Aluminium

(lateinisch: alumen, "Alaun")

chemisches Element der dritten Periode und der dritten Hauptgruppe des Periodensystems.

Namensgebung und Geschichte

In Alaun, das bereits seit dem Altertum bekannt war, entdeckte 1754 der deutsche Chemiker Marggraf eine neue Erde, die er Alaunerde nannte. Wie wir heute wissen, handelte es sich bei dieser Erde um Aluminiumoxid (Al2O3). 1808 versuchte Humphry Davy, seine Erfahrung, die er bei der elektrochemischen Abtrennung von Alkalimetallen wie Natrium und Kalium gewonnen hatte, auf Aluminiumoxid (Al2O3) zu übertragen. Jedoch gelang ihm die Isolierung des neuen Elements nicht. Diese gelang erst dem Dänen Christian Oersted 1825, der Aluminiumchlorid (AlCl3) mit Kaliumamalgam umsetzte. Hierbei erhielt er Aluminium in noch stark verunreinigter Form. Zwei Jahre später verbesserte Friedrich Wöhler die Darstellung von Aluminium ganz wesentlich. Doch erst 1854 konnten Bunsen und Deville unabhängig voneinander das Metall mit hohem Reinheitsgrad mittels Elektrolyse darstellen. 1886 stellten der Amerikaner Charles M. Hall und der Franzose Paul-Louis Toussaint Héroult ein Verfahren zur billigen Aluminiumherstellung vor, das den Weg für den großtechnischen Einsatz des Leichtmetalls ebnen sollte.

Isotope

Aluminium hat nur ein stabiles Isotop: Al-27. Daneben sind acht Radionuklide bekannt, von denen Al-26 mit 716 000 Jahren die längste Halbwertszeit hat. Am schnellsten zerfällt Al-23 mit einer Halbwertszeit von nur 470 Millisekunden.

Eigenschaften

Aluminium ist ein weiches, silbrigweißes Leichtmetall, das eine kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur aufweist. Aluminium ist sehr reaktionsfreudig. An Luft bildet sich schnell eine dünne, schützende Oxidschicht, wodurch es sehr korrosionsbeständig wird. Dass Aluminium eine große Affinität zu Sauerstoff hat, wird daran deutlich, dass es in der Natur häufig an Sauerstoff gebunden ist. Technisch kann Aluminium durch das so genannte Eloxal-Verfahren gehärtet werden, indem durch anodische Oxidation die Oxidschicht verstärkt wird. Mit Salzsäure (HCl) und Natronlauge (NaOH in H2O) reagiert Aluminium sehr heftig. Das Verhalten gegenüber Schwefelsäure (H2SO4) ist bereits schwächer, während es sich passiv gegenüber kalter Salpetersäure (HNO3) verhält. Das Metall hat gute thermische und elektrische Eigenschaften, die etwa zu zwei Dritteln denen von Kupfer entsprechen. Auf Grund der Elektronenkonfiguration hat das Element drei Valenzelektronen. Sein Oxidationszustand ist deshalb +3.

Wichtige Aluminium-Verbindungen sind Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumhydroxid (Al(OH)3), Aluminiumchlorid (AlCl3), Aluminiumphosphat (AlPO4) und Aluminiumsulfat (Al2(SO4)3).

Vorkommen

Aluminium ist das wichtigste Elemente der dritten Hauptgruppe. Der Anteil des Elements am Aufbau der Erdkruste wird mit 8 Prozent angegeben. Es ist somit das dritthäufigste Element und das häufigste Metall der Erdkruste noch vor Eisen mit einem Anteil von ca. 6 Prozent. Man findet Aluminium in der Natur nie in Reinform, sondern stets an Sauerstoff gebunden. Es ist allgegenwärtig in Feldspäten und Glimmern oder in deren Verwitterungsprodukten. Das wohl bekannteste Aluminiummineral ist Bauxit, das ausschließlich im Tagebau gewonnen wird. Andere Aluminiummineralien sind: Albit, Anorthit, Eisstein, Natronfeldspat, Kalifeldspat, Kaliglimmer, Kalkfeldspat, Kaolinit, Kryolith, Muskovit, Orthoklas. Im Meerwasser liegt die typische Konzentration bei fünf ppb (parts per billion: Teile pro Milliarde Teile), wobei sie stark variiert. In Flusswasser findet man typischerweise 400 ppb.

Verwendung

Die Angaben über die Weltreserven an Aluminium schwanken zwischen zehn und 25 Milliarden Tonnen. Die jährliche Produktionsmenge des Metalls liegt zwischen 20 und 25 Millionen Tonnen. Weil Aluminium heute durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt wird, ist der Bedarf an elektrischer Energie sehr hoch. Die Einsatzbereiche von Aluminium sind auf Grund seiner Leichtigkeit, Beständigkeit und thermo-elektrischen Eigenschaften sehr mannigfaltig. Reines Aluminium wird unter anderem für Bauteile in Elektrogeräten und in Gebrauchsgegenständen eingesetzt. In Legierungen mit Metallen wie zum Beispiel Kupfer, Nickel oder Zink wird es als Konstruktionsmaterial und Werkstoff überwiegend im Fahrzeug-, Schiff- und Flugzeugbau verwendet. Außerdem wird es zum Spezialschweißen, in Pigmentfarben, in Katalysatoren etc. eingesetzt. Auch das Bauwesen nutzt Aluminium in vielen Bereichen: als Fensterprofile, Fassadenverkleidungen, für Dächer und Beschläge, als Dämmfolie und Türrahmen. Vielfach werden klassische Baustoffe wie Holz verdrängt.

Biologische Bedeutung

Aluminium scheint zwar eine gewisse biologische Funktion zu haben, ist aber vermutlich nie essenziell. Bei manchen Pflanzen wird durch geringe Aluminiumkonzentrationen das Wachstum begünstigt. Für den Menschen sind keine Aluminiummangelerscheinungen bekannt. Im Körper eines Erwachsenen lassen sich bei einem Körpergewicht von 70 Kilogramm ca. 60 Milligramm Aluminium nachweisen. Die toxische Dosis liegt bei fünf Gramm. Der MAK-Wert in Deutschland für Aluminium-Feinstaub als Metall, Metalloxid und -hydroxid wurde mit 6 mg/m3 festgelegt.