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Lexikon

Aluminium

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Aluminium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Al und der Ordnungszahl 13. Im Periodensystem gehört Aluminium zur dritten Hauptgruppe und zur 13.  IUPAC-Gruppe , der Borgruppe , die früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde.

Aluminium ist ein silbrig-weißes Leichtmetall . In der Erdhülle ist es, auf den Massenanteil ( ppmw ) bezogen, nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element und in der Erdkruste das häufigste Metall .

Weltweit wurden 2014 insgesamt 108 Mio. Tonnen Aluminium hergestellt [18] (davon 53 Mio. Tonnen Primäraluminium [19] ). In Deutschland wurden 2014 etwa 1,1 Mio Tonnen hergestellt (davon 531.000 Tonnen Primäraluminium). [20] 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 .

Geschichte

Im Vergleich zu Gold , Silber , Kupfer , Zinn , Blei , Eisen und Quecksilber , die schon in der Antike bekannt waren, ist Aluminium ein junges Metall. Der englische Chemiker Humphry Davy beschrieb es im Jahre 1808 als „Aluminum“ und versuchte sich an seiner Darstellung . Diese gelang jedoch erst 1825 dem Dänen Hans Christian Ørsted durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl 3 ) mit Kalium amalgam , wobei Kalium als Reduktionsmittel diente: [21]

mathrm{4 AlCl_3 + 3 K rightarrow Al + 3 KAlCl_4}

Friedrich Wöhler verwendete 1827 die gleiche Methode, verwendete zur Reduktion jedoch metallisches Kalium und erhielt damit ein reineres Aluminium. Zu jener Zeit kostete Aluminium mehr als Gold.

Henri Étienne Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Durch den verbesserten Prozess stieg die Ausbeute bei der Aluminiumgewinnung, damit fiel der Aluminiumpreis 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 Aluminiumherstellung. 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.

Namensgebung

Der Elementname leitet sich vom lateinischen Wort alumen für Alaun ab. Zwei Namen für das Element sind in Gebrauch: Aluminium und Aluminum . Weltweit dominiert das erstere, während in den Vereinigten Staaten und im kanadischen Englisch der zweite Name geläufiger ist. [22] Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) beschloss im Jahr 1990, dass der Elementname Aluminium laute, akzeptierte drei Jahre später aber Aluminum als mögliche Variante.

Vorkommen

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: 2010) 1156 aluminiumhaltige Minerale bekannt. [23]

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 (Fe 2 O 3 ) und Siliciumdioxid (SiO 2 ).

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 Passivierung kommt Aluminium in der Natur auch sehr selten elementar ( gediegen ) vor, meist in Form von körnigen bis massigen Aggregaten , kann in seltenen Fällen aber auch tafelige Kristalle bis etwa einen Zentimeter Größe entwickeln. [24] Von der International Mineralogical Association (IMA) ist es daher in der Mineralsystematik nach Strunz unter der System-Nummer 1.AA.05 beziehungsweise veraltet unter I/A.03-05 als Mineral anerkannt. Gediegenes Aluminium konnte bisher (Stand: 2010) an rund 20 Fundorten nachgewiesen werden: In Aserbaidschan , Bulgarien , der Volksrepublik China ( Guangdong , Guizhou und Tibet ), Italien , Russland ( Ostsibirien , Ural ) und in Usbekistan . Auch auf dem Mond ist gediegenes Aluminium gefunden worden. [25] Aufgrund der extremen Seltenheit hat gediegenes Aluminium keine Bedeutung als Rohstoffquelle.

Gewinnung

Primäraluminium (Herstellung aus Mineralien)

Da Aluminium aus den Alumosilicaten aufgrund der Bindungsverhältnisse praktisch nicht isoliert werden kann, ist eine wirtschaftliche großtechnische Gewinnung von metallischem Aluminium nur aus Bauxit möglich. Das in diesem 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 (Al 2 O 3 ) 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 von Aluminium erfolgt ausschließlich 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). [26] 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 ist der Prozess recht energieaufwändig. Pro produziertem Kilogramm Rohaluminium müssen 12,9 bis 17,7 Kilowattstunden an elektrischer Energie eingesetzt werden. [27] [28] Eine Reduzierung des Strombedarfs ist nur noch in geringem Ausmaß möglich, weil die Potentiale für energetische Optimierungen weitgehend erschlossen sind. [29] Aluminiumherstellung ist daher nur in der Nähe preiswert zur Verfügung stehender Elektroenergie wirtschaftlich, beispielsweise neben Wasserkraftwerken, wie in Rheinfelden .

Bauxit-Produktion in Tausend Tonnen (Schätzung, 2013) [30]
Land Förderung Reserven Vorratsbasis (2009) [31]
Australien Australien   Australien 77.000 6.000.000 7.900.000
China Volksrepublik Volksrepublik China   Volksrepublik China 47.000 830.000 2.300.000
Brasilien Brasilien   Brasilien 34.200 2.600.000 2.500.000
Indonesien Indonesien   Indonesien 30.000 1.000.000
Indien Indien   Indien 19.000 540.000 1.400.000
Guinea Guinea   Guinea 17.000 7.400.000 8.600.000
Jamaika Jamaika   Jamaika 9.500 2.000.000 2.500.000

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Aluminiumproduktion und die maximal mögliche Produktionsleistung der Hüttenwerke nach Ländern.

Angaben in Tausend Tonnen (2009) [32]
Rang Land Produktion Kapazität
1. China 13.000 19.000
2. Russland 3.300 5.150
3. Kanada 3.000 3.090
4. Australien 1.970 1.970
5. USA 1.710 3.500
6. Indien 1.600 2.000
7. Brasilien 1.550 1.700
8. Norwegen 1.200 1.230
9. VAE 950 950
10. Bahrain 870 880
11. Südafrika 800 900
12. Island 790 790
13. Venezuela 550 625
14. Deutschland 520 620
15. Mosambik 500 570
16. Andere Länder 4.600 6.920
Welt 36.900 49.900

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 Kratz vorrichtungen von der Oberfläche des Metallbads abgeschöpft.

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 CaF 2 ) abgedeckt. Dabei entsteht als Nebenprodukt Salzschlacke, die noch ca. 10 Prozent Aluminium enthält, die, entsprechend aufbereitet, als Rohstoff für mineralische Glasfasern dient. [33]

Allerdings steht das Sekundäraluminium im Ruf, dass beim Recycling pro Tonne jeweils 300 bis 500 Kilogramm Salzschlacke , verunreinigt mit Dioxinen und Metallen, entsteht, deren mögliche Wiederverwertung aber Stand der Technik ist. [34] [35]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Aluminium ist ein relativ weiches und zähes Metall, die Zugfestigkeit von absolut reinem Aluminium liegt bei 45 N/mm², die Streckgrenze bei 17 N/mm² und die Bruchdehnung bei 60 %, während bei handelsüblich reinem Aluminium die Zugfestigkeit bei 90 N/mm² liegt, die Streckgrenze bei 34 N/mm² und die Bruchdehnung bei 45 %. [36] Die Zugfestigkeit seiner Legierungen liegt dagegen bei bis zu 710 N/mm² (Legierung 7068). Sein Elastizitätsmodul liegt bei etwa 70.000 MPa. [36]

Der Schmelzpunkt liegt bei 660,4 °C und der Siedepunkt bei 2470 °C. Die Schmelztemperatur ist deutlich niedriger als die von Kupfer (1084,6 °C), Gusseisen (1147 °C) und Eisen (1538 °C).

Mit einer Dichte von 2,70 g/cm³ (etwa ein Drittel von Stahl) ist Aluminium ein typisches Leichtmetall.

Aluminium besitzt mit 237 W/(m·K) eine hohe Wärmeleitfähigkeit , als Metalle liegen nur Silber mit 429 W/(m·K), Kupfer mit 401 W/(m·K) und Gold mit 314 W/(m·K) darüber. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist durch den recht niedrigen Schmelzpunkt mit 23,1 μm·m −1 ·K −1 recht hoch.

Bei einer Sprungtemperatur von 1,2 K wird reines Aluminium supraleitend . [37]

Chemische Eigenschaften

Das reine Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Diese passivierende Oxidschicht macht reines Aluminium bei pH-Werten von 4 bis 9 sehr korrosionsbeständig , sie erreicht eine Dicke von etwa 0,05 µm. [38]

Diese Oxidschicht schützt auch vor weiterer Oxidation, ist aber bei der elektrischen Kontaktierung und beim Löten hinderlich. Sie kann durch elektrische Oxidation ( Eloxieren ) oder auf chemischem Weg verstärkt werden.

Die Oxidschicht kann mittels Komplexbildungsreaktionen aufgelöst werden. Einen außerordentlich stabilen und wasserlöslichen Neutralkomplex geht Aluminium in neutraler chloridischer Lösung ein. Folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht den Vorgang:

mathrm{Al_2O_3(s) + 2 Cl^-(aq) + 3 H_2O(l) longrightarrow 2 [Al(OH)_2Cl](aq) + 2 OH^-(aq)}

Dies geschieht vorzugsweise an Stellen, wo die Oxidschicht des Aluminiums bereits geschädigt ist. Es kommt dort durch Bildung von Löchern zur Lochfraßkorrosion . Kann die chloridische Lösung dann an die freie Metalloberfläche treten, so laufen andere Reaktionen ab. Aluminium-Atome können unter Komplexierung oxidiert werden:

mathrm{Al(s) + 4 H_2O(l) + Cl^-(aq) longrightarrow [Al(OH)_2Cl](aq) + 3 e^- + 2 H_3O^+(aq)}

Liegen in der Lösung Ionen edlerer Metalle vor, so werden sie reduziert und am Aluminium abgeschieden. Auf diesem Prinzip beruht die Reduktion von Silberionen, die auf der Oberfläche von angelaufenem Silber als Silbersulfid vorliegen, hin zu Silber.

Aluminium reagiert heftig mit wässriger Natriumhydroxidlösung (NaOH) unter Bildung von Wasserstoff. Diese Reaktion wird in chemischen Rohrreinigungsmitteln ausgenutzt. Die Reaktion von Aluminium mit NaOH läuft in zwei Schritten ab: der Reaktion mit Wasser und die Komplexierung des Hydroxids zu Natriumaluminat.

Bei der Reaktion mit Wasser

mathrm{ 2 Al + 6 H_2O longrightarrow 2 Al(OH)_3 + 3 H_2 }

entsteht zunächst Aluminiumhydroxid.

In der Regel wird anschließend die Oberfläche getrocknet, dabei wird das Hydroxid in das Oxid umgewandelt:

mathrm{ 2 Al(OH)_3 longrightarrow Al_2O_3 + 3 H_2O }

Dies passiert jedoch nicht bei der Reaktion von Aluminium in wässriger Natronlauge.

Nun folgt der 2. Schritt, die Komplexierung des Hydroxids zu Natriumaluminat:

mathrm{ Al(OH)_3 + Na^+ + OH^- longrightarrow Na^+ + Al(OH)_4^- }

Durch die Komplexierung wird das gallertartige Hydroxid wasserlöslich und kann von der Metalloberfläche abtransportiert werden. Dadurch ist die Aluminiumoberfläche nicht mehr vor dem weiteren Angriff des Wassers geschützt und Schritt 1 läuft wieder ab.

Mit dieser Methode lassen sich – ebenso wie bei der Reaktion von Aluminium mit Säuren – pro zwei Mol Aluminium drei Mol Wasserstoffgas herstellen.

mathrm{ 2 Al + 6 HCl longrightarrow 2 AlCl_3 + 3 H_2 }

Mit Brom reagiert Aluminium bei Zimmertemperatur unter Flammenerscheinung. Hierbei ist zu beachten, dass das entstehende Aluminiumbromid mit Wasser unter Bildung von Aluminiumhydroxid und Bromwasserstoffsäure reagiert.

mathrm{AlBr_3 + 3 H_2O longrightarrow Al(OH)_3 + 3 HBr}

Mit Quecksilber bildet Aluminium ein Amalgam . Wenn Quecksilber direkt mit Aluminium zusammenkommt, d. h., wenn die Aluminiumoxidschicht an dieser Stelle mechanisch zerstört wird, frisst Quecksilber Löcher in das Aluminium; unter Wasser wächst dann darüber Aluminiumoxid in Gestalt eines kleinen Blumenkohls. Daher wird Quecksilber in der Luftfahrt als Gefahrgut und „ätzende Flüssigkeit“ gegenüber Aluminiumwerkstoffen eingestuft. [39]

Auch mit Salzsäure reagiert Aluminium sehr heftig unter Wasserstoffentwicklung, von Schwefelsäure wird es langsam aufgelöst. In Salpetersäure wird es passiviert.

In Pulverform (Partikelgröße kleiner 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 Aluminiumhydroxid. Feinstes, nicht phlegmatisiertes Aluminiumpulver wird auch als Pyroschliff bezeichnet. Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub ist sehr gefährlich und entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst.

Aluminiumlegierungen

Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer , Magnesium , Mangan , Silicium , Eisen , Titan , Beryllium , Lithium , Chrom , Zink , Zirconium und Molybdän legiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken. Es geht mit einigen Elementen intermetallische Phasen ein, insbesondere NiAl, Ni 3 Al und TiAl . [40]

Bei den meisten Legierungen ist jedoch die Bildung der schützenden Oxidschicht ( Passivierung ) stark gestört, wodurch die daraus gefertigten Bauteile teils hochgradig korrosionsgefährdet sind. Nahezu alle hochfesten Aluminiumlegierungen sind von dem Problem betroffen.

Es gibt Aluminiumknetlegierungen (AW, englisch wrought ), zum Beispiel AlMgMn , und Aluminiumgusslegierungen (AC, englisch cast ). Aluminiumgusslegierungen werden zum Beispiel für Leichtmetallfelgen verwendet.

Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen nach dem System der AA ( Aluminum Association ) bezeichnet:

  • Aluminiumgusslegierungen – Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen. Typische Aluminiumgusslegierungen sind: AlSi, AlSiCu, AlSiMg, AlCuTi, AlMg
  • Aluminiumknetlegierungen – Platten und Bandproduktion durch Warm- und Kaltumformen (Walzen, Strangpressen, Schmieden).
    • Typische „naturharte“ Aluminiumknetlegierungen sind: AlMg, AlMn, AlMgMn, AlSi
    • „Aushärtbare“ Knetlegierungen – Festigkeitssteigerung durch Ausscheidung von Legierungselementen bei einer zusätzlichen Alterungsglühung bei 150 bis 190 °C. Typische „aushärtbare“ Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu. Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung AlCuMg bekam 1907 die Handelsbezeichnung „ Duraluminium “, kurz „Dural“ genannt.

Verwendung

Der Aluminiumpreis bewegte sich am Weltmarkt seit 1980 um den Wert von 2000 Dollar pro Tonne (Reinheit von 99,7 %). Seit 2006 ist der Preis auf 6000 bis 9000 Dollar pro Tonne gestiegen. [41]

Konstruktionswerkstoff

Aluminium weist eine hohe spezifische Festigkeit auf. Verglichen mit Stahl sind Bauteile aus Aluminium bei gleicher Festigkeit etwa halb so schwer, weisen jedoch ein größeres Volumen auf. [42] Deshalb wird es gern dort verwendet, wo es auf geringe Masse ankommt, die zum Beispiel bei Transportmitteln zum geringeren 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. Die Haube des Washington-Denkmals, ein 3 kg schweres Gussstück, galt bis 1884 als eines der größten Aluminiumwerkstücke. [43] In den 1930er Jahren verwendete ein amerikanisches Unternehmen Aluminium, um ein militärisches Amphibienfahrzeug leichter zu machen. Beim Bau von kleinen und mittleren Yachten wird die Korrosionsbeständigkeit von speziell legiertem Aluminium gegenüber Salzwasser geschätzt, die sich nach Bildung einer dünnen, schützenden Oxidschicht an der Oberfläche ergibt. [44] Der Fahrzeugbau machte 2010 mit ca. 35 Prozent den größten Anteil an der Verwendung von Aluminium aus. [45]

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 sind Aluminium und Duraluminium weit verbreitet. Der größte Teil der Struktur heutiger Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungen genietet. Bei den neusten Modellen ( Boeing 787 , Airbus A350 ) wird Aluminium größtenteils durch den noch leichteren kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) verdrängt. Ganz ähnliche Entwicklungen – zeitlich und hin zu leichteren Ausführungen – von Holz über Stahl zu Alu und weiter zu Kohlenstoff- oder Glasfaserverbund sind an Rahmen und Felgen des Fahrrads, sowie an Zeltstangen und Stöcken etwa zum Schifahren zu beobachten. In einigen Anwendungsfällen etablieren sich Aluminiumwerkstoffe als dominierend: Fahrradfelgen aus Strangprofil, Motorrad- und modisch gestaltete Autofelgen aus Aluguss, biegsames gefädeltes Gestänge von Kuppelzelten, teleskopierbare Stöcke zum Schitourengehen, beides aus Rohr, Kamerastativbeine jedoch daneben auch aus Profil.

Elektrotechnik

Elektrische Leitungen

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter . Es weist nach Silber, Kupfer und Gold die vierthöchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle auf. Ein Leiter aus Aluminium hat bei gegebenem elektrischen Widerstand eine kleinere Masse, aber ein größeres Volumen als ein Leiter aus Kupfer. Daher wird meistens dann Kupfer als elektrischer Leiter verwendet, wenn das Volumen eine dominante Rolle spielt, wie beispielsweise bei den Wicklungen in Transformatoren . Aluminium hat dann als elektrischer Leiter Vorteile, wenn das Gewicht eine wesentliche Rolle spielt, beispielsweise bei den Leiterseilen von Freileitungen . [46] Aus dem Grund der Gewichtsreduktion werden auch in Flugzeugen wie dem Airbus A380 Aluminiumkabel verwendet.

Aluminium wird unter anderem auch zu Stromschienen in Umspannwerken und zu stromführenden Gussteilen verarbeitet. Für Elektroinstallationen gibt es kupferkaschierte Aluminiumkabel , der Kupferüberzug ist zur Verbesserung der Kontaktgabe. In diesem Anwendungsbereichen sind primär Rohstoffpreise entscheidend, da Aluminium preisgünstiger als Kupfer ist. Für Oberleitungen bei elektrischen Bahnen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet, in diesem Bereich wird trotz des höheren Gewichts primär Kupfer eingesetzt.

Beim Kontaktieren unter Druck ist Aluminium problematisch, da es zum Kriechen neigt. Außerdem überzieht es sich an Luft mit einer Oxidschicht. Nach längerer Lagerung oder Kontakt mit Wasser ist diese isolierende Schicht so dick, dass sie vor der Kontaktierung beseitigt werden muss. Bei ungeeigneten Kontaktierungen in Klemmen kann es bei Aluminiumleitern in Folge zu Ausfällen und Kabelbränden aufgrund sich lösender Kontakte kommen. Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher. Als Zwischenlage zwischen Kupfer und Aluminium können Verbindungsstücke aus Cupal die Kontaktprobleme vermeiden.

Hervorzuheben ist das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz von Legierungsbestandteilen, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit zeigt.

Elektronik

Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen und Wärme-Leitfähigkeit ein.

In integrierten Schaltkreisen wurde bis in die 2000er Jahre ausschließlich Aluminium als Leiterbahnmaterial eingesetzt. Bis in die 1980er-Jahre wurde es auch als Material für die Steuerelektrode (Gate) von Feldeffekttransistoren mit Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur ( MOSFET bzw. MOS-FET) verwendet. [47] Neben dem geringen spezifischen Widerstand sind für die Verwendung die gute Haftung auf und geringe Diffusion in Siliciumoxiden (Isolationsmaterial zwischen den Leiterbahnen) sowie die einfache Strukturierbarkeit mithilfe von Trockenätzen ausschlaggebend. Seit Anfang der 2000er-Jahre wird Aluminium jedoch zunehmend durch Kupfer als Leiterbahnmaterial ersetzt, auch wenn dafür aufwendigere Strukturierungsverfahren (vgl. Damascene- und Dual-Damascene-Prozess ) und Diffusionsbarrieren notwendig sind. [48] Der höheren Fertigungsaufwand wird durch den geringeren spezifischen Widerstand, der im Fall von kleinen Strukturen bei Aluminium viel früher signifikant ansteigt [49] und anderen Eigenschaften (z. B. Elektromigrationverhalten ) überwogen und die Aluminium-Prozesse konnte die gestiegenen Anforderungen ( Taktfrequenz , Verlustleistung , etc.) in mit hohen Frequenzen arbeitenden Schaltkreisen nicht mehr genügen.

Aluminium wird jedoch weiterhin auch in mikroelektronischen Produkten verwendet, so wird wegen seiner guten Kontaktierbarkeit durch andere Metalle in den letzten Leiterbahnebenen eingesetzt, um den elektrischen Kontakt zu den bei der Flip-Chip-Montage eingesetzten Lotkügelchen herzustellen. Ähnlich verhält es sich bei Leistungshalbleitern, bei denen in der Regel alle Leiterbahnebenen aus Aluminium bestehen. Allgemein und insbesondere bei Leistungshalbleitern wird das Material für Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) verwendet.

Mit der Einführung der High-k+Metal-Gate-Technik hat Aluminium nach gut 25 Jahren Abstinenz auch im Bereich des Gates an Bedeutung gewonnen und wird neben anderen als Material zur Einstellung der Austrittsarbeit eingesetzt.

Weitere Anwendungsbereiche

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für stranggepresste Kühlkörper und wärmeableitende Grundplatten verwendet. Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff, weiters wird es zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Verpackung und Behälter

In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu Aluminiumfolie verarbeitet. Dabei macht man sich die Eigenschaft der absoluten Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Licht und anderen Umwelteinflüssen bei gleichzeitig relativ geringem Gewicht zunutze, um Lebensmittel zu schützen. Dünne Folien werden in Stärken von 6 Mikrometer hergestellt und dann zumeist in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise in Tetra Paks . Kunststofffolien können durch Bedampfen mit Aluminium mit einer dünnen Schicht versehen werden, welche dann eine hohe (aber nicht vollständige) Barrierefunktion aufweist. Grund dieser Barrierewirkung ist nicht das reine Aluminium, sondern die Passivschicht aus Böhmit . Wird diese verletzt, so kann Gas ungehindert durch den Werkstoff Aluminium strömen. [50] [51]

Aus Aluminium werden auch Kochtöpfe und andere Küchengeräte, wie die klassische italienische Espressokanne , sowie Reise- und Militär -Geschirr hergestellt.

Die Aufbewahrung und Zubereitung von säurehaltigen Lebensmitteln in Aluminiumbehältern beziehungsweise -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 vor Oxidation und Abrieb geschützt.

Optik und Lichttechnik

Aluminium wird aufgrund seines hohen Reflexionsgrades als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln, unter anderem in Scannern , Kraftfahrzeug- Scheinwerfern und Spiegelreflexkameras aber auch in der Infrarotmesstechnik eingesetzt. Es reflektiert im Gegensatz zu Silber auch Ultraviolettstrahlung . Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.

Bauingenieurwesen

Aluminiumpulver und Aluminiumpasten werden zur Herstellung von Porenbeton eingesetzt. [52] Man verwendet Verbindungen wie Aluminiumhydroxysulfat , Aluminiumdihydroxyformiat oder amorphes Aluminiumhydroxid als alkalifreie Spritzbetonbeschleuniger . [53]

Weitere Anwendungen

In der Raketentechnik besteht der Treibstoff von Feststoffraketen zu maximal 30 Prozent aus Aluminiumpulver, das bei seiner Verbrennung viel Energie freisetzt. [54] Aluminium wird in Feuerwerken (s. a. Pyrotechnik ) verwendet, wo es je nach Körnung und Mischung für farbige Effekte sorgt. Auch in Knallsätzen findet es oft Verwendung. [55]

Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet, indem das Aluminium zur Reduktion der Oxide genutzt wird. Ein wichtiges Verfahren der Aluminothermie ist die Thermitreaktion , bei der Aluminium mit Eisen(III)-oxid umgesetzt wird. Bei dieser stark exothermen Reaktion entstehen Temperaturen bis zu 2500 °C und flüssiges Eisen, das zum aluminothermischen Schweißen genutzt wird, z.B. zum Fügen von Bahngleisen . Weitere Anwendungen der Reduktionswirkung von Aluminium werden für Laborzwecke ermöglicht, indem Aluminiumamalgam verwendet wird.

Aluminium dient als Pigment für Farben (Silber- oder Goldbronze). Farbig eloxiert ist es Bestandteil vieler Dekorationsmaterialien wie Flitter, Geschenkbänder und Lametta. Zur Beschichtung von Oberflächen wird es beim Aluminieren verwendet.

Mit Aluminium werden Heizelemente von Bügeleisen und Kaffeemaschinen umpresst.

Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz als so genanntes Titanzink verarbeitbar zu machen, wurde Aluminiumblech für Fassaden- und Dachelemente (Leichtdach ) sowie Dachrinnen eingesetzt.

Fertigungsverfahren

Gießen

Aluminium gehört aufgrund seines vergleichsweise geringen Schmelzpunktes von 660 °C ( Gusseisen etwa 1150 °C, Stahl 1400 °C bis 1500 °C) und seiner guten Gießbarkeit zu den häufig in der Gießerei verwendeten Werkstoffen. Spezielle Gusslegierungen mit Silicium haben sogar Schmelzpunkte um 577 °C. [56] Aus dem niedrigen Schmelzpunkt folgt ein geringer Energieeinsatz beim Schmelzvorgang sowie eine geringere Temperaturbelastung der Formen. [57] Aluminium eignet sich grundsätzlich für alle Gussverfahren, insbesondere für Druckguss bzw. Aluminiumdruckguss , mit denen auch kompliziert geformte Teile gefertigt werden können.

Umformende Verfahren

Etwa 74 Prozent des Aluminiums wird durch Umformen bearbeitet. [58] Aluminium lässt sich durch Strangpressen in komplizierte Konstruktionsprofile formen, hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (Automatisierungstechnik, Messebau), Kühlkörperprofilen oder in der Antennentechnik. Die Herstellung von Halbzeug oder Bauteilen geschieht aus Vormaterial wie etwa Walzbarren , Blech oder Zylindern durch Umformen . Mittels Walzen lassen sich sehr dünne Folien herstellen und mit dem Tiefziehen Hohlkörper wie etwa Getränkedosen. Ein Mischverfahren aus gießen und schmieden ist Cobapress , welches speziell für Aluminium ausgelegt ist und häufig in der Automobilbranche genutzt wird.

Rein- und Reinstaluminium lässt sich wegen der niedrigen Festigkeit gut umformen und verfestigt sich bei Kaltumformung , wobei große Formänderungen möglich sind. Die Verfestigung lässt sich durch Rekristallisationsglühen beseitigen. Knetlegierungen mit AlMg und AlMn erreichen ihre höhere Festigkeit durch die Legierungselemente und durch Kaltverformung. Die aushärtbaren Legierungen AlMgSi, AlZnMg, AlCuMg und AlZnMgCu scheiden bei Umformung festigkeitssteigernde Phasen aus; sie lassen sich relativ schwierig umformen. [59]

Spanende Verfahren

Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar. [60] Ihre genauen Eigenschaften hängen jedoch von der Legierung und Gefügezustand ab. Zu beachten ist, dass die bei der Bearbeitung auftretenden Temperaturen schnell im Bereich des Schmelzpunktes liegen können. Bei gleichen Schnittparametern wie bei Stahl resultiert bei Aluminium allerdings eine geringere mechanische und thermische Belastung. Als Schneidstoff wird oft Hartmetall für untereutektische oder Diamant für die stark abrasiven übereutektischen Legierungen verwendet. [61] Insbesondere die Bearbeitung von eloxierten Werkstücken erfordert harte Werkzeuge, um Verschleiß durch die harte Eloxalschicht zu vermeiden. Die beim Schleifen von Aluminium entstehenden Schleifstäube können zu einem erhöhten Explosionsrisiko führen. [62]

Schweißen und Löten

Grundsätzlich sind alle Aluminium-Werkstoffe zum Schweißen geeignet, wobei jedoch reines Aluminium zu Poren in der Schweißnaht neigt. [63] Außerdem neigt die Aluminiumschmelze zu Reaktionen mit der Atmosphäre, weshalb fast immer unter Schutzgas geschweißt wird. Gut geeignet sind das MIG- und Plasmaschweißen sowie das WIG-Schweißen . Bei letzterem wird bei Nutzung von Wechselstrom Argon als Schutzgas verwendet und bei Gleichstrom Helium . Für das Laserschweißen eignen sich sowohl Kohlendioxid- als auch Festkörperlaser allerdings nicht für alle Legierungen. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit erstarrt die Schmelze sehr schnell, sodass die Schweißnaht zu Poren und Rissen neigt. Das Widerstandspunktschweißen erfordert verglichen mit Stahl, höhere Ströme und kürzere Schweißzeiten sowie teilweise spezielle Geräte, da die handelsüblichen nicht geeignet sind. Für das Elektronenstrahlschweißen eignen sich alle Legierungen, jedoch neigen Magnesium und Zinn zum Verdampfen während des Schweißvorgangs. [64] Lichtbogenhandschweißen wird nur noch selten verwendet, meist zur Gussnachbesserung. Löten gestaltet sich wegen der sich bildenden Oxidschicht an Luft schwierig. Genutzt werden sowohl Hart- als auch Weichlöten mit speziellen Flussmittel . Alternativ kann Aluminium auch ohne Flussmittel mit Ultraschall gelötet werden, dabei wird die Oxidschicht mechanisch während des Lötvorganges aufgebrochen.

Aluminium in Natur und Organismen

Aluminium im menschlichen Körper

Aluminium ist kein essenzielles Spurenelement und gilt für die menschliche Ernährung als entbehrlich. [65] Im menschlichen Körper befinden sich durchschnittlich etwa 50 bis 150 Milligramm Aluminium. [66] Diese verteilen sich zu ungefähr 50 Prozent auf das Lungengewebe, zu 25 Prozent auf die Weichteile und zu weiteren 25 Prozent auf die Knochen. Aluminium ist damit ein natürlicher Bestandteil des menschlichen Körpers.

99 bis 99,9 Prozent der üblicherweise in Lebensmitteln pro Tag aufgenommenen Menge von Aluminium (10 bis 40 mg) werden unresorbiert über den Kot wieder ausgeschieden. Chelatbildner (Komplexbildner) wie Citronensäure können die Resorption auf 2 bis 3 Prozent steigern. Auch die Aufnahme von Aluminiumsalzen über den Magen-Darm-Trakt ist gering; sie variiert aber in Abhängigkeit von der chemischen Verbindung und ihrer Löslichkeit, dem pH-Wert und der Anwesenheit von Komplexbildnern. Die Eliminierung von in den Organismus gelangten wasserlöslichen Aluminiumsalzen erfolgt vorwiegend über den Urin, weniger über den Kot. Bei Dialysepatienten mit einer eingeschränkten Nierenfunktion besteht daher ein erhöhtes Risiko einer Akkumulation im Körper mit toxischen Effekten, etwa Knochenerweichungen und Schäden des Zentralnervensystems ; zusätzlich sind Dialysepatienten aufgrund für sie notwendiger pharmazeutischer Produkte ( Phosphatbinder ) einer höheren Aluminiumzufuhr ausgesetzt. [66]

Bindungsformen

Im Blut ist Al 3+ überwiegend (zu etwa 80 %) an Transferrin gebunden. 16 Prozent liegen als [Al(PO 4 )(OH)] − , 1,9 Prozent als Citrat-Komplex , 0,8 Prozent als Al(OH) 3 und 0,6 Prozent als [Al(OH) 4 ] − vor. [67]

Pflanzen

Aluminium in Form verschiedener Salze (Phosphate, Silikate) ist Bestandteil vieler Pflanzen und Früchte, denn gelöste Al-Verbindungen werden durch Regen aus den Böden von den Pflanzen aufgenommen, bei Säurebelastung der Böden infolge sauren Regens [68] ist dies vermehrt der Fall (Waldschäden ).

Ein großer Teil des Bodens auf der Welt ist chemisch sauer . Liegt der pH-Wert unter 5,0, werden Al 3+ -Ionen von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen. Dies ist bei der Hälfte des bebaubaren Lands auf der Welt der Fall. Die Ionen schädigen insbesondere das Wurzelwachstum der Feinwurzeln . Die Pflanze, wenn sie nicht Aluminium-tolerant ist, steht dann unter Stress . Zahlreiche Enzyme und signalübertragende Proteine sind betroffen; die Folgen der Vergiftung sind noch nicht vollständig bekannt. In sauren metallhaltigen Böden ist Al 3+ das Ion mit dem größten Potenzial zur Schädigung. Von der Modellpflanze Arabidopsis sind Transgene bekannt, die deren Aluminium-Toleranz heraufsetzen und auch bei Kulturpflanzen sind tolerante Sorten bekannt. [69] [70] [71] [72]

Der saure Regen hat beispielsweise in Schweden in den Sechzigerjahren des letzten Jahrhunderts die Seen übersäuert, wodurch mehr Al 3+ -Ionen in Lösung gingen und empfindliche Fische verendeten. [67]

Bindungsformen

Bei pH-Werten über 5,0 ist Aluminium als polymeres Hydroxykation an der Oberfläche von Silicaten gebunden. Bei pH-Werten von 4,2 bis 5 steigt Anteil von mobilen Kationen .

Bei Erhöhung der Schwefelsäurekonzentration durch sauren Regen bildet sich Aluminiumhydroxysulfat : [67]

mathrm{Al(OH)_3 + 3 H_2SO_4 rightarrow Al(OH)SO_4 + 2 H_2O}

In Lebensmitteln

Aluminiumgehalt in Lebensmitteln
Lebensmittel Gehalt [73]
in mg/kg
Tee (Trockenerzeugnisse) 385
Kakao und Schokolade 100
Salatarten 28,5
Hülsenfrüchte 22,5
Getreide 13,7
Pilzkonserven 9,3
Kohlarten 9,0
Wurstwaren 7,8
Gemüsekonserven 7,6
Obstkonserven 3,6
Fische und Fischerzeugnisse 3,3
Obst 3,1
Kindernahrung 3,0
Käse 2,9
Frischpilze 2,7
Paprika, Gurken, Tomaten, Melonen 2,2
Kartoffeln 2,1
Fleisch 1,2

Die meisten Lebensmittel enthalten in Spurenmengen auch Aluminium. Unverarbeitete pflanzliche Lebensmittel enthalten durchschnittlich weniger als 5 mg/kg in der Frischmasse. Dabei streuen die Werte aufgrund unterschiedlicher Sorten, Anbaubedingungen und Herkunft in erheblichem Maße. [74] So weisen beispielsweise Salat und Kakao deutlich höhere Durchschnittswerte auf. Schwarzer Tee kann Gehalte von bis zu 1042 mg/kg in der Trockenmasse aufweisen. [75]

Beim Kochen oder Aufbewahren in Aluminiumgeschirr oder in Alufolie kann es (außer bei sauren Lebensmitteln) nach einer Schätzung zu einer maximalen zusätzlichen Aufnahme von 3,5 mg/Tag/Person kommen. Bei sauren Lebensmitteln wie Sauerkraut oder auch Tomaten können aufgrund der Säurelöslichkeit wesentlich höhere Werte erreicht werden. [76]

Trink- und Mineralwässer weisen mit durchschnittlich 0,2–0,4 mg/l im Gegensatz zur Nahrung geringe Gehalte auf und stellen somit nur einen kleinen Beitrag zur täglichen Aluminium-Aufnahme. [74] [76] Die Trinkwasserverordnung legt einen Grenzwert von 0,2 mg/l fest. Trinkwasser darf in Deutschland, Österreich und der Schweiz keine höheren Werte aufweisen.

Nach einer Schätzung nimmt der erwachsene Europäer im Durchschnitt zwischen 1,6 und 13 mg Aluminium pro Tag über die Nahrung auf. Dies entspricht einer wöchentlichen Aufnahme von 0,2 bis 1,5 mg Aluminium pro kg Körpergewicht bei einem 60 kg schweren Erwachsenen. Die großen Unsicherheiten beruhen auf den unterschiedlichen Ernährungsgewohnheiten und der variablen Gehalte an Aluminium in den Lebensmitteln. [74]

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (Efsa) legt eine tolerierbare wöchentliche Aufnahme (TWI) von 1 mg Aluminium pro kg Körpergewicht fest. [77]

Aluminium ist als Lebensmittelzusatzstoff unter der Bezeichnung E 173 ausschließlich als Farbstoff für Überzüge von Zuckerwaren und als Dekoration von Kuchen und Keksen erlaubt. Weiterhin ist Aluminium zum Färben von Arzneimitteln und Kosmetika zugelassen. [78]

Bei der Untersuchung von Laugengebäck (Brezeln, Stangen, Brötchen) aus Bäckereien wurde Aluminium nachgewiesen, das in das Lebensmittel gelangt, wenn bei der Herstellung von Laugengebäck Aluminiumbleche verwendet werden. [79]

Während Bier in Aluminiumfässern transportiert wird, hat sich für den Weintransport der Werkstoff Aluminium nicht durchgesetzt. Ein kurzfristiger Kontakt schadet nicht, doch können nach längerem Kontakt Weinfehler in Geruch und Geschmack oder als Trübung auftreten, vor allem beim offenen Stehen an der Luft. [80]

Toxizität

Bei eingeschränkter Nierenfunktion und bei Dialyse -Patienten führt die Aufnahme von Aluminium zu progressiver Enzephalopathie (Gedächtnis- und Sprachstörungen, Antriebslosigkeit und Aggressivität) durch Untergang von Hirnzellen und zu fortschreitender Demenz, zu Osteoporose ( Arthritis ) mit Knochenbrüchen und zu Anämie [81] (weil Aluminium dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt).

Speziell im Hinblick auf die Verwendung in Deodorants und Lebensmittel-Zusatzstoffen werden die gesundheitlichen Auswirkungen von Aluminium kontrovers diskutiert. [82] [83] So wurde Aluminium mehrfach kontrovers als Faktor im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht. [83]

Laut einer Studie des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) vom Juli 2007 wurde im allgemeinen Fall zum Zeitpunkt der Erstellung der Studie aufgrund der vergleichsweise geringen Menge kein Alzheimer-Risiko durch Aluminium aus Bedarfsgegenständen erkannt; jedoch sollten vorsorglich keine sauren Speisen in Kontakt mit Aluminiumtöpfen oder -folie aufbewahrt werden. [76] Eine Neubewertung erfuhr im Februar 2014 die Verwendung von aluminiumhaltigen Deodorants und Kosmetikartikel durch das Bundesinstitut für Risikobewertung: Aluminiumsalze aus solchen Produkten können durch die Haut aufgenommen werden, und die regelmäßige Benutzung über Jahrzehnte hinweg könnte möglicherweise zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen beitragen. [84]

Die britische Alzheimer-Gesellschaft mit Sitz in London vertritt den Standpunkt, dass die bis 2008 erstellten Studien einen kausalen Zusammenhang zwischen Aluminium und der Alzheimer-Krankheit nicht überzeugend nachgewiesen haben. [85] Dennoch gibt es einige Studien, wie z. B. die PAQUID-Kohortenstudie in Frankreich, mit einer Gesundheitsdatenauswertung von 3777 Personen im Alter ab 65 Jahren seit 1988 bis zur Gegenwart, [86] in welchen eine Aluminium-Exposition als Risikofaktor für die Alzheimer-Krankheit angegeben wird. Demnach wurden viele senile Plaques mit erhöhten Aluminium-Werten in Gehirnen von Alzheimer-Patienten gefunden. Es ist jedoch unklar, ob die Aluminium-Akkumulation eine Folge der Alzheimer-Krankheit ist, oder ob Aluminium in ursächlichem Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit zu sehen ist. [87]

Aspekte der Ökobilanz

Die Herstellung von Aluminium ist sehr energieaufwendig . Allein für die Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnung eines Kilogramms Aluminium werden je nach Errichtungsdatum und Modernität der Anlage zwischen 12,9 und 17,7 kWh elektrische Energie benötigt. [28] Bei der Stromerzeugung für die Produktion von einem Kilogramm Aluminium werden im deutschen Kraftwerkspark 8,4 kg CO 2 freigesetzt, im weltweiten Durchschnitt etwa 10 kg. Es ist aber auch zu bedenken, dass aufgrund des Kostenfaktors Energie die Elektrolyse verstärkt an Orten erfolgt, an denen auf billige, CO 2 -emissionsarme Wasserkraft zurückgegriffen werden kann, wie etwa in Brasilien , Kanada , Venezuela oder Island . [88] Allerdings ist auch bei Verwendung von Elektrizität aus vollständig regenerativen Energien die Produktion von Aluminium nicht CO 2 -frei, da der bei der Schmelzflusselektrolyse entstehende Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu CO 2 reagiert. Die Verbrauchswerte für Roh-Aluminium erhöhen sich durch Transport- und Verarbeitungsanteile für das Wiederaufschmelzen, Gießen, Schleifen, Bohren, Polieren etc. auf ca. 16,5 kg CO 2 pro kg Aluminium-Konsumgut. [89]

Die europaweite Recyclingrate von Aluminium liegt bei 67 Prozent. In Österreich gelangen (laut einer Studie aus dem Jahr 2000) [90] 16.000 Tonnen Aluminium pro Jahr über Verpackungen in den Konsum, ebenso gelangen 16.000 Tonnen Aluminium ohne Wiederverwertung in den Hausmüll (dabei sind unter anderem auch die Aluminiumhaushaltsfolien eingerechnet, die nicht als „Verpackung“ gelten). 66 Prozent der Verpackungen im Restmüll sind Aluminium[getränke]dosen . Diese liegen nach der Müllverbrennung in der Asche noch metallisch vor und machen in Europa durchschnittlich 2,3 Prozent der Asche aus. [91] In der EU werden durchschnittlich 70 Prozent des in der Bodenasche enthaltenen Aluminiums zurückgewonnen. [92]

Durch den Abbau des Erzes Bauxit werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einer Rekultivierung wieder nutzbar werden. Um eine Tonne Aluminium herzustellen, werden vier Tonnen Bauxit benötigt. Dies erzeugt zehn Tonnen Abraum. [93] Zudem entstehen bei der Herstellung des Aluminiumoxids nach dem Bayer-Verfahren ca. drei Tonnen von eisenreichem alkalischen Rotschlamm , [94] der kaum wiederverwertet wird und dessen Deponierung oder sonstige „Entsorgung“ große Umweltprobleme aufwirft.

Positiv ist hingegen die gute Wiederverwendbarkeit von Aluminium hervorzuheben, wobei die Reststoffe streng getrennt erfasst und gereinigt werden müssen ( Aluminiumrecycling , Recycling-Code -41 (ALU)). Aluminium ist dabei besser rezyklierbar als Kunststoffe , wegen Downcycling bei nicht sortenreiner Erfassung jedoch etwas schlechter wiederverwertbar als Stahl . Beim Aluminiumrecycling wird nur 5 Prozent der Energiemenge der Primärproduktion benötigt. [95] Durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) wird Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Einsparung von Treibstoff führen kann.

Aluminium ist durch seine Selbstpassivierung korrosionsbeständiger als Eisen und erfordert daher weniger Korrosionsschutzmaßnahmen.

Nachweis

Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnter Kobaltnitratlösung auf der Magnesia -Rinne nach. Dabei entsteht das Pigment Thénards Blau (auch Kobaltblau oder Cobaltblau, Dumonts Blau, Coelestinblau, Leithners Blau, Cobaltaluminat). Es ist ein Cobaltaluminium spinell mit der Formel CoAl 2 O 4 . Diese Nachweisreaktion wurde 1795 von Leithner durch Glühen von Aluminiumsulfat und Cobalt(II)-nitrat (Co(NO 3 ) 2 ) entdeckt.

Nachweis mittels Kryolithprobe

Die Probelösung wird alkalisch gemacht, um Aluminium als Aluminiumhydroxid Al(OH) 3 zu fällen . Der Niederschlag wird abfiltriert und mit einigen Tropfen Phenolphthalein versetzt, dann gewaschen, bis keine Rotfärbung durch Phenolphthalein mehr vorhanden ist. Anschließend festes Natriumfluorid (NaF) auf den Niederschlag streuen: Es bildet sich eine Rotfärbung durch Phenolphthalein, verursacht von freigesetzten Hydroxidionen bei der Bildung von Kryolith Na 3 [AlF 6 ].

Nachweis als fluoreszierender Morinfarblack

Die Probe wird mit Salzsäure (HCl) versetzt und eventuell vorhandenes Aluminium somit gelöst. Anschließend wird die Probelösung mit Kaliumhydroxid (KOH) stark alkalisch gemacht. Gibt man nun einige Tropfen der Probelösung zusammen mit der gleichen Menge Morin -Lösung auf eine Tüpfelplatte und säuert anschließend mit konzentrierter Essigsäure ( Eisessig , CH 3 COOH) an, so ist unter UV-Strahlung (λ = 366 nm) eine grüne Fluoreszenz beobachtbar. Der Nachweis ist dann sicher, wenn diese Fluoreszenz bei Zugabe von Salzsäure wieder verschwindet. [96]

Grund hierfür ist, dass Al(III) in neutralen sowie essigsauren Lösungen in Verbindung mit Morin eine fluoreszierende kolloidale Suspension bildet.

Verbindungen

  • Aluminiumoxid Al 2 O 3 (englisch alumina ), auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor. Es ist das Endprodukt des Bayer-Verfahrens und dient in erster Linie als Ausgangsmaterial für die Aluminiumgewinnung ( Schmelzflusselektrolyse ). Es wird darüber hinaus als Schleif- oder Poliermittel und für Uhrensteine, Ziehsteine und Düsen verwendet. In keramischer Form dient es als Isolierstoff, Konstruktionskeramik, als Substratmaterial für Dickschichtschaltkreise , als Grundplatte von Leistungshalbleitern und in transparenter Form als Entladungsgefäß von Natriumdampf-Hochdrucklampen .
  • Aluminiumhydroxid Al(OH) 3 wird ebenfalls nach dem Bayer-Verfahren gewonnen und ist das wichtigste Ausgangsmaterial zur Erzeugung anderer Al-Verbindungen, vor allem für Aluminate . Als reines Produkt wird es als Füllstoff und zum Brandschutz in Kunststoffen und Beschichtungen eingesetzt.
  • Aluminiumchlorid , Polyaluminiumchlorid und Aluminiumsulfat werden vor allem als Flockungsmittel in der Wasseraufbereitung , Abwasserreinigung und der Papierindustrie eingesetzt.
  • Natriumaluminat NaAl(OH) 4 wird ebenfalls als Flockungsmittel verwendet und ist weiterhin Rohstoff für die Zeolith -Produktion, Titandioxid -Beschichtung und Calciumaluminatsulfat -Herstellung.
  • Zeolithe ( Alumosilikate ) als Ionenaustauscher , in Lebensmitteln und in Waschmitteln zur Wasserenthärtung .
  • Alaune ( Kaliumaluminiumsulfat , KAl(SO 4 ) 2 ·12H 2 O). Wegen seiner adstringierenden Wirkung als Rasierstift eingesetzt zum Stillen von kleinen Blutungen.
  • Aluminiumdiacetat , bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
  • Aluminiumorganische Verbindungen wie etwa Triethylaluminium werden im großtechnischen Maßstab als Katalysatoren in der Polyethylen -Herstellung eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik . Hier werden flüchtige Aluminiumalkyle ( Trimethylaluminium , Triethylaluminium etc.) als Vorstufen zur CVD ( chemical vapor deposition ) von Aluminiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliciumdioxid einsetzt.
  • Aluminiumoxynitrid ist ein transparenter keramischer Werkstoff.
  • Aluminiumnitrid ist ein Konstruktions- und Isolationswerkstoff und zeichnet sich durch sehr hohe Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur aus. Außerdem könnte die hohe Bandlücke die Anwendung als Wide-Bandgap-Halbleiter ermöglichen.
  • Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH 4 ) ist ein starkes Reduktionsmittel , welches weitverbreitet bei der Synthese organischer Verbindungen ist.
  • Phosphate : Aluminiumphosphate sind Aluminiumsalze der Phosphorsäure . Aufgrund der Eigenschaft der Phosphorsäure beziehungsweise des Phosphat – Anions (PO 4 3− ), unter bestimmten Bedingungen Wasser abzuspalten und infolgedessen zu polymerisieren , sind verschiedene Aluminiumphosphate bekannt:
    • Aluminiumorthophosphat (AlPO 4 )
    • Aluminiummetaphosphat (Al(PO 3 ) 3 )
    • Monoaluminiumphosphat (Al(H 2 PO 4 ) 3 )
    • Aluminiumpolyphosphat
In der Natur treten Aluminiumphosphate meist in Form von Doppelsalzen auf. Beispiele hierfür sind etwa der Wavellit (Al 3 (PO 4 ) 2 (F, OH) 3 · 5H 2 O) oder der Türkis , ein Mischphosphat aus Kupfer und Aluminium/Eisen: Cu(Al,Fe) 6 (PO 4 ) 4 (OH) 8  · 4 H 2 O.

Unter besonderen Bedingungen tritt Aluminium auch einwertig auf. Diese Verbindungen werden zur Gewinnung von hochreinem Aluminium genutzt ( Subhalogeniddestillation ).

Literatur

  • Luitgard Marschall: Aluminium. Metall der Moderne. Oekom, München 2008, ISBN 978-3-86581-090-8 .
  • P. F. Zatta, A. C. Alfrey: Aluminium Toxicity in Infant’s Health and Disease. World Scientific Publishing, Singapur 1977, ISBN 981-02-2914-3 (englisch).
  • Hans Joliet (Hrsg.): Aluminium – Die ersten hundert Jahre , VDI Verlag, 1988, ISBN 3-18-400802-9 .
  • MATERIAL ARCHIV: Aluminium – Umfangreiche Materialinformationen und Bilder.
  • Newsseite des Gesamtverbands der Aluminiumindustrie
  • aluMATTER – ein interaktives E-Learning-Tool über Aluminium Werkstoffkunde, Fertigung und Anwendungen, in vier Sprachen umschaltbar – daher auch gut geeignet als Fachwortlexikon.
  • Elektrochemische Experimente mit Aluminium
  • Aluminium im menschlichen Körper
  • Christopher Exley: Aluminium and Medicine, in Molecular and Supramolecular Bioinorganic Chemistry. ISBN 978-1-60456-679-6 , englisch, herbalix.com (PDF; 174 kB) zuletzt abgerufen Juni 2013.
  • Lars Fischer: Wie gefährlich ist Aluminium? Spektrum.de, 14. Juli 2014.
  • Die Akte Aluminium : ein Film von Bert Ehgartner. 2013. Eine Koproduktion von Langbein & Partner Media mit ZDF/ARTE, ORF und SRF | gefördert von Fernsehfonds Austria und Filmfonds Wien | Weltvertrieb: autlook Films ( YouTube )

 

Einzelnachweise

  1.  a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2.  Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Aluminium) entnommen.
  3.  IUPAC, Standard Atomic Weights Revised v2.
  4.  Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: The Journal of Physical Chemistry A. 113, 2009, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
  5.  David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press LLC, 1998, ISBN 0-8493-0479-2.
  6.  Robert C. Weast (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. (Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert).
  7.  A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91.–100., verbesserte und stark erweiterte Auflage. de Gruyter, Berlin 1985, ISBN 3-11-007511-3, S. 868.
  8.  a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  9.  W. B. Frank, W. E. Haupin, H. Vogt, M. Bruno, J. Thonstad, R. K. Dawless, H. Kvande, O. A. Taiwo: Aluminium. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2009, doi:10.1002/14356007.a01_459.pub2.
  10. Joseph L. Rose: Ultrasonic Waves in Solid Media. Cambridge University Press, 2004, ISBN 978-0-521-54889-2, S. 44 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).‌
  11.  Tribikram Kundu: Ultrasonic and Electromagnetic NDE for Structure and Material Characterization. CRC Press, 2012, ISBN 1-4398-3663-9, S. 94 ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).‌
  12.  Aluminium. (Memento vom 14. Juli 2008 im Internet Archive) In: Baustoffsammlung der Fakultät für Architektur der TU München.
  13. Nicht-Eisen-Metalle. (PDF).
  14.  Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 7429-90-5 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
  15.  Datenblatt Aluminium bei AlfaAesar, abgerufen am 13. März 2011 (JavaScript erforderlich).
  16. Für Stoffe ist seit dem 1. Dezember 2012, für Gemische seit dem 1. Juni 2015 nur noch die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung gültig. Die EU-Gefahrstoffkennzeichnung ist daher nur noch auf Gebinden zulässig, welche vor diesen Daten in Verkehr gebracht wurden.
  17.  Eintrag aus der CLP-Verordnung zu CAS-Nr. 7429-90-5 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich).
  18.  Alumina Production. In: world-aluminium.org. The International Aluminium Institute, abgerufen am 14. Februar 2016. 
  19.  Primary Aluminium Production. In: world-aluminium.org. The International Aluminium Institute, abgerufen am 14. Februar 2016. 
  20. Aluminiumkonjunktur entwickelt sich positiv. In: aluinfo.de. Gesamtverband der Aluminiumindustrie e.V., abgerufen am 14. Februar 2016. 
  21. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  22.  Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. Auflage. Butterworth–Heinemann, 1997, ISBN 0-08-037941-9, S. 217.
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  26. Eutektikum Aluminiumoxid/Kryolith.
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  28.  a b Matthias Dienhart: Ganzheitliche Bilanzierung der Energiebereitstellung für die Aluminiumherstellung. (PDF; 1,3 MB) Dissertation an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Juni 2003, S. 7.
  29. Rainer Quinkertz: Optimierung der Energienutzung bei der Aluminiumherstellung. Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2002, S. 75–77.
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  34.  Recycling ist nur der zweitbeste Weg. In: Der Spiegel. Nr. 25, 1993 (online).‌
  35. Udo Boin, Thomas Linsmeyer, Franz Neubacher, Brigitte Winter: Stand der Technik in der Sekundäraluminiumerzeugung im Hinblick auf die IPPC-Richtlinie. (Österreichisches) Umweltbundesamt, Wien 2000, ISBN 3-85457-534-3 (umweltbundesamt.at PDF).
  36.  a b Askeland: Materialwissenschaft. Spektrum, Heidelberg 1996.
  37.  Bernhard Ilschner: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-642-01734-6, S. 277.‌
  38.  Der Technologie-Leitfaden von ELB. In: Eloxalwerk Ludwigsburg.
  39. Was ist Gefahrgut im Passagiergepäck? Website des Luftfahrt-Bundesamtes.
  40. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 319.
  41. Primary Aluminium. In: London Metal Exchange. (Login nötig).
  42.  Askeland: Materialwissenschaft. Spektrum, Heidelberg 1996, S. 364.
  43.  Askeland: Materialwissenschaft. Spektrum, Heidelberg 1996, S. 362.
  44. Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V.: Meerwasserbeständigkeit von Aluminiumknetlegierungen. Abgerufen am 29. März 2013 (PDF; 54 kB). 
  45.  world-aluminium.org: The Global Aluminium Industry 40 years from 1972 (PDF; 308 kB), abgerufen am 17. November 2013.
  46.  René Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 8. Aufl. Teubner, 2003, ISBN 3-519-26424-2, Kapitel 1.2.2.4.‌
  47.  Stanley Wolf: Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 2: Process Integration. Lattice Press, Sunset Beach, Calif. 1990, ISBN 0-9616721-4-5, S. 191 ff.‌
  48. Stanley Wolf: Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 4: Deep-Submicron Process Technology. Lattice Press, Sunset Beach 2002, ISBN 0-9616721-7-X, S. 723 ff.‌
  49. vgl. Stanley Wolf: Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 4: Deep-Submicron Process Technology. Lattice Press, Sunset Beach 2002, ISBN 0-9616721-7-X, S. 713.‌
  50. Robert Brockmann: Verlust der Heliumdichtheit. In: Vakuum in Forschung und Praxis. Band 26, Nr. 2, 1. April 2014, S. 19–22, doi:10.1002/vipr.201400547 (PDF).‌
    *** Parameterformat: ‚Monat’=04; ‚Tag’=01
  51. Verheilung von Aluminium: Aktuelles zum UST-Verfahren.
  52. Joachim Achtziger, Günter Pfeifer, Rolf Ramcke, Konrad Zilch: Mauerwerk Atlas. Institut für internationale Architektur-Dokumentation, 2001, S. 59 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).‌
  53.  K. Zilch, C. J. Diederichs, R. Katzenbach, K. J. Beckmann (Hrsg.): Handbuch für Bauingenieure. Technik, Organisation und Wirtschaftlichkeit. 2. Aufl. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-14449-3, S. 182.‌
  54.  Bernd Leitenberger: Chemische Raketentreibstoffe Teil 1. In: Bernd Leitenbergers Web Site.H Aluminium auf Feuerwerk-Wiki: www.feuerwerk.net.
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