Aluminium

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Aluminium, Al, 13
Serie Metalle
Gruppe, Periode, Block 13, 3, p
Aussehen silbrig
CAS-Nummer 7429-90-5
Massenanteil an der Erdhülle 7,57 %[1]
Atomar [2]
Atommasse 26,9815385(7) [3] u
Atomradius (berechnet) 125 (118) pm
Kovalenter Radius 121 pm
Van-der-Waals-Radius 184[4] pm
Elektronenkonfiguration [Ne] 3s2 3p1
Austrittsarbeit 4,06–4,26 eV [5]
1. Ionisierungsenergie 577,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1816,7 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 2744,8 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 2,7 g/cm3
Mohshärte 2,75
Magnetismus paramagnetisch (\chi_{m} = 2,1 · 10−5)[6]
Schmelzpunkt 933,35 K (660,2 [7] °C)
Siedepunkt 2743 K[8] (2470 °C)
Molares Volumen 10,00 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 284 kJ/mol[8]
Schmelzwärme 10,7[9] kJ/mol
Schallgeschwindigkeit 6250-6500 (Longitudinalwelle);
3100 (Scherwelle)[10][11] m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 897[1] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 37,7 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit 235 W/(m · K)
Mechanisch [2]
E-Modul 70.000 N/mm²[12]
Poissonzahl 0,34[13]
Chemisch [2]
Oxidationszustände 1, 2, 3
Oxide (Basizität) Al2O3 (amphoter)
Normalpotential −1,676 V (Al3+ + 3 e → Al)
Elektronegativität 1,61 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
25Al

{syn.}

7,183 s ε 4,277 25Mg
26Al

in Spuren

7,17 · 105 a ε 4,004 26Mg
27Al

100 %

Stabil
28Al

{syn.}

2,2414 min β 4,642 28Si
29Al

{syn.}

6,56 min β 3,680 29Si
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
Er(1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
27Al 5/2 6,976 · 107
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [14]


Pulver

02 – Leicht-/Hochentzündlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228​‐​261 (nicht stabilisiert)
H: 250​‐​261 (phlegmatisiert)
P: 210​‐​222​‐​231+232​‐​280​‐​422​‐​501Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze [15]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [16] aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [14]

Pulver

Leichtentzündlich
Leicht-
entzündlich
(F)
R- und S-Sätze R: 15​‐​17 (nicht stabilisiert)
R: 10​‐​15 (phlegmatisiert)
S: (2)​‐​7/8​‐​43
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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. Es ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. 2010 wurden 41 Mio. t Primäraluminium hergestellt.[17] Obwohl das Metall sehr unedel ist, reagiert es wegen Passivierung bei Raumtemperatur nur oberflächlich mit Luft und Wasser.

Geschichte

Der englische Chemiker Sir Humphry Davy

Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen noch nicht lange bekannt. Erst im Jahre 1808 beschrieb es Sir Humphry Davy als „Aluminum“ und versuchte seine Herstellung. Dies gelang Hans Christian Ørsted erstmalig im Jahr 1825, durch Reaktion von Aluminiumchlorid (AlCl3) mit Kaliumamalgam, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient:[18]

\mathrm{4\ AlCl_3 + 3\ K \rightarrow Al + 3\ KAlCl_4}
Hans Christian Ørsted, erster Hersteller des Aluminiums

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, was dazu führte, dass der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90 % fiel.

1886 wurde unabhängig voneinander durch Charles Martin Hall und Paul Héroult das jetzt nach ihnen benannte Elektrolyseverfahren zur Herstellung von Aluminium entwickelt: der Hall-Héroult-Prozess. 1889 entwickelte Carl Josef Bayer das nach ihm benannte Bayer-Verfahren zur Aluminiumherstellung. Aluminium wird noch heute nach diesem Prinzip großtechnisch hergestellt.

Am Ende des 19. Jahrhunderts stand das Metall in solchem Ansehen, dass man daraus gefertigte Metallschiffe durchaus 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.[19] Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) beschloss im Jahr 1990, dass der Elementname Aluminium laute, akzeptierte 3 Jahre später aber auch 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, wo 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 % den höchsten Aluminiumanteil in der Verbindung. Einen ähnlich hohen Aluminiumanteil haben die noch selteneren Minerale Akdalait (≈51 %) und Diaoyudaoit (≈50 %). Insgesamt sind bisher (Stand: 2010) 1156 aluminiumhaltige Minerale bekannt.[20]

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 % Aluminiumhydroxid (Al(OH)3 und AlO(OH)), etwa 30 % Eisenoxid (Fe2O3) und Siliciumdioxid (SiO2).

Bei der Herstellung unterscheidet man Primäraluminium, auch Hüttenaluminium genannt, das aus Bauxit gewonnen wird, und Sekundäraluminium aus Aluminiumschrott. Die Wiederverwertung benötigt dabei nur etwa 5 % Energie der Primärgewinnung.

Trotz seines unedlen Charakters kann Aluminium in der Natur auch elementar vorkommen. Hier tritt es sehr selten gediegen, das heißt elementar, meist in Form von körnigen bis massigen Aggregaten auf, kann in seltenen Fällen aber auch tafelige Kristalle bis etwa einen Zentimeter Größe entwickeln.[21] 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.[22] Aufgrund der extremen Seltenheit hat gediegenes Aluminium keine Bedeutung als Rohstoffquelle.

Gewinnung

Primäraluminium (Herstellung aus Mineralien)

Zeitliche Entwicklung der weltweiten Primäraluminiumproduktion

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 (Al2O3) gebrannt.

Der sogenannte trockene Aufschluss (Deville-Verfahren) hat dagegen keine Bedeutung mehr. Dabei wird feinstgemahlenes, ungereinigtes Bauxit zusammen mit Soda und Koks in Drehrohröfen bei rund 1200 °C kalziniert und das entstehende Natrium-Aluminat anschließend mit Natronlauge gelöst.

Die Herstellung von Aluminium erfolgt ausschließlich 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).[23]

Der Prozess ist aufgrund der hohen Bindungsenergie des Aluminiums und seiner Dreiwertigkeit recht energieaufwändig. Der Energieeinsatz liegt bei 12,9 bis 17,7 Kilowattstunden pro produziertem Kilogramm Roh-Aluminium.[24][25] Energieeinsparungen sind möglich durch:[26]

  • Reduzierung des Strombedarfs (nur in geringem Ausmaß, weil die Potentiale für energetische Optimierungen weitgehend erschlossen sind),
  • Einsparungen bei der Stromherstellung aufgrund höherer Wirkungsgrade
  • erhöhte Recyclingraten durch verbesserte Aussortierung, beispielsweise beim Schreddern in der Autoverwertung.

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 Kohlendioxid und Kohlenstoffmonoxid reagiert.

Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen wegen des im Prozess entstehenden Sauerstoffs langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphit-Kathode (Gefäßboden) ist gegenüber dem Aluminium inert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.

Die Aluminiumherstellung ist nur in der Nähe preiswert zur Verfügung stehender Elektroenergie wirtschaftlich.

Bauxit-Produktion in Tausend Tonnen (2008)[27]
Land Förderung Reserven Vorratsbasis
AustralienAustralien Australien 63.000 5.800.000 7.900.000
China VolksrepublikChina Volksrepublik China 32.000 700.000 2.300.000
IndienIndien Indien 20.000 770.000 1.400.000
GuineaGuinea Guinea 18.000 7.400.000 8.600.000
JamaikaJamaika Jamaika 15.000 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)[28]
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 Kratzvorrichtungen 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 CaF2) abgedeckt (siehe dazu Aluminiumrecycling). Dabei entsteht als Nebenprodukt Salzschlacke, die noch ca. 10 % Aluminium enthält, die, entsprechend aufbereitet, als Rohstoff für mineralische Glasfasern dient.[29]

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.[30][31]

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 %.[32] Die Zugfestigkeit seiner Legierungen liegt dagegen bei bis zu 570 /mm². Sein Elastizitätsmodul liegt bei etwa 70.000 MPa.[32] Es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünnen Folien verarbeitet werden. Sogenannte Aluminium-Knetlegierungen lassen sich auch bei niedrigen Temperaturen gut umformen, biegen, pressen und schmieden. Durch Kaltumformen entstandene Verfestigungen können durch Weichglühen (bis 250 °C) beseitigt werden. Auch Duraluminium ist bei dieser Temperatur umformbar.

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

Der Schmelzpunkt liegt bei 660,4 °C und der Siedepunkt bei 2470 °C. Die Dichte von 2,7 g/cm³ bei Aluminium zeigt den Typus als Leichtmetall deutlich.

Chemische Eigenschaften

Geätzte Oberfläche eines hochreinen (99,9998 %) Aluminium-Barrens, Größe 55 mm × 37 mm
Hochreines Aluminium (99,99 %), makrogeätzt
Alubarren aus dem Werk in Gampel im Kanton Wallis

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.[33]

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 das Quecksilber Löcher in das Aluminium; unter Wasser wächst dann darüber Aluminiumoxid in Gestalt eines kleinen Blumenkohls. Daraus ist abgeleitet, dass Quecksilber in der Luftfahrt als Gefahrgut und „ätzende Flüssigkeit“ gegenüber Aluminiumwerkstoffen behandelt wird.[34]

Mit Salzsäure reagiert Aluminium auch 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

Hauptartikel: Aluminiumlegierung

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, Ni3Al und TiAl.[35]

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 den Markennamen Duraluminium.

Verwendung

Der Aluminiumpreis im Vergleich zum Kupferpreis
  • Aluminium
  • Kupfer

Der Aluminiumpreis bewegt sich am Weltmarkt seit 1980 um den Wert von 2000 Dollar pro Tonne herum (Reinheit von 99,7 %). 1988 und 2008 gab es Ausschläge nach oben.[36]

Konstruktionswerkstoff

Typisches Druckguss-Teil aus einer Aluminiumlegierung (Teil eines Staubsaugergebläses)

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.[37] 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 grösten Aluminiumwerkstücke.[38] 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.[39] Der Fahrzeugbau machte 2010 mit ca. 35 % den größten Anteil an der Verwendung von Aluminium aus.[17]

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-Umguss am Käfigläufer-Blechpaket (zylindrisches Teil in der Mitte) eines Spaltpolmotors. Die Aluminium-Käfigstäbe verlaufen im Inneren. An den Stirnseiten sind zusätzlich Lüfterflügel mitgegossen. Obere Wicklung und Lagerschalen des Motors sind entfernt.

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter. Es weist nach Silber, Kupfer und Gold die vierthöchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle auf. Aluminium leitet elektrischen Strom je Gramm Masse besser als Kupfer, ist aber voluminöser als dieses. Ein Leiter aus Kupfer, beispielsweise in Form eines Drahtes, ist bei gegebenen elektrischen Widerstand schwerer als ein im Querschnitt größerer Leiter mit gleichem elektrischen Widerstand aus Aluminium. 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.[40] Aus dem Grund zur 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 dem 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 stark absinkende Leitfähigkeit zeigt.

Elektronik

Aluminium als Leitermaterial für Bonddrähte und Metallisierung in einem Bipolartransistor

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

Bei integrierten Schaltkreisen wurde lange Zeit primär Aluminium als Leiterbahnmaterial eingesetzt. Bis in die 1980er-Jahre wurde es auch als Steuerelektroden-Material (Gate) der Feldeffekttransistoren verwendet, vgl. metallische Steuerelektrode.[41] Neben dem geringen spezifischen Widerstand sind die gute Haftung auf und geringe Diffusion in Siliciumoxiden (Isolationsmaterial zwischen den Leiterbahnen) sowie die einfache Strukturierbarkeit mithilfe von Trockenätzen für die Verwendung 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.[42] Der höheren Fertigungsaufwand wird durch den geringeren spezifischen Widerstand, der im Fall von kleinen Strukturen bei Aluminium viel früher signifikant ansteigt[43] und anderen Eigenschaften (z. B. Elektromigrationverhalten) überwogen und die Aluminium-Prozesse konnte die gestiegenen Anforderungen (Taktfrequenz, Verlustleistung, etc.) bei rechenstarken mikroelektronischen Produkten nicht mehr genügen (siehe auch RC-Glied).

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

Eine klassische italienische Espressokanne aus Aluminium

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.

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

Reflexionsgrad von Aluminium (blau, Al) im Vergleich zu Gold (rot, Au) und Silber (grau, Ag)

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.

Weitere Anwendungen

In der Raketentechnik besteht der Treibstoff von Feststoffraketen zu maximal 30 % aus Aluminiumpulver, das bei seiner Verbrennung viel Energie freisetzt.[44] Aluminium wird in Feuerwerken (s. a. Pyrotechnik) verwendet, wo es je nach Körnung und Mischung für farbige Effekte sorgt.[45] Ebenso ist es neben Eisen(III)-oxid Bestandteil der stark exothermen (bis zu 2500 °C) Thermitreaktion beim aluminothermischen Schweißen.

Aluminiumpulver und Aluminiumpasten werden zur Herstellung von Porenbeton eingesetzt und es 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 (siehe Leichtdach) sowie Dachrinnen eingesetzt.

Fertigungsverfahren

Gießen

Datenschieber für den Aluminiumguss

Aluminium gehört aufgrund seines vergleichsweise geringen Schmelzpunktes von 660 °C (Gusseisen etwa 1150 °C, Stahl 1400 °C bis 1500 °C) und seines guten Fließvermögens zu den häufig in der Gießerei verwendenten Werkstoffen. Spezielle Gusslegierungen mit Silicium haben sogar Schmelzpunkte um 577 °C.[46] Aus dem niedrigen Schmelzpunkt folgt ein geringer Energieeinsatz beim Schmelzvorgang sowie eine geringere Temperaturbelastung der Formen.[47] Aluminium eignet sich grundsätzlich für alle Gussverfahren, insbesondere für Druckguss bzw. Aluminiumdruckguss, mit denen auch kompliziert geformte Teile gefertigt werden können.

Umformende Verfahren

Siehe auch: Umformen

Etwa 74 % des Aluminiums wird durch Umformen bearbeitet.[48] 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.[49]

Spanende Verfahren

Siehe auch: Zerspanen und Zerspanbarkeit

Aluminiumwerkstoffe sind gut spanbar.[50] 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.[51] Insbesondere die Bearbeitung von eloxierten Werkstücken erfordert harte Werkzeuge, um Verschleiß durch die harte Eloxalschicht zu vermeiden.

Schweißen und Löten

Siehe auch: Schweißen und Löten

Grundsätzlich sind alle Aluminium-Werkstoffe zum Schweißen geeignet, wobei jedoch reines Aluminium zu Poren in der Schweißnaht neigt.[52] Außerdem neigt die Aluminiumschmelze zu Reaktionen mit der Atmosphäre, weshalb immer unter Schutzgas geschweißt wird. Für das Elektronenstrahlschweißen eignen sich alle Werkstoffe, jedoch neigen Magnesium und Zinn zum Verdampfen während des Schweißvorgangs.[53] Lichtbogenhandschweißen wird nur noch selten verwendet, meist zur Gussnachbesserung. Gut gegeeignet 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 alle Werkstoffe. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit erstarrt die Schmelze jedoch 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.

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, wie auch Silber und Gold, als entbehrlich.[54] Im menschlichen Körper befinden sich durchschnittlich etwa 50 bis 150 Milligramm Aluminium.[55] Diese verteilen sich zu ungefähr 50 % auf das Lungengewebe, zu 25 % auf die Weichteile und zu weiteren 25 % auf die Knochen. Aluminium ist damit als Spurenelement ein natürlicher Bestandteil unseres Körpers.

99 bis 99,9 % der üblicherweise in Lebensmitteln pro Tag aufgenommenen Menge von Aluminium (10–40 mg) werden unresorbiert über den Kot wieder ausgeschieden. Chelatbildner (Komplexbildner) wie Citronensäure können die Resorption auf zwischen zwei und drei 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.[55]

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[56] ist dies vermehrt der Fall (siehe dazu auch Waldsterben).

Ein großer Teil des Bodens auf der Welt ist chemisch sauer. Liegt der pH-Wert unter 5,0, werden Al3+-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 an den Spitzen der Wurzeln. Die Pflanze, wenn sie nicht Aluminium-tolerant ist, steht dann unter Stress. Zahlreiche Enzyme und signalübertragenden Proteine sind betroffen; die Folgen der Vergiftung sind noch nicht vollständig bekannt. In sauren metallhaltigen Böden ist Al3+ 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.[57][58][59][60]

In Lebensmitteln

Lebensmittel [61] Aluminium-Gehalt 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 als Spurenelement 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 erheblichen Maße.[62] So weisen beispielsweise Salat und Kakao deutlich höhere Durchschnittswerte auf. Schwarzer Tee kann Gehalte von bis zu 1042 mg/kg in der Trockenmasse aufweisen.[63]

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.[64]

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.[62][64] 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.[62]

Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (Efsa) legt eine tolerierbare wöchentliche Aufnahme (TWI) von 1 Milligramm Aluminium pro Kilogramm Körpergewicht fest.[65]

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.[66]

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.[67]

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.[68]

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[69] (weil Aluminium dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt).

Trotz seiner Anwendung in Deodorants und Lebensmittel-Zusatzstoffen werden die gesundheitlichen Auswirkungen von Aluminium kontrovers diskutiert.[70][71] So wurde Aluminium mehrfach kontrovers als Faktor im Zusammenhang mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht.[71]

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.[64] 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.[72]

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.[73] 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[74], 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.[75]

Aspekte der Ökobilanz

Recycling-Code für Aluminium

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.[25] Anschaulich formuliert benötigt die Schmelzflusselektrolyse eines Kilogramms Roh-Aluminium für eine Autofelge so viel Energie wie der Betrieb eines 24-Zoll-LCD-Flachbildschirms (ca. 50 W) in einem Monat, wenn er täglich acht Stunden leuchtet. Bei der Stromerzeugung für die Produktion von einem Kilogramm Aluminium werden im deutschen Kraftwerkspark 8,4 kg CO2 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, CO2-emissionsarme Wasserkraft zurückgegriffen werden kann, wie etwa in Brasilien, Kanada, Venezuela oder Island.[76] Allerdings ist auch bei Verwendung von Elektrizität aus 100 % regenerativen Energien die Produktion von Aluminium nicht CO2-frei, da der bei der Schmelzflusselektrolyse entstehende Sauerstoff mit dem Kohlenstoff der Elektroden zu CO2 reagiert. Die Verbrauchswerte für Roh-Aluminium erhöhen sich noch durch Transport- und Verarbeitungsanteile für das Wiederaufschmelzen, Gießen, Schleifen, Bohren, Polieren etc., bis ein Konsumgut aus Aluminium entsteht.

Die europaweite Recyclingrate von Aluminium liegt bei 67 %. In Österreich gelangen (laut einer Studie aus dem Jahr 2000)[77] 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 % 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 % der Asche aus, werden aber derzeit nicht genutzt.[78]

Durch den Abbau des Erzes Bauxit werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einer Rekultivierung wieder nutzbar werden. Bei der Herstellung des Aluminiumoxids nach dem Bayer-Verfahren entstehen pro Kilogramm Aluminium ungefähr 1,5 Kilogramm eisenreicher alkalischer Rotschlamm, der kaum wiederverwertet wird und dessen Deponierung oder sonstige „Entsorgung“ große Umweltprobleme aufwirft (siehe dort und Bauxitabbau in Australien Umweltaspekte).

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 % der Energiemenge der Primärproduktion benötigt.[79] 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 Cobaltaluminiumspinell mit der Formel CoAl2O4. Diese Nachweisreaktion wurde 1795 von Leithner durch Glühen von Aluminiumsulfat und Cobalt(II)-nitrat (Co(NO3)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 Na3[AlF6].

Nachweis als fluoreszierender Morinfarblack

Strukturformel der Al(III)-Morin-Reaktion

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, CH3COOH) 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.

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

Verbindungen

In der Natur treten Aluminiumphosphate meist in Form von Doppelsalzen auf. Beispiele hierfür sind etwa der Wavellit (Al3(PO4)2(F, OH)3 · 5H2O) oder der Türkis, ein Mischphosphat aus Kupfer und Aluminium/Eisen: Cu(Al,Fe)6(PO4)4(OH)8 · 4 H2O.

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

Siehe auch

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).

Weblinks

 Wiktionary: Aluminium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Aluminium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

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. Hollemann:  A. F. Hollemann, Egon Wieberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 91–100 Auflage. Walter de Gruyter, Berlin New York 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 1439836639, S. 94ff. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  12. Aluminium. (Version vom 14. Juli 2008 im Internet Archive) In: Baustoffsammlung der Fakultät für Architektur der TU München.
  13. Nicht-Eisen-Metalle. (PDF)
  14. a b 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. Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
  17. a b world-aluminium.org: The Global Aluminium Industry 40 years from 1972 (PDF; 308 kB), abgerufen am 17. November 2013.
  18. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. Wiley-VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  19. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2nd ed. Butterworth–Heinemann, 1997, ISBN 0-08037941-9, S. 217.
  20. Mineral Species containing Aluminum (Al) auf Webmineral (englisch).
  21. Aluminium. In: John W. Anthony u. a.: Handbook of Mineralogy. Mineralogical Society of America, 2010 (englisch, PDF, 56,9 kB).
  22. Aluminium bei mindat.org (englisch)
  23. Eutektikum Aluminiumoxid/Kryolith
  24. Aluminium und Silizium: von der Lagerstätte bis zur Verwendung. S. 10 (PDF, Seminararbeit; 527 kB).
  25. 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.
  26. Rainer Quinkertz: Optimierung der Energienutzung bei der Aluminiumherstellung, Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2002, S. 75–77.
  27. World Mine Production, Reserves, and Reserve Base In: U.S. Geological Survey. (englisch, PDF; 87 kB).
  28. United States Geological Survey: World Smelter Production and Capacity (PDF-Datei; 87 kB)
  29. R.Feige, G.Merker:SEROX - ein synthetischer Al-Glasrohstoff
  30.  Recycling ist nur der zweitbeste Weg. In: Der Spiegel. Nr. 25, 1993 (online).
  31. 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 (pdf-Datei).
  32. a b Askeland: Materialwissenschaft. Spektrum, Heidelberg 1996.
  33. Der Technologie-Leitfaden von ELB. In: Eloxalwerk Ludwigsburg.
  34. Was ist Gefahrgut im Passagiergepäck?, Website des Luftfahrt-Bundesamtes.
  35. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 319.
  36. Primary Aluminium. In: London Metal Exchange. (Login nötig)
  37. Askeland: Materialwissenschaft. Spektrum, Heidelberg 1996, S. 364.
  38. Askeland: Materialwissenschaft. Spektrum, Heidelberg 1996, S. 362.
  39. Gesamtverband der Aluminiumindustrie e. V.: Meerwasserbeständigkeit von Aluminiumknetlegierungen. Abgerufen am 29. März 2013 (PDF; 54 kB).
  40.  René Flosdorff, Günther Hilgarth: Elektrische Energieverteilung. 8. Auflage. Teubner, 2003, ISBN 3-519-26424-2, Kapitel 1.2.2.4.
  41.  Stanley Wolf: Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 2: Process Integration. Lattice Press, Sunset Beach, Calif. 1990, ISBN 0961672145, S. 191 ff..
  42.  Stanley Wolf: Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 4: Deep-Submicron Process Technology. Lattice Press, Sunset Beach 2002, ISBN 096167217X, S. 723 ff..
  43. vgl.  Stanley Wolf: Silicon Processing for the VLSI Era. Volume 4: Deep-Submicron Process Technology. Lattice Press, Sunset Beach 2002, ISBN 096167217X, S. 713.
  44. Bernd Leitenberger: Chemische Raketentreibstoffe Teil 1. In: Bernd Leitenbergers Web Site.
  45. Aluminium auf Feuerwerk-Wiki: www.feuerwerk.net
  46. Fritz, Schulze: Fertigungstechnik. 10. Auflage, Springer, Berlin, S. 36.
  47. Ilscher, Singer: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik: Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. 5. Auflage. Springer, Berlin 2010, S. 449 f.
  48. http://www.christiani.de/pdf/75855_probe.pdf, Abgerufen am 14. September 2014
  49. Klocke, König: Fertigungsverfahren 4: Umformen. Springer, Heidelberg, 5. Auflage, S. 89f.
  50. Roos, Maile: Werkstoffkunde für Ingenieure: Grundlagen, Anwendung, Prüfung 4. Auflage, Springer, Berlin, 2011, S. 240
  51. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 319
  52. Fahrenwald: Praxiswissen Schweistechnikt. 3. Auflage, S. 205.
  53. Fahrenwald: Praxiswissen Schweistechnikt. 3. Auflage, S. 71, S. 206.
  54. Udo M. Spornitz: Anatomie und Physiologie. Lehrbuch und Atlas für Pflege- und Gesundheitsfachberufe. Springer, Berlin 2010, ISBN 3-642-12643-X.
  55. a b Aluminium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 12. Juni 2013.
  56. Wilfried Puwein:Das "Waldsterben" in Österreich und seine ökonomischen Folgen. Nr. 11, 1989 (pdf-Datei; 792 kB).
  57.  Hideaki Matsumoto: Cell biology of aluminum toxicity and tolerance in higher plants. In: International Review of Cytology. 200, 2000, S. 1–46, doi:10.1016/S0074-7696(00)00001-2.
  58.  Bunichi Ezaki u. a.: Different mechanisms of four aluminum (Al)-resistant transgenes for Al toxicity in Arabidopsis. In: Plant Physiology. 127, Nr. 3, 2001, S. 918–927, PMID 11706174.
  59.  Charlotte Poschenrieder u. a.: A glance into aluminum toxicity and resistance in plants. In: Science of The Total Environment. 400, Nr. 1–3, 2008, S. 356–368, doi:10.1016/j.scitotenv.2008.06.003.
  60.  Sanjib Kumar Panda, Frantisek Baluska, Hideaki Matsumoto: Aluminum stress signaling in plants. In: Plant Signaling & Behaviour. 4, Nr. 7, 2009, S. 592–597, PMID 19820334, PMC 2710549 (freier Volltext).
  61. Bundesverband der Lebensmittelchemiker/-innen im öffentlichen Dienst e.V. (BLC): Aluminium in Lebensmitteln
  62. a b c Scientific Opinion of the Panel on Food Additives, Flavourings, Processing Aids and Food Contact. Materials on a request from European Commission on Safety of aluminium from dietary intake. In: The EFSA Journal. 754, 2008, S. 1–34 (PDF-Datei; 550 kB).
  63. Aluminium in Lebensmitteln: lebensmittel.org
  64. a b c Bundesinstitut für Risikobewertung (Hrsg.): Keine Alzheimer-Gefahr durch Aluminium aus Bedarfsgegenständen. 22. Juli 2007 (PDF-Datei; 106 kB).
  65. Efsa-Beratung zur Sicherheit von Aluminium in Lebensmitteln: http://www.efsa.europa.eu
  66. Aluminium in der Datenbank für Lebensmittelzusatzstoffe.
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