen physikalischen Eigenschaften eines Nachübergangsmetalls mit länger als erwarteten interatomaren Abständen. Da Al 3+ ein kleines und hoch geladenes Kation ist, ist es außerdem stark polarisierend und die Bindung in Aluminiumverbindungen neigt zur Kovalenz ; dieses Verhalten ähnelt dem von Beryllium (Be 2+ ), und die beiden zeigen ein Beispiel für eine diagonale Beziehung .

Der darunterliegende Kern unter der Valenzschale von Aluminium ist der des vorhergehenden Edelgases , während die seiner schwereren Artgenossen Gallium , Indium , Thallium und Nihonium auch eine gefüllte d-Unterschale und in einigen Fällen eine gefüllte f-Unterschale enthalten. Daher schirmen die inneren Elektronen von Aluminium die Valenzelektronen fast vollständig ab, im Gegensatz zu denen der schwereren Kongeneren von Aluminium. Als solches ist Aluminium das elektropositivste Metall seiner Gruppe, und sein Hydroxid ist tatsächlich basischer als das von Gallium. Aluminium trägt auch geringe Ähnlichkeiten mit dem Metalloid Bor in der gleichen Gruppe: AlX 3 Verbindungen sind Valenz isoelektronisch zu BX 3 Verbindungen (sie haben die gleiche Wertigkeit elektronische Struktur), und beide verhalten sich wie Lewis - Säuren und leicht bilden Addukte . Darüber hinaus sind regelmäßige ikosaedrische Strukturen eines der Hauptmotive der Borchemie , und Aluminium ist ein wichtiger Bestandteil vieler ikosaedrischer Quasikristalllegierungen , einschließlich der Al-Zn-Mg-Klasse.

Aluminium hat eine hohe chemische Affinität zu Sauerstoff, was es zur Verwendung als Reduktionsmittel bei der Thermit- Reaktion geeignet macht . Ein feines Pulver aus Aluminiummetall reagiert bei Kontakt mit flüssigem Sauerstoff explosionsartig ; Unter normalen Bedingungen bildet Aluminium jedoch eine dünne Oxidschicht (~5 nm bei Raumtemperatur), die das Metall vor weiterer Korrosion durch Sauerstoff, Wasser oder verdünnte Säure schützt, ein Prozess, der als Passivierung bezeichnet wird . Aufgrund seiner allgemeinen Korrosionsbeständigkeit ist Aluminium eines der wenigen Metalle, das in feiner Pulverform silbrig reflektiert und somit ein wichtiger Bestandteil von silberfarbenen Lacken ist. Aluminium wird aufgrund seiner Passivierung von oxidierenden Säuren nicht angegriffen. Dies ermöglicht die Verwendung von Aluminium zur Aufbewahrung von Reagenzien wie Salpetersäure , konzentrierter Schwefelsäure und einigen organischen Säuren.

In heißer konzentrierter Salzsäure reagiert Aluminium mit Wasser unter Wasserstoffentwicklung und in wässriger Natronlauge oder Kalilauge bei Raumtemperatur zu Aluminaten - eine schützende Passivierung ist unter diesen Bedingungen vernachlässigbar. Königswasser löst auch Aluminium auf. Aluminium wird durch gelöste Chloride wie gewöhnliches Natriumchlorid korrodiert , weshalb Haushaltsleitungen niemals aus Aluminium hergestellt werden. Die Oxidschicht auf Aluminium wird auch durch Kontakt mit Quecksilber aufgrund von Amalgamierung oder mit Salzen einiger elektropositiver Metalle zerstört. Daher sind die stärksten Aluminiumlegierungen aufgrund galvanischer Reaktionen mit legiertem Kupfer weniger korrosionsbeständig , und die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium wird durch wässrige Salze stark verringert, insbesondere in Gegenwart unterschiedlicher Metalle.

Aluminium reagiert beim Erhitzen mit den meisten Nichtmetallen und bildet Verbindungen wie Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumsulfid (Al 2 S 3 ) und die Aluminiumhalogenide (AlX 3 ). Es bildet auch eine breite Palette von intermetallischen Verbindungen, an denen Metalle aus jeder Gruppe des Periodensystems beteiligt sind.

Anorganische Verbindungen

Die allermeisten Verbindungen, darunter alle aluminiumhaltigen Mineralien und alle kommerziell bedeutsamen Aluminiumverbindungen, weisen Aluminium in der Oxidationsstufe 3+ auf. Die Koordinationszahl solcher Verbindungen variiert, aber im Allgemeinen ist Al 3+ entweder sechs- oder vierfach koordiniert. Fast alle Verbindungen von Aluminium(III) sind farblos.

Aluminiumhydrolyse als Funktion des pH-Wertes. Koordinierte Wassermoleküle entfallen. (Daten von Baes und Mesmer)

In wässriger Lösung liegt Al 3+ als Hexaaqua-Kation [Al(H 2 O) 6 ] 3+ mit einem ungefähren K a von 10 −5 vor . Solche Lösungen sind sauer, da dieses Kation als Protonendonor wirken und nach und nach hydrolysieren kann, bis sich ein Niederschlag von Aluminiumhydroxid , Al(OH) 3 bildet. Dies ist zur Klärung von Wasser nützlich , da der Niederschlag an Schwebeteilchen im Wasser nukleiert und diese so entfernt. Eine weitere Erhöhung des pH-Wertes führt dazu, dass sich das Hydroxid wieder auflöst, als Aluminat , [Al(H 2 O) 2 (OH) 4 ] , entsteht.

Aluminiumhydroxid bildet sowohl Salze als auch Aluminate und löst sich in Säure und Alkali sowie beim Schmelzen mit sauren und basischen Oxiden. Dieses Verhalten von Al(OH) 3 wird als Amphoterismus bezeichnet und ist charakteristisch für schwach basische Kationen, die unlösliche Hydroxide bilden und deren hydratisierte Spezies auch ihre Protonen abgeben können. Ein Effekt davon ist, dass Aluminiumsalze mit schwachen Säuren in Wasser zum aquatischen Hydroxid und dem entsprechenden Nichtmetallhydrid hydrolysiert werden: Aluminiumsulfid beispielsweise liefert Schwefelwasserstoff . Einige Salze wie Aluminiumcarbonat existieren jedoch in wässriger Lösung, sind jedoch als solche instabil; und bei Salzen mit starken Säuren, wie den Halogeniden, Nitrat und Sulfat, findet nur eine unvollständige Hydrolyse statt . Aus ähnlichen Gründen können wasserfreie Aluminiumsalze nicht durch Erhitzen ihrer "Hydrate" hergestellt werden: hydratisiertes Aluminiumchlorid ist tatsächlich nicht AlCl 3 ·6H 2 O, sondern [Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 , und die Al-O-Bindungen sind so stark, dass das Erhitzen nicht ausreicht, um sie zu brechen und stattdessen Al-Cl-Bindungen zu bilden:

2[Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 Wärme Al 2 O 3 + 6 HCl + 9 H 2 O

Alle vier Trihalogenide sind bekannt. Im Gegensatz zu den Strukturen der drei schwereren Trihalogenide weist Aluminiumfluorid (AlF 3 ) sechsfach koordiniertes Aluminium auf, was seine Unflüchtigkeit und Unlöslichkeit sowie seine hohe Bildungswärme erklärt . Jedes Aluminiumatom ist von sechs Fluoratomen in einer verzerrt oktaedrischen Anordnung umgeben, wobei sich jedes Fluoratom auf die Ecken zweier Oktaeder verteilt. Solche {AlF 6 }-Einheiten existieren auch in komplexen Fluoriden wie Kryolith , Na 3 AlF 6 . AlF 3 schmilzt bei 1.290 °C (2.354 °F) und wird durch Reaktion von Aluminiumoxid mit Fluorwasserstoffgas bei 700 °C (1.300 °F) hergestellt.

Bei schwereren Halogeniden sind die Koordinationszahlen niedriger. Die anderen Trihalogenide sind dimer oder polymer mit tetraedrischen vierfach koordinierten Aluminiumzentren. Aluminiumtrichlorid (AlCl 3 ) hat eine geschichtete Polymerstruktur unterhalb seines Schmelzpunkts von 192,4 ° C (378 ° F), wandelt sich jedoch beim Schmelzen in Al 2 Cl 6 -Dimere um. Bei höheren Temperaturen dissoziieren diese zunehmend in trigonal-planare AlCl 3 -Monomere ähnlich der Struktur von BCl 3 . Aluminiumtribromid und Aluminiumtriiodid bilden in allen drei Phasen Al 2 X 6 -Dimere und zeigen daher keine so signifikanten Eigenschaftsänderungen bei Phasenänderung. Diese Materialien werden hergestellt, indem Aluminiummetall mit dem Halogen behandelt wird. Die Aluminiumtrihalogenide bilden viele Additionsverbindungen oder Komplexe; ihre Lewis-saure Natur macht sie als Katalysatoren für Friedel-Crafts-Reaktionen nützlich . Aluminiumtrichlorid hat große industrielle Anwendungen, die diese Reaktion beinhalten, wie beispielsweise bei der Herstellung von Anthrachinonen und Styrol ; es wird auch häufig als Vorläufer für viele andere Aluminiumverbindungen und als Reagens zur Umwandlung von Nichtmetallfluoriden in die entsprechenden Chloride (eine Transhalogenierungsreaktion ) verwendet.

Aluminium bildet ein stabiles Oxid mit der chemischen Formel Al 2 O 3 , allgemein als Aluminiumoxid bezeichnet . Es kommt in der Natur im Mineral Korund , α-Aluminiumoxid vor; es gibt auch eine γ-Aluminiumoxid-Phase. Seine kristalline Form, Korund , ist sehr hart ( Mohs-Härte 9), hat einen hohen Schmelzpunkt von 2.045 °C (3.713 °F), hat eine sehr geringe Flüchtigkeit, ist chemisch inert und ein guter elektrischer Isolator, es wird oft verwendet in Schleifmittel (wie Zahnpasta), als feuerfestes Material und in Keramik sowie als Ausgangsmaterial für die elektrolytische Herstellung von Aluminiummetall. Saphir und Rubin sind unreiner Korund, der mit Spuren anderer Metalle verunreinigt ist. Die beiden Hauptoxid-Hydroxide AlO(OH) sind Böhmit und Diaspor . Es gibt drei Haupttrihydroxide: Bayerit , Gibbsit und Nordstrandit , die sich in ihrer kristallinen Struktur ( Polymorphe ) unterscheiden. Viele andere Zwischen- und verwandte Strukturen sind ebenfalls bekannt. Die meisten werden aus Erzen durch eine Vielzahl von Nassprozessen unter Verwendung von Säure und Base hergestellt. Das Erhitzen der Hydroxide führt zur Bildung von Korund. Diese Materialien sind für die Aluminiumherstellung von zentraler Bedeutung und selbst äußerst nützlich. Einige Mischoxidphasen sind ebenfalls sehr nützlich, wie Spinell (MgAl 2 O 4 ), Na-β-Aluminiumoxid (NaAl 11 O 17 ) und Tricalciumaluminat (Ca 3 Al 2 O 6 , eine wichtige Mineralphase in Portlandzement ). .

Die einzigen stabilen Chalkogenide unter normalen Bedingungen sind Aluminiumsulfid (Al 2 S 3 ), Selenid (Al 2 Se 3 ) und Tellurid (Al 2 Te 3 ). Alle drei werden durch direkte Reaktion ihrer Elemente bei etwa 1.000 °C (1.800 °F) hergestellt und hydrolysieren schnell vollständig in Wasser, um Aluminiumhydroxid und den entsprechenden Hydrogenchalkogenid zu ergeben . Da Aluminium ein kleines Atom relativ zu diesem Chalkogene ist, haben diese tetraedrischen Aluminium mit verschiedenen Polymorphe-vier Koordinaten Strukturen im Zusammenhang mit Wurtzit , besetzt mit zwei Dritteln der möglichen Metallstellen entweder in einer geordneten (α) oder zufällig (β) Art und Weise ; das Sulfid hat auch eine -Form, die mit γ-Aluminiumoxid verwandt ist, und eine ungewöhnliche hexagonale Hochtemperaturform, bei der die Hälfte der Aluminiumatome eine tetraedrische Vierfachkoordination und die andere Hälfte eine trigonal-bipyramidale Fünffachkoordination hat.

Vier PniktideAluminiumnitrid (AlN), Aluminiumphosphid (AlP), Aluminiumarsenid (AlAs) und Aluminiumantimonid (AlSb) – sind bekannt. Sie sind alle III-V-Halbleiter isoelektronisch zu Silizium und Germanium , die alle außer AlN die Zinkblendestruktur haben. Alle vier können durch direkte Hochtemperatur- (und möglicherweise Hochdruck-)Reaktion ihrer Bestandteile hergestellt werden.

Aluminiumlegierungen mit den meisten anderen Metallen (mit Ausnahme der meisten Alkalimetalle und Metalle der Gruppe 13) und über 150 intermetallische Verbindungen mit anderen Metallen sind bekannt. Die Vorbereitung beinhaltet das Zusammenheizen fester Metalle in einem bestimmten Verhältnis, gefolgt von allmählichem Abkühlen und Glühen . Die Bindung in ihnen ist überwiegend metallisch und die Kristallstruktur hängt hauptsächlich von der Effizienz der Packung ab.

Es gibt nur wenige Verbindungen mit niedrigeren Oxidationsstufen. Einige Aluminium(I) -Verbindungen existieren: AlF, AlCl, AlBr und AlI liegen in der Gasphase beim Erhitzen des jeweiligen Trihalogenids mit Aluminium und bei kryogenen Temperaturen vor. Ein stabiles Derivat von Aluminiummonoiodid ist das mit Triethylamin gebildete cyclische Addukt Al 4 I 4 (NEt 3 ) 4 . Al 2 O und Al 2 S existieren ebenfalls, sind jedoch sehr instabil. Bei den Reaktionen von Al-Metall mit Oxidationsmitteln werden sehr einfache Aluminium(II)-Verbindungen aufgerufen oder beobachtet. Beispielsweise wurde Aluminiummonoxid , AlO, in der Gasphase nach der Explosion und in stellaren Absorptionsspektren nachgewiesen. Genauer untersucht sind Verbindungen der Formel R 4 Al 2 , die eine Al-Al-Bindung enthalten und bei denen R ein großer organischer Ligand ist .

Organoaluminiumverbindungen und verwandte Hydride

Struktur von Trimethylaluminium , einer Verbindung mit fünffach koordiniertem Kohlenstoff.

Es gibt eine Vielzahl von Verbindungen der Summenformel AlR 3 und AlR 1,5 Cl 1,5 . Die Aluminiumtrialkyle und -triaryle sind reaktive, flüchtige und farblose Flüssigkeiten oder niedrig schmelzende Feststoffe. Sie fangen an der Luft spontan Feuer und reagieren mit Wasser, so dass Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit ihnen erforderlich sind. Sie bilden im Gegensatz zu ihren Boranaloga oft Dimere, aber diese Tendenz nimmt für verzweigtkettige Alkyle (zB Pr i , Bu i , Me 3 CCH 2 ) ab; beispielsweise Triisobutylaluminium existiert als eine Gleichgewichtsmischung des Monomers und Dimers. Diese Dimere, wie Trimethylaluminium (Al 2 Me 6 ), weisen normalerweise tetraedrische Al-Zentren auf, die durch Dimerisierung gebildet werden, wobei eine gewisse Alkylgruppe zwischen beiden Aluminiumatomen verbrückt wird. Sie sind harte Säuren und reagieren leicht mit Liganden unter Bildung von Addukten. In der Industrie werden sie hauptsächlich in Alken-Insertionsreaktionen verwendet, wie von Karl Ziegler entdeckt , vor allem in "Wachstumsreaktionen", die langkettige unverzweigte primäre Alkene und Alkohole bilden, und in der Niederdruckpolymerisation von Ethen und Propen . Es gibt auch einige heterocyclische und Cluster-Organoaluminiumverbindungen mit Al-N-Bindungen.

Das technisch bedeutendste Aluminiumhydrid ist Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH 4 ), das in der organischen Chemie als Reduktionsmittel eingesetzt wird . Es kann aus Lithiumhydrid und Aluminiumtrichlorid hergestellt werden . Das einfachste Hydrid, Aluminiumhydrid oder Alan, ist nicht so wichtig. Es ist ein Polymer mit der Formel (AlH 3 ) n , im Gegensatz zum entsprechenden Borhydrid, das ein Dimer mit der Formel (BH 3 ) 2 ist .

Natürliches Vorkommen

Platz

Die Häufigkeit von Aluminium pro Partikel im Sonnensystem beträgt 3,15 ppm (parts per million). Es ist das zwölfthäufigste aller Elemente und das dritthäufigste unter den Elementen mit ungerader Ordnungszahl nach Wasserstoff und Stickstoff. Das einzige stabile Isotop von Aluminium, 27 Al, ist der achtzehnhäufigste Kern im Universum. Es entsteht fast ausschließlich nach der Fusion von Kohlenstoff in massereichen Sternen, die später zu Supernovae vom Typ II werden : Diese Fusion erzeugt 26 Mg, die beim Einfangen freier Protonen und Neutronen zu Aluminium werden. Einige kleinere Mengen von 27 Al werden in Wasserstoff brennenden Schalen entwickelter Sterne erzeugt, in denen 26 Mg freie Protonen einfangen kann. Im Wesentlichen besteht das gesamte jetzt existierende Aluminium aus 27 Al. 26 Al war im frühen Sonnensystem mit einer Häufigkeit von 0,005% im Vergleich zu 27 Al vorhanden, aber seine Halbwertszeit von 728.000 Jahren ist zu kurz, als dass die ursprünglichen Kerne überleben könnten; 26 Al ist daher ausgestorben . Anders als bei 27 Al ist die Wasserstoffverbrennung die primäre Quelle von 26 Al, wobei das Nuklid austritt, nachdem ein Kern von 25 Mg ein freies Proton einfängt. Die vorhandenen Spuren von 26 Al sind jedoch die häufigsten Gammastrahlen- Emitter im interstellaren Gas ; wären die ursprünglichen 26 Al noch vorhanden, wären die Gammastrahlenkarten der Milchstraße heller.

Erde

Bauxit , ein bedeutendes Aluminiumerz. Die rotbraune Farbe ist auf das Vorhandensein von Eisenoxidmineralien zurückzuführen .

Insgesamt besteht die Erde zu etwa 1,59 % aus Aluminium (ein siebter Massenanteil). Aluminium kommt in der Erdkruste in größeren Mengen vor als im gesamten Universum, weil Aluminium leicht das Oxid bildet und in Gesteine ​​gebunden wird und in der Erdkruste verbleibt , während weniger reaktive Metalle in den Kern sinken. In der Erdkruste ist Aluminium das am häufigsten vorkommende metallische Element (8,23 Masse-%) und das dritthäufigste aller Elemente (nach Sauerstoff und Silizium). Viele Silikate in der Erdkruste enthalten Aluminium. Im Gegensatz dazu besteht der Erdmantel nur aus 2,38 Masse-% Aluminium. Aluminium kommt auch im Meerwasser in einer Konzentration von 2 µg/kg vor.

Aufgrund seiner starken Affinität zu Sauerstoff kommt Aluminium fast nie im elementaren Zustand vor; stattdessen kommt es in Oxiden oder Silikaten vor. Feldspäte , die häufigste Mineralgruppe in der Erdkruste, sind Alumosilikate. Aluminium kommt auch in den Mineralien Beryll , Kryolith , Granat , Spinell und Türkis vor . Verunreinigungen in Al 2 O 3 wie Chrom und Eisen ergeben die Edelsteine Rubin bzw. Saphir . Natives Aluminiummetall ist extrem selten und kann nur als Nebenphase in Umgebungen mit geringer Sauerstoff- Fugazität gefunden werden, wie zum Beispiel im Inneren bestimmter Vulkane. Natives Aluminium wurde in kalten Quellen am nordöstlichen Kontinentalhang des Südchinesischen Meeres gemeldet . Es ist möglich, dass diese Ablagerungen durch bakterielle Reduktion von Tetrahydroxoaluminat Al(OH) 4 – entstanden sind .

Obwohl Aluminium ein häufiges und weit verbreitetes Element ist, sind nicht alle Aluminiummineralien wirtschaftlich vertretbare Quellen für das Metall. Fast das gesamte metallische Aluminium wird aus dem Erz Bauxit (AlO x (OH) 3–2 x ) hergestellt. Bauxit tritt als Verwitterungsprodukt von eisenarmem und silikatischem Grundgestein unter tropischen Klimabedingungen auf. Im Jahr 2017 wurde der größte Teil des Bauxits in Australien, China, Guinea und Indien abgebaut.

Geschichte

Friedrich Wöhler , der Chemiker, der erstmals das metallische elementare Aluminium gründlich beschrieb

Die Geschichte des Aluminiums wurde durch die Verwendung von Alaun geprägt . Die erste schriftliche Erwähnung von Alaun stammt vom griechischen Historiker Herodot und stammt aus dem 5. Jahrhundert v. Die Alten sind bekannt gebrauchte Alaun als Färben haben Beizmittel und für Stadtverteidigung. Nach den Kreuzzügen war Alaun, ein unverzichtbares Gut in der europäischen Stoffindustrie, Gegenstand des internationalen Handels; Bis Mitte des 15. Jahrhunderts wurde er aus dem östlichen Mittelmeerraum nach Europa importiert.

Die Natur des Alauns blieb unbekannt. Um 1530 schlug der Schweizer Arzt Paracelsus vor, Alaun sei ein Salz einer Alaunerde. 1595 bestätigte dies der deutsche Arzt und Chemiker Andreas Libavius experimentell. 1722 gab der deutsche Chemiker Friedrich Hoffmann seine Überzeugung bekannt, dass die Basis von Alaun eine eigene Erde sei. 1754 synthetisierte der deutsche Chemiker Andreas Sigismund Marggraf Aluminiumoxid durch Kochen von Ton in Schwefelsäure und anschließende Zugabe von Kali .

Versuche, Aluminiummetall herzustellen, gehen auf das Jahr 1760 zurück. Der erste erfolgreiche Versuch wurde jedoch 1824 vom dänischen Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted abgeschlossen . Er setzte wasserfreies Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam um , was einen zinnähnlichen Metallklumpen ergab. Er präsentierte seine Ergebnisse und demonstrierte 1825 eine Probe des neuen Metalls. 1827 wiederholte der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler Ørsteds Experimente, identifizierte jedoch kein Aluminium. (Der Grund für diese Inkonsistenz wurde erst 1921 entdeckt.) Er führte im selben Jahr ein ähnliches Experiment durch, indem er wasserfreies Aluminiumchlorid mit Kalium mischte und ein Aluminiumpulver herstellte. 1845 konnte er kleine Stücke des Metalls herstellen und beschrieb einige physikalische Eigenschaften dieses Metalls. Danach galt Wöhler noch viele Jahre als Entdecker des Aluminiums.

Die Statue des Anteros im Piccadilly Circus , London, wurde 1893 hergestellt und ist eine der ersten aus Aluminium gegossenen Statuen.

Da mit Wöhlers Methode keine großen Mengen an Aluminium gewonnen werden konnten, blieb das Metall selten; seine Kosten überstiegen die von Gold. Die erste industrielle Aluminiumproduktion wurde 1856 vom französischen Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville und seinen Gefährten gegründet. Deville hatte entdeckt, dass Aluminiumtrichlorid durch Natrium reduziert werden konnte, was praktischer und kostengünstiger war als Kalium, das Wöhler verwendet hatte. Selbst damals war Aluminium noch nicht von großer Reinheit und produziertes Aluminium mit unterschiedlichen Eigenschaften je nach Probe.

Das erste industrielle Großproduktionsverfahren wurde 1886 unabhängig voneinander vom französischen Ingenieur Paul Héroult und dem amerikanischen Ingenieur Charles Martin Hall entwickelt ; es ist heute als Hall-Héroult-Prozess bekannt . Der Hall-Héroult-Prozess wandelt Aluminiumoxid in Metall um. Der österreichische Chemiker Carl Joseph Bayer entdeckte 1889 eine Methode zur Reinigung von Bauxit zu Aluminiumoxid, die heute als Bayer-Verfahren bekannt ist. Die moderne Herstellung des Aluminiummetalls basiert auf dem Bayer- und dem Hall-Héroult-Verfahren.

Die Preise für Aluminium fielen und Aluminium wurde in den 1890er Jahren und im frühen 20. Jahrhundert häufig in Schmuck, Alltagsgegenständen, Brillengestellen, optischen Instrumenten, Geschirr und Folien verwendet . Die Fähigkeit von Aluminium, mit anderen Metallen harte und dennoch leichte Legierungen zu bilden, gab dem Metall zu dieser Zeit viele Verwendungsmöglichkeiten. Während des Ersten Weltkriegs forderten große Regierungen große Lieferungen von Aluminium für leichte, starke Flugzeugzellen; Während des Zweiten Weltkriegs war die Nachfrage der großen Regierungen nach der Luftfahrt sogar noch höher.

Mitte des 20. Jahrhunderts war Aluminium aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken und ein wesentlicher Bestandteil von Haushaltswaren. Im Jahr 1954 übertraf die Aluminiumproduktion die von Kupfer , historisch gesehen nur nach Eisen an zweiter Stelle, was es zum meistproduzierten Nichteisenmetall machte . In der Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich Aluminium als Baustoff im Bauwesen mit Bauanwendungen sowohl im Grundbau als auch im Innenausbau und wird zunehmend in der Militärtechnik sowohl für Flugzeuge als auch für Landpanzermotoren verwendet. Der erste künstliche Satellit der Erde , der 1957 gestartet wurde, bestand aus zwei separaten Aluminiumhalbkugeln, die miteinander verbunden waren, und alle nachfolgenden Raumfahrzeuge verwendeten in gewissem Maße Aluminium. Die Aluminiumdose wurde 1956 erfunden und 1958 als Getränkeaufbewahrung eingesetzt.

Weltproduktion von Aluminium seit 1900

Im Laufe des 20. Jahrhunderts stieg die Aluminiumproduktion rapide an: Während die Weltproduktion von Aluminium im Jahr 1900 6.800 Tonnen betrug, überstieg die Jahresproduktion 1916 erstmals 100.000 Tonnen; 1.000.000 Tonnen im Jahr 1941; 10.000.000 Tonnen im Jahr 1971. In den 1970er Jahren machte die gestiegene Nachfrage nach Aluminium es zu einem Tauschprodukt; 1978 trat es in die London Metal Exchange , die älteste industrielle Metallbörse der Welt, ein. Die Produktion nahm weiter zu: Die Jahresproduktion von Aluminium überstieg 2013 50.000.000 Tonnen.

Der reale Preis für Aluminium sank von 14.000 USD pro Tonne im Jahr 1900 auf 2.340 USD im Jahr 1948 (1998 in US-Dollar). Die Gewinnungs- und Verarbeitungskosten wurden aufgrund des technologischen Fortschritts und der Größe der Volkswirtschaften gesenkt. Die Notwendigkeit, minderwertigere Lagerstätten mit geringerer Qualität zu erschließen, und die Verwendung schnell steigender Inputkosten (vor allem Energie) erhöhten jedoch die Nettokosten von Aluminium; der reale Preis begann in den 1970er Jahren mit dem Anstieg der Energiekosten zu steigen. Die Produktion verlagerte sich aus den Industrieländern in Länder, in denen die Produktion billiger war. Die Produktionskosten im späten 20. Jahrhundert änderten sich aufgrund von technologischen Fortschritten, niedrigeren Energiepreisen, Wechselkursen des US-Dollars und Aluminiumoxidpreisen. Der gemeinsame Anteil der BRIC- Staaten an Primärproduktion und Primärverbrauch ist im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts erheblich gestiegen. China akkumuliert dank Ressourcenreichtum, billiger Energie und staatlicher Anreize einen besonders großen Anteil an der Weltproduktion; Außerdem erhöhte es seinen Verbrauchsanteil von 2 % im Jahr 1972 auf 40 % im Jahr 2010. In den Vereinigten Staaten, Westeuropa und Japan wurde das meiste Aluminium in den Bereichen Transport, Maschinenbau, Bauwesen und Verpackung verbraucht.

Etymologie

Die Namen Aluminium und Aluminium leiten sich von dem Wort Aluminium ab , einem veralteten Begriff für Aluminiumoxid , ein natürlich vorkommendes Aluminiumoxid . Aluminium wurde aus dem Französischen entlehnt, das es wiederum von alumen ableitete , dem klassischen lateinischen Namen für Alaun , dem Mineral, aus dem es gewonnen wurde. Das lateinische Wort alumen leitet sich von der proto-indoeuropäischen Wurzel * alu ab, was "bitter" oder "Bier" bedeutet.

1897 Amerikanische Werbung mit der Aluminium- Schreibweise

Prägung

Der britische Chemiker Humphry Davy , der eine Reihe von Experimenten zur Isolierung des Metalls durchführte, gilt als die Person, die das Element benannt hat. Der erste Name, der für das aus Alaun zu isolierende Metall vorgeschlagen wurde , war Alumium , den Davy 1808 in einem Artikel über seine elektrochemischen Forschungen vorschlug, der in Philosophical Transactions of the Royal Society veröffentlicht wurde . Es schien, dass der Name aus dem englischen Wort alaun und dem lateinischen Suffix -ium geprägt wurde ; Allerdings war es zu dieser Zeit üblich, dass die Elemente Namen aus der lateinischen Sprache tragen sollten, und als solche wurde dieser Name nicht universell übernommen. Dieser Name wurde von zeitgenössischen Chemikern aus Frankreich, Deutschland und Schweden kritisiert, die darauf bestanden, dass das Metall nach dem Oxid Aluminiumoxid benannt werden sollte, aus dem es isoliert würde. Das englische Wort Name Alaun bezieht sich nicht direkt auf die lateinische Sprache, während alumine / Aluminiumoxid leicht das lateinische Wort verweist alumen (auf Deklination , alumen Änderungen an Alumi- ).

Ein Beispiel war eine französische Schrift des schwedischen Chemikers Jöns Jacob Berzelius mit dem Titel Essai sur la Nomenclature chimique , die im Juli 1811 veröffentlicht wurde; in diesem Aufsatz verwendete Berzelius unter anderem den Namen Aluminium für das Element, das aus Alaun synthetisiert werden sollte. (Ein anderer Artikel in derselben Zeitschriftenausgabe bezieht sich auch auf das Metall, dessen Oxid die Basis von Saphir als Aluminium bildet .) Eine Zusammenfassung einer von Davys Vorlesungen in der Royal Society vom Januar 1811 erwähnte den Namen Aluminium als eine Möglichkeit. Im folgenden Jahr veröffentlichte Davy ein Chemielehrbuch, in dem er die Schreibweise Aluminium verwendete . Beide Schreibweisen existieren seitdem nebeneinander; Ihre Verwendung hat sich jedoch nach Regionen aufgeteilt: Aluminium ist die primäre Schreibweise in den Vereinigten Staaten und Kanada, während Aluminium im Rest der englischsprachigen Welt verwendet wird.

Rechtschreibung

Im Jahr 1812 schrieb der britische Wissenschaftler Thomas Young eine anonyme Rezension zu Davys Buch, in der er den Namen Aluminium anstelle von Aluminium vorschlug , das seiner Meinung nach einen "weniger klassischen Klang" hatte. Dieser Name setzte sich durch: Während in Großbritannien gelegentlich die Schreibweise -um verwendet wurde, verwendete die amerikanische Wissenschaftssprache von Anfang an -ium . Die meisten Wissenschaftler verwendeten im 19. Jahrhundert auf der ganzen Welt -ium , und es war in vielen anderen europäischen Sprachen wie Französisch , Deutsch oder Niederländisch verankert . Im Jahr 1828 verwendete der amerikanische Lexikograph Noah Webster in seinem American Dictionary of the English Language ausschließlich die Aluminium- Schreibweise . In den 1830er Jahren begann die Schreibweise -um in den Vereinigten Staaten Verwendung zu finden; in den 1860er Jahren war es die gebräuchlichere Schreibweise außerhalb der Wissenschaft. Im Jahr 1892 verwendete Hall die Schreibweise -um in seinem Werbeblatt für sein neues elektrolytisches Verfahren zur Herstellung des Metalls, obwohl er die Schreibweise -ium in allen Patenten, die er zwischen 1886 und 1903 einreichte , ständig verwendet . Es bleibt unbekannt, ob diese Schreibweise war versehentlich oder absichtlich eingeführt; Hall bevorzugte jedoch seit seiner Einführung Aluminium , da es Platin ähnelte , der Name eines prestigeträchtigen Metalls. Bis 1890 waren beide Schreibweisen in den USA insgesamt üblich, wobei die -ium- Schreibweise etwas häufiger war; 1895 hatte sich die Situation umgekehrt; um 1900 war Aluminium doppelt so verbreitet wie Aluminium ; während des folgenden Jahrzehnts dominierte die Schreibweise -um den amerikanischen Gebrauch. 1925 übernahm die American Chemical Society diese Schreibweise.

Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) übernahm 1990 Aluminium als internationale Standardbezeichnung für das Element. 1993 erkannte sie Aluminium als akzeptable Variante an; die neueste Ausgabe 2005 der IUPAC-Nomenklatur für anorganische Chemie erkennt diese Schreibweise ebenfalls an. Offizielle Veröffentlichungen der IUPAC verwenden die -ium- Schreibweise als primäre Schreibweise, führen aber gegebenenfalls beide auf.

Produktion und Veredelung

Die Herstellung von Aluminium beginnt mit der Gewinnung von Bauxitgestein aus dem Boden. Der Bauxit wird verarbeitet und mit dem Bayer-Verfahren zu Aluminiumoxid umgewandelt , das dann nach dem Hall-Héroult-Verfahren verarbeitet wird , was zum endgültigen Aluminiummetall führt.

Die Aluminiumproduktion ist sehr energieaufwändig, daher neigen die Hersteller dazu, Schmelzhütten an Orten anzusiedeln, an denen Strom reichlich und kostengünstig verfügbar ist. Ab 2019, der weltweit größten Schmelzer aus Aluminium befindet sich in China, Indien, Russland, Kanada und den Vereinigten Arabischen Emiraten, während China der mit Abstand größte Produzent von Aluminium mit einem Weltanteil von fünfundfünfzig Prozent.

Laut dem Metal Stocks in Society-Bericht des International Resource Panel beträgt der weltweite Pro-Kopf- Bestand an Aluminium in der Gesellschaft (dh in Autos, Gebäuden, Elektronik usw.) 80 kg (180 lb). Ein Großteil davon befindet sich in stärker entwickelten Ländern (350–500 kg (770–1.100 lb) pro Kopf) und nicht in weniger entwickelten Ländern (35 kg (77 lb) pro Kopf).

Bayer-Verfahren

Bauxit wird nach dem Bayer-Verfahren in Aluminiumoxid umgewandelt. Bauxit wird für eine einheitliche Zusammensetzung gemischt und dann gemahlen. Die resultierende Aufschlämmung wird mit einer heißen Lösung von Natriumhydroxid gemischt ; Die Mischung wird dann in einem Kocherbehälter bei einem Druck weit über dem Atmosphärendruck behandelt, wobei das Aluminiumhydroxid in Bauxit gelöst wird, während Verunreinigungen in relativ unlösliche Verbindungen umgewandelt werden:

Al(OH) 3 + Na + + OH → Na + + [Al(OH) 4 ]

Nach dieser Reaktion hat die Aufschlämmung eine Temperatur über ihrem atmosphärischen Siedepunkt. Es wird durch Entfernen von Dampf gekühlt, wenn der Druck verringert wird. Der Bauxitrückstand wird von der Lösung abgetrennt und verworfen. Die feststofffreie Lösung wird mit kleinen Kristallen von Aluminiumhydroxid angeimpft; dies führt zur Zersetzung der [Al(OH) 4 ] -Ionen zu Aluminiumhydroxid. Nachdem etwa die Hälfte des Aluminiums ausgefällt ist, wird die Mischung zu Sichtern geschickt. Kleine Kristalle von Aluminiumhydroxid werden gesammelt, um als Impfmittel zu dienen; grobe Partikel werden durch Erhitzen in Aluminiumoxid umgewandelt; die überschüssige Lösung wird durch Eindampfen entfernt, (falls erforderlich) gereinigt und recycelt.

Hall-Heroult-Prozess

Strangpressknüppel aus Aluminium

Die Umwandlung von Aluminiumoxid in Aluminiummetall wird durch das Hall-Héroult-Verfahren erreicht . In diesem energieintensiver Prozess wird eine Lösung von Aluminiumoxid in einem geschmolzenen (950 und 980 ° C (1.740 und 1.800 ° F)) Mischung von Kryolith (Na 3 AlF 6 ) mit Calciumfluorid wird elektrolysiert metallisches Aluminium zu produzieren. Das flüssige Aluminiummetall sinkt auf den Boden der Lösung und wird abgezapft und in der Regel zur Weiterverarbeitung in große Blöcke, sogenannte Aluminiumknüppel , gegossen .

Anoden der Elektrolysezelle bestehen aus Kohlenstoff – dem widerstandsfähigsten Material gegen Fluoridkorrosion – und werden entweder beim Prozess gebacken oder vorgebrannt. Erstere, auch Söderberg-Anoden genannt, sind weniger energieeffizient und die beim Backen freigesetzten Dämpfe sind teuer in der Sammlung, weshalb sie durch vorgebackene Anoden ersetzt werden, obwohl sie Strom, Energie und Arbeit zum Vorbacken der Kathoden sparen. Kohlenstoff für Anoden sollte möglichst rein sein, damit weder Aluminium noch der Elektrolyt mit Asche verunreinigt werden. Trotz der Korrosionsbeständigkeit von Kohlenstoff wird dieser immer noch in einer Menge von 0,4–0,5 kg pro Kilogramm produziertem Aluminium verbraucht. Kathoden sind aus Anthrazit ; eine hohe Reinheit ist für sie nicht erforderlich, da Verunreinigungen nur sehr langsam ausgewaschen werden. Die Kathode wird mit einer Rate von 0,02–0,04 kg pro Kilogramm produziertem Aluminium verbraucht. Eine Zelle wird in der Regel nach 2–6 Jahren nach einem Ausfall der Kathode beendet.

Das Hall-Heroult-Verfahren erzeugt Aluminium mit einer Reinheit von über 99%. Eine weitere Reinigung kann nach dem Hoopes-Verfahren erfolgen . Dieses Verfahren beinhaltet die Elektrolyse von geschmolzenem Aluminium mit einem Natrium-, Barium- und Aluminiumfluorid-Elektrolyten. Das resultierende Aluminium hat eine Reinheit von 99,99%.

Strom macht je nach Standort der Schmelze etwa 20 bis 40 % der Kosten der Aluminiumproduktion aus. Die Aluminiumproduktion verbraucht etwa 5 % des in den USA erzeugten Stroms. Aus diesem Grund wurden Alternativen zum Hall-Héroult-Verfahren erforscht, aber keine hat sich als wirtschaftlich machbar erwiesen.

Recycling

Gemeinsame Behälter für wiederverwertbaren Abfall zusammen mit einem Behälter für nicht recycelbaren Abfall. Der Behälter mit gelbem Deckel ist mit "Aluminium" beschriftet. Rhodos, Griechenland.

Die Rückgewinnung des Metalls durch Recycling ist zu einer wichtigen Aufgabe der Aluminiumindustrie geworden. Recycling war bis in die späten 1960er Jahre eine unauffällige Aktivität, als die zunehmende Verwendung von Getränkedosen aus Aluminium es ins öffentliche Bewusstsein brachte. Beim Recycling wird der Schrott geschmolzen, ein Prozess, der nur 5 % der Energie benötigt, um Aluminium aus Erzen zu gewinnen, obwohl ein erheblicher Teil (bis zu 15 % des Inputmaterials) als Schlacke (ascheähnliches Oxid) verloren geht. Ein Aluminium-Stapelschmelzer produziert deutlich weniger Krätze, mit Werten unter 1 %.

Weiße Krätze aus der Primäraluminiumproduktion und aus Sekundärrecyclingprozessen enthält noch nützliche Mengen an Aluminium, die industriell gewonnen werden können . Das Verfahren produziert Aluminiumknüppel zusammen mit einem hochkomplexen Abfallmaterial. Dieser Abfall ist schwer zu handhaben. Es reagiert mit Wasser und setzt ein Gasgemisch frei (ua Wasserstoff , Acetylen und Ammoniak ), das sich bei Kontakt mit Luft spontan entzündet; Kontakt mit feuchter Luft führt zur Freisetzung großer Mengen von Ammoniakgas. Trotz dieser Schwierigkeiten wird der Abfall als Füllstoff in Asphalt und Beton verwendet .

Anwendungen

Austin A40 Sports mit Aluminiumkarosserie (ca. 1951)

Metall

Die weltweite Aluminiumproduktion betrug im Jahr 2016 58,8 Millionen Tonnen. Es übertraf das aller anderen Metalle außer Eisen (1.231 Millionen Tonnen).

Aluminium ist fast immer legiert, was seine mechanischen Eigenschaften, insbesondere im angelassenen Zustand, deutlich verbessert . Die gängigen Aluminiumfolien und Getränkedosen sind beispielsweise Legierungen aus 92% bis 99% Aluminium. Die wichtigsten Legierungsmittel sind Kupfer , Zink , Magnesium , Mangan und Silizium (zB Duraluminium ) mit Anteilen anderer Metalle in einigen Gewichtsprozent. Aluminium, sowohl geschmiedet als auch gegossen, wurde legiert mit: Mangan , Silizium , Magnesium , Kupfer und Zink unter anderem. Die Legierungsfamilie Kynal beispielsweise wurde vom britischen Chemiehersteller Imperial Chemical Industries entwickelt .

Die Hauptanwendungen für Aluminiummetall sind:

  • Transport ( Autos , Flugzeuge, Lastwagen , Eisenbahnwaggons , Seeschiffe, Fahrräder , Raumfahrzeuge usw. ). Aluminium wird wegen seiner geringen Dichte verwendet;
  • Verpackung ( Dosen , Folie, Rahmen, etc. ). Aluminium wird verwendet, weil es ungiftig (siehe unten ), nicht adsorptiv und splittersicher ist;
  • Bau und Konstruktion ( Fenster , Türen , Abstellgleis , Baudraht, Ummantelung, Bedachung, etc. ). Da Stahl billiger ist, wird Aluminium verwendet, wenn Leichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder technische Merkmale wichtig sind;
  • Strombezogene Verwendungen (Leiterlegierungen, Motoren und Generatoren, Transformatoren, Kondensatoren usw. ). Aluminium wird verwendet, weil es relativ billig ist, gut leitfähig ist, eine ausreichende mechanische Festigkeit und geringe Dichte aufweist und korrosionsbeständig ist;
  • Ein breites Sortiment an Haushaltsartikeln , von Kochutensilien bis hin zu Möbeln . Geringe Dichte, gutes Aussehen, einfache Herstellung und Haltbarkeit sind die Schlüsselfaktoren für die Verwendung von Aluminium;
  • Maschinen und Geräte (Verarbeitungsgeräte, Rohre, Werkzeuge). Aluminium wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit, Pyrophorizität und mechanischen Festigkeit verwendet.
  • Tragbare Computergehäuse. Derzeit selten ohne Legierung verwendet, aber Aluminium kann recycelt werden und sauberes Aluminium hat einen Restwert: So wurde das Material der gebrauchten Getränkedose (UBC) verwendet, um die elektronischen Komponenten von MacBook Air Laptop, Pixel 5 Smartphone oder Summit Lite Smartwatch zu umhüllen .

Verbindungen

Der überwiegende Teil (ca. 90 %) des Aluminiumoxids wird in metallisches Aluminium umgewandelt. Als sehr hartes Material ( Mohs-Härte 9) wird Aluminiumoxid häufig als Schleifmittel verwendet; Da es chemisch außerordentlich inert ist, ist es in hochreaktiven Umgebungen wie Hochdruck-Natriumdampflampen nützlich . Aluminiumoxid wird häufig als Katalysator für industrielle Prozesse verwendet; zB der Claus - Verfahren zum Konvertieren von Schwefelwasserstoff zu Schwefel in Raffinerien und Alkylat Amine . Viele industrielle Katalysatoren werden getragen durch Aluminiumoxid, was bedeutet , dass der teure Katalysator Material über eine Oberfläche des inerten Aluminiumoxid dispergiert ist. Eine weitere Hauptverwendung ist als Trockenmittel oder Absorptionsmittel.

Laserabscheidung von Aluminiumoxid auf einem Substrat

Mehrere Sulfate von Aluminium haben industrielle und kommerzielle Anwendung. Aluminiumsulfat (in seiner Hydratform) wird im Jahresmaßstab von mehreren Millionen Tonnen produziert. Etwa zwei Drittel werden bei der Wasseraufbereitung verbraucht . Die nächste große Anwendung liegt in der Papierherstellung. Es wird auch als Beizmittel beim Färben, beim Beizen von Samen, Desodorieren von Mineralölen, beim Gerben von Leder und bei der Herstellung anderer Aluminiumverbindungen verwendet. Zwei Arten von Alaun, Ammoniumalaun und Kaliumalaun , wurden früher als Beizmittel und in der Ledergerbung verwendet, aber ihre Verwendung hat durch die Verfügbarkeit von hochreinem Aluminiumsulfat deutlich abgenommen. Wasserfreies Aluminiumchlorid wird als Katalysator in der chemischen und petrochemischen Industrie, der Färberei und bei der Synthese verschiedener anorganischer und organischer Verbindungen verwendet. Aluminiumhydroxychloride werden zum Reinigen von Wasser, in der Papierindustrie und als Antitranspirantien verwendet . Natriumaluminat wird bei der Wasseraufbereitung und als Beschleuniger für die Verfestigung von Zement verwendet.

Viele Aluminiumverbindungen haben Nischenanwendungen, zum Beispiel:

Biologie

Schema der Aluminiumaufnahme durch die menschliche Haut.

Trotz seines weit verbreiteten Vorkommens in der Erdkruste hat Aluminium keine bekannte Funktion in der Biologie. Bei pH 6–9 (relevant für die meisten natürlichen Wässer) fällt Aluminium als Hydroxid aus dem Wasser aus und ist somit nicht verfügbar; die meisten Elemente, die sich so verhalten, haben keine biologische Rolle oder sind toxisch. Aluminiumsalze sind ungiftig. Aluminiumsulfat hat eine LD 50 von 6207 mg/kg (oral, Maus), was 435 Gramm für eine 70 kg schwere Person entspricht, obwohl sich Letalität und Neurotoxizität in ihren Auswirkungen unterscheiden. Andrási et al. entdeckten einen „signifikant höheren Aluminiumgehalt“ in einigen Gehirnregionen, als Nekroskopien von Patienten mit Alzheimer-Krankheit mit Patienten ohne Patienten verglichen wurden. Aluminium Chelate mit Glyphosat .

Toxizität

Aluminium wird vom US-Gesundheitsministerium als nicht krebserregend eingestuft . Eine 1988 veröffentlichte Überprüfung besagte, dass es kaum Beweise dafür gibt, dass eine normale Exposition gegenüber Aluminium ein Risiko für gesunde Erwachsene darstellt, und eine Überprüfung der Multi-Elemente-Toxikologie aus dem Jahr 2014 konnte keine schädlichen Auswirkungen von Aluminium feststellen, das in Mengen von nicht mehr als 40 mg/Tag pro konsumiert wurde kg Körpermasse . Das meiste verbrauchte Aluminium verlässt den Körper in den Fäkalien; der größte Teil davon, der in den Blutkreislauf gelangt, wird über den Urin ausgeschieden; dennoch passiert ein Teil des Aluminiums die Blut-Hirn-Schranke und wird bevorzugt im Gehirn von Alzheimer-Patienten gespeichert. 1989 veröffentlichte Beweise deuten darauf hin, dass Aluminium bei Alzheimer-Patienten durch elektrostatische Vernetzung von Proteinen wirken kann, wodurch Gene im oberen Temporalgyrus herunterreguliert werden .

Auswirkungen

Aluminium, wenn auch selten, kann Vitamin D-resistente verursachen Osteomalazie , Erythropoietin -resistenter mikrozytäre Anämie , und das zentrale Nervensystem Veränderungen. Besonders gefährdet sind Menschen mit Niereninsuffizienz. Die chronische Einnahme von hydratisierten Aluminiumsilikaten (zur Kontrolle einer übermäßigen Magensäure) kann zu einer Aluminiumbindung an den Darminhalt und einer erhöhten Ausscheidung anderer Metalle wie Eisen oder Zink führen ; ausreichend hohe Dosen (>50 g/Tag) können Anämie verursachen.

Es gibt fünf Hauptformen von Aluminium, die vom menschlichen Körper absorbiert werden: das freie solvatisierte dreiwertige Kation (Al 3+ (aq) ); niedermolekulare, neutrale, lösliche Komplexe (LMW-Al 0 (aq) ); hochmolekulare, neutrale, lösliche Komplexe (HMW-Al 0 (aq) ); niedermolekulare, geladene, lösliche Komplexe (LMW-Al(L) n +/– (aq) ); Nano- und Mikropartikel (Al(L) n(s) ). Sie werden über Zellmembranen oder Zell-Epi-/ Endothelien auf fünf Hauptwegen transportiert: (1) parazellulär ; (2) transzellulär ; (3) aktiver Transport ; (4) Kanäle; (5) adsorptive oder rezeptorvermittelte Endozytose .

Während des Wasserverschmutzungsvorfalls in Camelford im Jahr 1988 wurde das Trinkwasser der Menschen in Camelford mehrere Wochen lang mit Aluminiumsulfat verunreinigt . Ein Abschlussbericht über den Vorfall im Jahr 2013 kam zu dem Schluss, dass es unwahrscheinlich war, dass dies langfristige gesundheitliche Probleme verursacht hatte.

Aluminium steht im Verdacht, eine mögliche Ursache für die Alzheimer-Krankheit zu sein , aber die Forschung dazu seit über 40 Jahren hat bis 2018 keine guten Beweise für eine kausale Wirkung gefunden.

Aluminium erhöht Östrogen -related Genexpression in menschlichen Brustkrebszellen im Labor gezüchtet. In sehr hohen Dosen wird Aluminium mit einer veränderten Funktion der Blut-Hirn-Schranke in Verbindung gebracht. Ein kleiner Prozentsatz der Menschen hat Kontakt Allergien Aluminium und Erfahrung juckenden roten Hautausschläge, Kopfschmerzen, Muskelschmerzen, Gelenkschmerzen, schlechtes Gedächtnis, Schlaflosigkeit, Depression, Asthma, Reizdarmsyndrom oder andere Symptome bei Kontakt mit Produkten , das Aluminium.

Exposition gegenüber pulverisiertem Aluminium oder Aluminiumschweißrauch kann Lungenfibrose verursachen . Feines Aluminiumpulver kann sich entzünden oder explodieren und eine weitere Gefahr für den Arbeitsplatz darstellen.

Expositionswege

Nahrung ist die Hauptquelle für Aluminium. Trinkwasser enthält mehr Aluminium als feste Nahrung; Aluminium in Lebensmitteln kann jedoch stärker absorbiert werden als Aluminium aus Wasser. Zu den wichtigsten Quellen der oralen Exposition des Menschen gegenüber Aluminium gehören Lebensmittel (aufgrund seiner Verwendung in Lebensmittelzusatzstoffen, Lebensmittel- und Getränkeverpackungen und Kochutensilien), Trinkwasser (aufgrund seiner Verwendung in der kommunalen Wasseraufbereitung) und aluminiumhaltige Medikamente (insbesondere Antazida). /Antiulcer- und gepufferte Aspirin-Formulierungen). Die ernährungsbedingte Exposition bei Europäern beträgt durchschnittlich 0,2–1,5 mg/kg/Woche, kann aber bis zu 2,3 ​​mg/kg/Woche betragen. Höhere Expositionsniveaus von Aluminium sind meist auf Bergleute, Arbeiter in der Aluminiumproduktion und Dialysepatienten beschränkt .

Der Konsum von Antazida , Antitranspirantien, Impfstoffen und Kosmetika bietet mögliche Expositionswege. Der Verzehr von sauren Nahrungsmitteln oder Flüssigkeiten mit Aluminium erhöht die Aluminiumaufnahme, und Maltol erhöht nachweislich die Ansammlung von Aluminium in Nerven- und Knochengewebe.

Behandlung

Bei Verdacht auf plötzliche Aufnahme einer großen Menge Aluminium ist die einzige Behandlung Deferoxaminmesylat, das gegeben werden kann, um die Elimination von Aluminium durch Chelatbildung aus dem Körper zu unterstützen . Dies ist jedoch mit Vorsicht zu genießen, da dadurch nicht nur der Aluminiumgehalt, sondern auch der anderer Metalle wie Kupfer oder Eisen reduziert wird.

Auswirkungen auf die Umwelt

Zwischenlager „ Bauxitberge “ in Stade , Deutschland. Etwa 70 Millionen Tonnen dieser Abfälle fallen jährlich in der Aluminiumindustrie an.

In der Nähe von Bergbaustandorten treten hohe Aluminiumgehalte auf; Bei Kohlekraftwerken oder Verbrennungsanlagen werden geringe Mengen Aluminium an die Umwelt abgegeben . Aluminium in der Luft wird durch den Regen ausgewaschen oder setzt sich normalerweise ab, aber kleine Aluminiumpartikel bleiben lange Zeit in der Luft.

Saure Niederschläge sind der wichtigste natürliche Faktor zur Mobilisierung von Aluminium aus natürlichen Quellen und der Hauptgrund für die Umweltauswirkungen von Aluminium; Der Hauptfaktor für das Vorhandensein von Aluminium in Salz- und Süßwasser sind jedoch die industriellen Prozesse, bei denen auch Aluminium in die Luft freigesetzt wird.

Im Wasser wirkt Aluminium als Giftstoff auf kiemenatmende Tiere wie Fische, wenn das Wasser sauer ist, wobei Aluminium auf den Kiemen ausfallen kann, was zu Plasmaverlusten und Hämolymphionen führt , die zu osmoregulatorischem Versagen führen. Organische Aluminiumkomplexe können leicht resorbiert werden und den Stoffwechsel bei Säugetieren und Vögeln stören, obwohl dies in der Praxis selten vorkommt.

Aluminium ist der wichtigste Faktor, der das Pflanzenwachstum auf sauren Böden reduziert. Obwohl es in pH-neutralen Böden für das Pflanzenwachstum im Allgemeinen unbedenklich ist, erhöht sich in sauren Böden die Konzentration an toxischen Al 3+ -Kationen und stört das Wurzelwachstum und die Wurzelfunktion. Weizen werden entwickelt , eine Toleranz gegenüber Aluminium, die Freigabe organische Verbindungen , die binden , um schädliche Aluminiumkationen . Es wird angenommen, dass Sorghum den gleichen Toleranzmechanismus hat.

Die Aluminiumproduktion stellt in jedem Schritt des Produktionsprozesses ihre eigenen Herausforderungen an die Umwelt. Die größte Herausforderung sind die Treibhausgasemissionen . Diese Gase resultieren aus dem Stromverbrauch der Hütten und den Nebenprodukten der Verarbeitung. Die stärksten dieser Gase sind Perfluorkohlenstoffe aus dem Schmelzprozess. Freigesetztes Schwefeldioxid ist eine der Hauptvorstufen von saurem Regen .

Ein spanischer wissenschaftlicher Bericht aus dem Jahr 2001 behauptete, dass der Pilz Geotrichum candidum das Aluminium in CDs verzehrt . Andere Berichte beziehen sich alle auf diesen Bericht und es gibt keine unterstützende Originalforschung. Besser dokumentiert werden das Bakterium Pseudomonas aeruginosa und der Pilz Cladosporium Resinae häufig in Flugzeugtreibstofftanks nachgewiesen, die Kerosin- basierte Treibstoffe (nicht Avgas ) verwenden, und Laborkulturen können Aluminium abbauen. Diese Lebensformen greifen das Aluminium jedoch nicht direkt an oder verbrauchen es; vielmehr wird das Metall durch mikrobielle Abfallprodukte korrodiert.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Weiterlesen

  • Mimi Sheller, Aluminium Dream: The Making of Light Modernity . Cambridge, Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology Press, 2014.

Externe Links