Aluminium

13 Magnesium ← Aluminium → Silizium B ↑ Zum ↓ Hier Periodensystem - Erweitertes Periodensystem
Allgemein
Name , Symbol, Zahl	Aluminium, Al, 13
Chemische Reihe	schlechte Metalle
Gruppe, Periode, Block	13, 3, p
Aussehen	silbrig
Atommasse	26,9815386 (8) g/mol
Elektronenkonfiguration	[ Ja ] 3s zwei 3p 1
Elektronen pro Schale	2, 8, 3
Physikalische Eigenschaften
Phase	fest
Dichte (nahe RT)	2,70 g·cm −3
Flüssigkeitsdichte bei m.p.	2,375 g·cm −3
Schmelzpunkt	933,47 K (660,32 °C, 1220,58 °F)
Siedepunkt	2792K (2519 ° C, 4566 ° F)
Schmelzwärme	10,71 kJ·mol −1
Verdampfungswärme	294,0 kJ·mol −1
Wärmekapazität	(25 °C) 24.200 J·mol −1 ·K −1
P / Brunnen 1 10 100 1 k 10 k 100 k bei T /K 1482 1632 1817 2054 2364 2790
Atomare Eigenschaften
Kristallstruktur	flächenzentriert kubisch, 0,4032 Nanometer
Oxidationszustände	3 ( amphoteres Oxid)
Elektronegativität	1,61 (Pauling-Skala)
Ionisationsenergien ( mehr)	1.: 577,5 kJ·mol −1
	2.: 1816,7 kJ·mol −1
	3.: 2744,8 kJmol −1
Atomradius	125 Uhr
Atomradius (berechnet)	238 Uhr
Kovalenter Radius	238 Uhr
Sonstig
Magnetische Bestellung	paramagnetisch
Elektrischer widerstand	(20 °C) 26,50 nΩ·m
Wärmeleitfähigkeit	(300 K) 237 W·m −1 ·K −1
Wärmeausdehnung	(25°C) 23,1 μm·m −1 ·K −1
Schallgeschwindigkeit (dünner Stab)	(r.n.) (gerollt) 5000   m·s −1
Elastizitätsmodul	70 GPa
Schermodul	26 GPa
Bulk-Modul	76 GPa
QUERKONTRAKTIONSZAHL	0,35
Mohs-Härte	2,75
Vickers-Härte	167 MPa
Brinellhärte	245 MPa
CAS-Registrierungsnummer	7429-90-5
Ausgewählte Isotope
iso DAS Halbwertszeit DM VON DP 26 Zum seine 7,17 × 10 5 Y b + 1.17 26 mg e - 26 mg c 1.8086 - 27 Zum 100% Al ist mit 14 stabil Neutronen
Verweise

Aluminium (EINSCHLAG: /ˌaljʊˈmɪniəm, -əˈmɪniəm/ ) oder Aluminium (EINSCHLAG: /əˈluːmɪnəm/ , siehe den Abschnitt „Rechtschreibung“ unten) ist ein silbriges und duktiles Mitglied der Gruppe der armen Metalle chemische Elemente . In dem Periodensystem es hat das Symbol Zum und Ordnungszahl 13.

Aluminium kommt vor allem in Bauxiterz vor und zeichnet sich durch seine Beständigkeit gegen Korrosion (aufgrund des Phänomens der Passivierung) und seines geringen Gewichts. Das Metall wird in vielen Branchen zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten verwendet und ist sehr wichtig für die Weltwirtschaft. Strukturbauteile aus Aluminium und seinen Legierungen sind für die Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung und auch in anderen Bereichen von großer Bedeutung Transport und Gebäude.

Eigenschaften

Ein etwa 15 Zentimeter langes Stück Aluminiummetall mit einem US-Cent für die Waage.

Aluminium ist ein weiches, leichtes Material Metall mit normalerweise einem matten silbrigen Aussehen, das durch eine dünne Oxidationsschicht verursacht wird, die sich schnell bildet, wenn das Metall Luft ausgesetzt wird. Aluminiumoxid hat einen höheren Schmelzpunkt als reines Aluminium. Aluminium ist ungiftig (wie das Metall), nicht magnetisch und funkenfrei. Es hat eine Zugfestigkeit von etwa 49 Megapascal (MPa) im reinen Zustand und 400 MPa als Legierung. Aluminium ist etwa ein Drittel so dicht wie Stahl oder Kupfer ; es ist verformbar, duktil und leicht maschinell zu bearbeiten und zu gießen. Es hat ausgezeichnet Korrosion Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit durch die schützende Oxidschicht. Aluminium-Spiegellack hat das höchste Reflexionsvermögen aller Metalle in den Bereichen 200-400 nm (UV) und 3000-10000 nm (fernes IR), während es im sichtbaren Bereich von 400-700 nm leicht übertroffen wird Silber- und in der 700-3000 (in der Nähe von IR) durch Silber- , Gold , und Kupfer . Es ist das zweitformbarste Metall (nach Gold ) und die sechst-dehnbarste. Aluminium ist ein guter Wärmeleiter.

Bohr Diagramm.

Anwendungen

Ob gemessen an der Menge oder dem Wert, die Verwendung von Aluminium übersteigt die jedes anderen Metalls außer Eisen , und es ist in praktisch allen Segmenten der Weltwirtschaft wichtig.

Reines Aluminium hat eine geringe Zugfestigkeit, bildet aber mit vielen Elementen leicht Legierungen wie z Kupfer , Zink , Magnesium , Mangan und Silizium (z. B. Duraluminium). Heutzutage sind fast alle Materialien, die sich als Aluminium ausgeben, tatsächlich eine Legierung daraus. Reines Aluminium begegnet man nur, wenn Korrosionsbeständigkeit wichtiger ist als Festigkeit oder Härte.

In Kombination mit thermomechanischer Bearbeitung zeigen Aluminiumlegierungen eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Aluminiumlegierungen bilden wichtige Bestandteile von Flugzeug und Raketen aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses.

Aluminium ist ein ausgezeichneter Reflektor (etwa 99 %) für sichtbares Licht und ein guter Reflektor (etwa 95 %) für Infrarot. Eine dünne Aluminiumschicht kann durch chemische Dampfabscheidung oder chemische Mittel auf eine flache Oberfläche aufgebracht werden, um optische Beschichtungen und Spiegel zu bilden. Diese Beschichtungen bilden eine noch dünnere Schutzschicht aus Aluminiumoxid, die sich nicht verschlechtert Silber- Beschichtungen tun. Nahezu alle modernen Spiegel werden unter Verwendung einer dünnen Aluminiumbeschichtung auf der Rückseite einer Floatglasscheibe hergestellt. Teleskop Spiegel werden ebenfalls aus Aluminium hergestellt, sind jedoch vorderseitig beschichtet, um interne Reflexionen, Lichtbrechung und Transparenzverluste zu vermeiden. Diese Spiegel der ersten Oberfläche sind anfälliger für Beschädigungen als Haushaltsrückseitenspiegel.

Einige der vielen Anwendungen für Aluminium sind:

• Transport ( Autos , Flugzeuge, Lastwagen, Eisenbahnwaggons, Seeschiffe, Fahrräder etc.)
• Verpackung (Dosen, Folie etc.)
• Wasserversorgung
• Behandlung gegen Fischparasiten wie z Gyrodactylus Salaris .
• Bauarbeiten (Fenster, Türen, Verkleidungen, Bauleitungen usw.)
• Gebrauchsgüter (Haushaltsgeräte, Kochutensilien etc.)
• Elektrisch Übertragungsleitungen (Aluminiumkomponenten und -drähte sind weniger dicht als solche aus Kupfer und haben einen niedrigeren Preis, weisen aber auch einen höheren elektrischen Widerstand auf. Viele Orte verbieten die Verwendung von Aluminium in der Verkabelung von Wohngebäuden aufgrund seines höheren Widerstands- und Wärmeausdehnungswerts.)
• Maschinen
• MKM Stahl- und Alnico-Magnete, obwohl nicht magnetisch selbst
• Hochreines Aluminium (SPA, 99,980 % bis 99,999 % Al), verwendet in der Elektronik und CDs .
• Pulverförmiges Aluminium, ein häufig verwendetes Versilberungsmittel in Farben. Aluminiumflocken können auch in Voranstrichen, insbesondere Holzgrundierungen, enthalten sein – beim Trocknen überlappen sich die Flocken, um eine wasserbeständige Barriere zu erzeugen.
• Eloxiertes Aluminium ist stabiler gegenüber weiterer Oxidation und wird in verschiedenen Bereichen des Bauwesens sowie als Wärmesenke verwendet.
• Die meisten elektronischen Geräte, die eine Kühlung ihrer internen Geräte benötigen (wie Transistoren, CPUs - Halbleiter im Allgemeinen) haben Kühlkörper, die aufgrund ihrer einfachen Herstellung und guten Wärmeleitfähigkeit aus Aluminium bestehen. Kupfer Kühlkörper sind kleiner, aber teurer und schwieriger herzustellen.
• Es wird in den Klingen von Waffen (z. B. Schwertern) verwendet, die für den Bühnenkampf entwickelt wurden

• Aluminiumoxid, Tonerde, kommt natürlich vor als Korund (Rubine und Saphire), Schmirgel und wird in verwendet Glas Herstellung. Synthetischer Rubin und Saphir werden in Lasern zur Erzeugung von kohärentem Licht verwendet.

• Aluminium oxidiert sehr energisch und hat daher Verwendung in festen Raketenbrennstoffen, Thermit und anderen pyrotechnischen Zusammensetzungen gefunden.

Aluminium ist auch bei niedrigen Temperaturen ein Supraleiter mit einer Supraleitungs-Grenztemperatur von 1,2 Kelvin.

Engineering-Nutzung

In Ingenieurbauwerken werden Aluminiumlegierungen mit einem breiten Spektrum an Eigenschaften verwendet. Legierungssysteme werden nach einem Zahlensystem ( ANSI) oder nach Namen, die ihre Hauptlegierungsbestandteile angeben ( DIN und ISO), klassifiziert. Die Auswahl der richtigen Legierung für eine bestimmte Anwendung erfordert Überlegungen zu Festigkeit, Duktilität, Formbarkeit, Schweißbarkeit und Korrosion Widerstand, um nur einige zu nennen. Einen kurzen historischen Überblick über Legierungen und Herstellungstechnologien gibt Lit. Aluminium wird aufgrund seines geringen Gewichts in großem Umfang in modernen Flugzeugen verwendet.

Unsachgemäße Verwendung von Aluminium kann zu Problemen führen, insbesondere im Gegensatz zu Eisen oder Stahl , die dem intuitiven Konstrukteur, Mechaniker oder Techniker 'besser erzogen' erscheinen. Die Reduzierung des Gewichts eines Aluminiumteils um zwei Drittel im Vergleich zu einem Eisen- oder Stahlteil ähnlicher Größe erscheint enorm attraktiv, es sollte jedoch beachtet werden, dass damit eine Verringerung der Steifigkeit des Bauteils um zwei Drittel einhergeht. Daher, obwohl direkter Ersatz einer Eisen oder Stahl Ein Teil mit einem Duplikat aus Aluminium kann immer noch eine akzeptable Festigkeit aufweisen, um Spitzenlasten standzuhalten, die erhöhte Flexibilität führt zu einer dreimal höheren Durchbiegung des Teils.

Wo ein Versagen kein Problem darstellt, aber eine übermäßige Biegung aufgrund von Anforderungen an die Genauigkeit der Position oder die Effizienz der Kraftübertragung unerwünscht ist, führt ein einfacher Austausch von Stahlrohren durch Aluminiumrohre ähnlicher Größe zu einem Grad an Biegung, der unerwünscht ist; Beispielsweise verursacht die erhöhte Biegung unter Betriebslasten, die durch das Ersetzen von Fahrradrahmenrohren aus Stahl durch Aluminiumrohre mit identischen Abmessungen verursacht wird, eine Fehlausrichtung des Antriebsstrangs und absorbiert die Betriebskraft. Um die Steifigkeit durch Erhöhen der Dicke der Wände des Schlauchs zu erhöhen, wird das Gewicht proportional erhöht, so dass die Vorteile des geringeren Gewichts verloren gehen, wenn die Steifigkeit wiederhergestellt wird.

Aluminium kann am besten verwendet werden, indem das Teil entsprechend seinen Eigenschaften neu gestaltet wird; zum Beispiel die Herstellung eines Fahrrads aus Aluminiumrohren, die eher einen übergroßen Durchmesser als dickere Wände haben. Auf diese Weise kann ohne Gewichtszunahme die Steifigkeit wiederhergestellt oder sogar erhöht werden. Die Grenze für diesen Prozess ist die Erhöhung der Anfälligkeit für das, was als 'Knick'-Versagen bezeichnet wird, wo die Abweichung der Kraft von irgendeiner anderen Richtung als direkt entlang der Achse des Rohrs ein Falten der Wände des Rohrs verursacht.

Die neuesten Modelle des Corvette-Automobils sind unter anderem ein gutes Beispiel für die Neugestaltung von Teilen, um die Vorteile von Aluminium optimal zu nutzen. Die Aluminium-Chassiselemente und Aufhängungsteile dieser Autos haben große Gesamtabmessungen für Steifigkeit, sind aber leichter, indem die Querschnittsfläche reduziert und unnötiges Metall entfernt wird. dadurch sind sie nicht nur gleich oder haltbarer und steifer als die üblichen stahlteile, sondern besitzen eine luftige anmut, die die meisten menschen anziehend finden. In ähnlicher Weise können Aluminium-Fahrradrahmen optimal konstruiert werden, um dort, wo es erforderlich ist, Steifigkeit bereitzustellen, jedoch Flexibilität hinsichtlich des Absorbierens der Stöße von Straßenunebenheiten zu haben und sie nicht auf den Fahrer zu übertragen.

Die Festigkeit und Haltbarkeit von Aluminium ist nicht nur aufgrund der Bestandteile der jeweiligen Legierung, sondern auch aufgrund des jeweiligen Herstellungsverfahrens sehr unterschiedlich. Aus diesem Grund hat es sich von Zeit zu Zeit einen schlechten Ruf erworben. Zum Beispiel führte eine hohe Fehlerhäufigkeit bei vielen frühen Fahrradrahmen aus Aluminium in den 1970er Jahren zu einem ebenso schlechten Ruf; Bei kurzem Nachdenken beweist jedoch die weit verbreitete Verwendung von Aluminiumkomponenten in der Luftfahrt- und Automobilindustrie, wo enorme Belastungen bei verschwindend geringen Ausfallraten auftreten, dass ordnungsgemäß gebaute Aluminium-Fahrradkomponenten nicht ungewöhnlich unzuverlässig sein sollten, und dies ist in der Folge auch der Fall erwies sich als der Fall.

In ähnlicher Weise hat die Verwendung von Aluminium in Automobilanwendungen, insbesondere in Motorteilen, die unter schwierigen Bedingungen bestehen müssen, im Laufe der Zeit von der Entwicklung profitiert. Ein Audi-Ingenieur kommentierte den über 500 PS (370 kW) starken V12-Motor eines Auto Union-Rennwagens aus den 1930er Jahren, der kürzlich vom Audi-Werk restauriert wurde, dass die Aluminiumlegierung, aus der der Motor gebaut wurde, heute verwendet würde nur für Gartenmöbel und dergleichen. Sogar die Aluminium-Zylinderköpfe und das Kurbelgehäuse des Corvair, die erst in den 1960er Jahren gebaut wurden, erwarben den Ruf, dass sie in Löchern, selbst so groß wie Zündkerzenlöcher, versagen und sich ablösen, was bei aktuellen Aluminium-Zylinderköpfen nicht zu sehen ist.

Hitzeempfindlichkeit

Oft muss auch die Hitzeempfindlichkeit des Metalls berücksichtigt werden. Selbst ein relativ routinemäßiger Werkstattvorgang mit Erwärmung wird dadurch erschwert, dass Aluminium im Gegensatz zu Stahl schmilzt, ohne sich vorher rot zu verfärben. Umformoperationen mit Lötbrenner erfordern daher einiges an Fachwissen, da keine sichtbaren Anzeichen erkennen lassen, wie nahe das Material am Schmelzen ist.

Aluminium unterliegt auch inneren Spannungen und Dehnungen, wenn es überhitzt wird; die Tendenz des Metalls, unter diesen Spannungen zu kriechen, führt tendenziell zu verzögerten Verformungen. Beispielsweise wird das Verziehen oder Brechen von überhitzten Aluminium-Automobilzylinderköpfen häufig beobachtet, manchmal Jahre später, ebenso wie die Tendenz von geschweißten Aluminium-Fahrradrahmen, sich durch die Belastungen des Schweißprozesses allmählich aus der Ausrichtung zu verdrehen. Daher vermeidet die Verwendung von Aluminium in der Luft- und Raumfahrt Wärme vollständig, indem Teile mit Klebstoffen oder mechanischen Befestigungselementen verbunden werden. Diese Klebeverbindungen wurden in den 1970er Jahren für einige Fahrradrahmen verwendet – mit unglücklichen Ergebnissen, als das Aluminiumrohr leicht korrodierte, sich der Klebstoff löste und der Rahmen zusammenbrach.

Spannungen in überhitztem Aluminium können abgebaut werden, indem die Teile in einem Ofen wärmebehandelt und allmählich abgekühlt werden – praktisch werden die Spannungen geglüht. Dennoch können sich diese Teile verziehen, so dass beispielsweise bei der Wärmebehandlung von geschweißten Fahrradrahmen ein erheblicher Anteil an Fluchtungsfehlern auftreten kann. Wenn die Fehlausrichtung nicht zu stark ist, können die gekühlten Teile in Ausrichtung gebogen werden; Wenn der Rahmen richtig auf Steifigkeit ausgelegt ist (siehe oben), erfordert dieses Biegen natürlich enorme Kraft.

Die Unverträglichkeit von Aluminium gegenüber hohen Temperaturen hat seine Verwendung in der Raketentechnik nicht ausgeschlossen; sogar für den Bau von Brennkammern, in denen Gase 3500 K erreichen können. Das Agena-Oberstufentriebwerk verwendete für einige Teile der Düse, einschließlich des thermisch kritischen Halsbereichs, ein regenerativ gekühltes Aluminiumdesign. Tatsächlich verhinderte die extrem hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminium, dass die Kehle selbst unter massivem Wärmestrom den Schmelzpunkt erreichte, und es resultierte eine gute Zuverlässigkeit und ein geringes Gewicht.

Haushaltsverkabelung

Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und des relativ niedrigen Preises im Vergleich zu Kupfer In den 1960er Jahren wurde in den Vereinigten Staaten damals Aluminium für die elektrische Verkabelung von Haushalten eingeführt, obwohl viele Vorrichtungen nicht für die Aufnahme von Aluminiumdraht ausgelegt waren. Doch die neue Nutzung brachte einige Probleme mit sich:

• Der größere Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium bewirkt, dass sich der Draht relativ zum unähnlichen Metall ausdehnt und zusammenzieht schrauben Verbindung, schließlich Lösen der Verbindung.

• Reines Aluminium neigt dazu, unter anhaltendem Dauerdruck zu 'kriechen' (mit steigender Temperatur stärker), wodurch sich die Verbindung wieder löst.

• Galvanische Korrosion durch die unterschiedlichen Metalle erhöht den elektrischen Widerstand der Verbindung.

All dies führte zu überhitzten Verbindungen und Bränden brachen aus. Die Bauherren wurden dann vorsichtig, den Draht zu verwenden, und viele Gerichtsbarkeiten verboten seine Verwendung in sehr kleinen Größen im Neubau. Schließlich wurden neuere Vorrichtungen mit Verbindungen eingeführt, die ein Lockern und Überhitzen vermeiden sollten. Anfangs waren sie mit „Al/Cu“ gekennzeichnet, tragen jetzt aber eine „CO/ALR“-Codierung. Eine andere Möglichkeit, dem Erwärmungsproblem vorzubeugen, besteht darin, den Aluminiumdraht an einen kurzen 'Pigtail' aus Kupferdraht zu crimpen. Eine richtig ausgeführte Hochdruckcrimpung mit dem richtigen Werkzeug ist fest genug, um jegliche Wärmeausdehnung des Aluminiums zu eliminieren und atmosphärische Einflüsse auszuschließen Sauerstoff , wodurch Korrosion zwischen den unterschiedlichen Metallen verhindert wird. Heute werden neue Legierungen für Aluminiumverdrahtungen in Kombination mit Aluminiumanschlüssen verwendet. Die mit diesen Produkten hergestellten Verbindungen sind genauso sicher wie die mit Kupfer.

Siehe auch : Aluminiumdraht

Geschichte

Das Chinesisch verwendeten Aluminium, um bereits 300 n. Chr. Dinge herzustellen. Die antiken Griechen und Römer gebrauchtes Aluminium Salze als Färbebeizen und als Adstringens zum Verbinden von Wunden; Alaun wird immer noch als blutstillendes Mittel verwendet. 1761 schlug Guyton de Morveau vor, die Basis Alaun zu nennen die Unterseite. 1808, Humphry Davy identifizierte die Existenz einer Metallbasis aus Alaun, die er zunächst benannte Aluminium und später Aluminium (siehe Abschnitt Rechtschreibung unten).

Friedrich Wöhler wird allgemein das Isolieren von Aluminium zugeschrieben ( Latein Alaun , Alaun) im Jahr 1827 durch Mischen wasserfrei Aluminiumchlorid mit Kalium . Das Metall war allerdings zwei Jahre zuvor erstmals – allerdings in unreiner Form – von dem dänischen Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted hergestellt worden. Daher kann Ørsted auch als Entdecker des Metalls aufgeführt werden. Außerdem entdeckte Pierre Berthier Aluminium im Bauxiterz und extrahierte es erfolgreich. Der Franzose Henri Saint-Claire Deville verbesserte 1846 Wöhlers Methode und beschrieb seine Verbesserungen 1859 in einem Buch, darunter vor allem den Ersatz des erheblich teureren Kaliums durch Natrium.

Die Statue bekannt als Eros in Piccadilly Circus London, wurde 1893 hergestellt und ist eine der ersten Statuen, die aus Aluminium gegossen wurde.

Aluminium wurde als Material für die Spitze des Washington Monument ausgewählt, zu einer Zeit, als eine Unze das Doppelte des Tageslohns eines gewöhnlichen Arbeiters im Projekt kostete; Aluminium war damals ein Halbedelmetall.

Der Amerikaner Charles Martin Hall aus Oberlin, Ohio, meldete 1886 ein Patent (400655) für ein elektrolytisches Verfahren zur Gewinnung von Aluminium mit derselben Technik an, die unabhängig vom Franzosen Paul Héroult in Europa entwickelt wurde. Die Erfindung des Hall-Héroult-Verfahrens im Jahr 1886 machte die Gewinnung von Aluminium aus Mineralien billiger und ist heute die wichtigste Methode, die weltweit gebräuchlich ist. Das Hall-Heroult-Verfahren kann superreines Aluminium nicht direkt herstellen. Nach der Genehmigung seines Patents im Jahr 1889 gründete Hall mit der finanziellen Unterstützung von Alfred E. Hunt aus Pittsburgh, PA, die Pittsburgh Reduction Company, die 1907 in Aluminium Company of America umbenannt und später in Alcoa abgekürzt wurde.

Deutschland wurde bald darauf zum Weltmarktführer in der Aluminiumproduktion Adolf Hitler Aufstieg zur Macht. Bis 1942 jedoch gaben neue Wasserkraftprojekte wie der Grand Coulee Dam den Vereinigten Staaten etwas, mit dem Nazideutschland nicht konkurrieren konnte, nämlich die Fähigkeit, in vier Jahren genug Aluminium zu produzieren, um sechzigtausend Kampfflugzeuge herzustellen.

Aluminiumtrennung

Obwohl Aluminium das am häufigsten vorkommende metallische Element in der Erdkruste ist (vermutlich 7,5 % bis 8,1 %), kommt es in seiner freien Form sehr selten vor, da es in sauerstoffarmen Umgebungen wie Vulkanschlamm vorkommt, und es galt einst als Edelmetall wertvoller als Gold . Napoleon III. von Frankreich hatte für seine besten Gäste eine Reihe von Aluminiumtellern reserviert. Andere mussten sich mit goldenen begnügen. Aluminium wird seit etwas mehr als 100 Jahren in kommerziellen Mengen hergestellt. ^{[ Zitate benötigt ]}

Rückgewinnung des Metalls über Recycling ist zu einer wichtigen Facette der Aluminiumindustrie geworden. Beim Recycling wird der Schrott geschmolzen, ein Prozess, der nur fünf Prozent der Energie verbraucht, die zur Herstellung von Aluminium aus Erz benötigt wird. Recycling war bis in die späten 1960er Jahre eine unauffällige Aktivität, als die zunehmende Verwendung von Getränkedosen aus Aluminium es ins öffentliche Bewusstsein rückte.

Aluminium ist ein reaktives Metall, das schwer aus Erzen gewonnen werden kann, Aluminiumoxid (Al _zwei Ö ₃ ). Direkte Reduktion — mit Kohlenstoff B. — nicht wirtschaftlich, da Aluminiumoxid einen Schmelzpunkt von etwa 2.000 °C hat. Daher wird es durch Elektrolyse gewonnen; Das heißt, das Aluminiumoxid wird in geschmolzenem Kryolith gelöst und dann zum reinen Metall reduziert. Durch diesen Prozess liegt die Betriebstemperatur der Reduktionszellen bei etwa 950 bis 980 °C. Kryolith kommt als Mineral in Grönland vor, wurde aber in der industriellen Nutzung durch eine synthetische Substanz ersetzt. Kryolith ist eine Mischung aus Aluminium, Natrium , und Kalzium Fluoride: (Na ₃ AlF ₆ ). Das Aluminiumoxid (ein weißes Pulver) wird durch Raffination von Bauxit im Bayer-Verfahren gewonnen. (Früher war das Deville-Verfahren die vorherrschende Raffinationstechnologie.)

Das elektrolytische Verfahren löste das Wöhler-Verfahren ab, bei dem wasserfreie Stoffe reduziert wurden Aluminiumchlorid mit Kalium . Beide Elektroden werden bei der Elektrolyse von Aluminiumoxid verwendet Kohlenstoff . Sobald sich das Erz im geschmolzenen Zustand befindet, können sich seine Ionen frei bewegen. Die Reaktion an der Kathode – dem Minuspol – ist

Zum ³⁺ + 3 und ^- → Bei

Hier wird das Aluminiumion reduziert (Elektronen werden hinzugefügt). Das Aluminiummetall sinkt dann zu Boden und wird abgezapft.

An der positiven Elektrode ( Anode) entsteht Sauerstoff:

2 Ö ^zwei- → Die _zwei + 4 und ^-

Diese Kohlenstoffanode wird dann durch den Sauerstoff oxidiert, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird. Die Anoden in einer Reduktion müssen daher regelmäßig ausgetauscht werden, da sie dabei verbraucht werden:

Ö _zwei + C → CO _zwei

Anders als die Anoden werden die Kathoden nicht oxidiert, da an der Kathode kein Sauerstoff vorhanden ist. Die Kohlenstoffkathode wird durch das flüssige Aluminium in den Zellen geschützt. Dennoch erodieren Kathoden hauptsächlich aufgrund elektrochemischer Prozesse. Nach fünf bis zehn Jahren, je nach verwendetem Strom in der Elektrolyse, muss eine Zelle aufgrund von Kathodenverschleiß umgebaut werden.

Die Aluminiumelektrolyse mit dem Hall-Héroult-Verfahren verbraucht viel Energie, aber alternative Verfahren erwiesen sich immer wieder als wirtschaftlich und/oder ökologisch weniger tragfähig. Der weltweite durchschnittliche spezifische Energieverbrauch beträgt etwa 15 ± 0,5 Kilowattstunden pro Kilogramm Aluminium, das aus Tonerde hergestellt wird. (52 bis 56 MJ/kg). Die modernsten Hütten erreichen ca. 12,8 kWh/kg (46,1 MJ/kg). Der Reduktionsleitungsstrom für ältere Technologien beträgt typischerweise 100 bis 200 kA. Hochmoderne Hütten arbeiten mit etwa 350 kA. Es wurden Versuche mit 500-kA-Zellen berichtet.

Elektrischer Strom macht je nach Standort der Hütte etwa 20 % bis 40 % der Kosten für die Aluminiumherstellung aus. Schmelzhütten befinden sich in der Regel dort, wo elektrischer Strom sowohl reichlich als auch kostengünstig ist, wie z Südafrika , der Südinsel von Neuseeland , Australien , das Volksrepublik China , das Naher Osten , Russland , Quebec und British Columbia in Kanada , und Island . (Fast die gesamte Energie zum Schmelzen von Aluminium in Island kommt von den Wärmequellen, auf denen die Insel liegt.)

Im Jahr 2004 war die Volksrepublik China der weltweit größte Produzent von Aluminium.

Isotope

Aluminium hat neun Isotope, deren Massenzahlen von 23 bis 30 reichen. Nur ²⁷ Al (stabiles Isotop) und ²⁶ Al ( radioaktives Isotop, t _1/2 = 7,2 × 10 ⁵ y) kommen jedoch natürlich vor ²⁷ Al hat eine natürliche Häufigkeit von 100 %. ²⁶ Al wird aus hergestellt Argon in dem Atmosphäre durch Spallation verursacht durch kosmische Strahlung Protonen . Aluminiumisotope haben praktische Anwendung in der Datierung gefunden Marine Sedimente, Mangan Knollen, Gletschereis, Quarz in Felsaufschlüssen und Meteoriten. Das Verhältnis von ²⁶ Al zu ¹⁰ Sei wurde verwendet, um die Rolle von Transport, Ablagerung, Sedimentspeicherung, Bestattungszeiten und Erosion am 10 ⁵ bis 10 ⁶ Jahr Zeitskalen.

Kosmogen ²⁶ Al wurde zuerst in Studien der angewendet Mond und Meteoriten. Meteoritenfragmente werden nach dem Verlassen ihrer Mutterkörper während ihrer Reise durch den Weltraum einem intensiven Bombardement mit kosmischer Strahlung ausgesetzt, was erhebliche Schäden verursacht ²⁶ Al-Produktion. Nach dem Fall auf die Erde schützt eine atmosphärische Abschirmung die Meteoritenfragmente vor weiterem ²⁶ Die Al-Produktion und ihr Zerfall können dann verwendet werden, um das terrestrische Alter des Meteoriten zu bestimmen. Das hat auch die Meteoritenforschung gezeigt ²⁶ Al war zur Zeit der Entstehung unseres Planetensystems relativ reichlich vorhanden. Möglicherweise wird die Energie durch den Zerfall freigesetzt ²⁶ Al war für das Umschmelzen und Differenzieren einiger Asteroiden nach ihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren verantwortlich.

Cluster

Im Tagebuch Wissenschaft vom 14. Januar 2005 wurde berichtet, dass Cluster aus 13 Aluminiumatomen (Al ₁₃ ) wurde dazu gebracht, sich wie ein zu verhalten Jod Atom; und 14 Aluminiumatome (Al ₁₄ ) verhielt sich wie ein Erdalkaliatom. Die Forscher banden auch 12 Jod Atome zu einem Al ₁₃ Cluster, um eine neue Klasse von Polyiodiden zu bilden. Es wird berichtet, dass diese Entdeckung die Möglichkeit einer neuen Charakterisierung der Periodensystem : Superatome. Die Forschungsteams wurden von Shiv N. Khanna (Virginia Commonwealth University) und A. Welford Castleman Jr. (Penn State University) geleitet.

Vorsichtsmaßnahmen

Aluminium ist ein Neurotoxin, das die Funktion der Blut-Hirn-Schranke verändert. Es ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, das für lebende Zellen keine vorteilhafte Funktion zu haben scheint. Ein kleiner Prozentsatz der Menschen ist allergisch dagegen – sie leiden an Kontaktdermatitis durch jede Form davon: ein juckender Ausschlag durch die Verwendung von blutstillenden oder schweißhemmenden Produkten, Verdauungsstörungen und die Unfähigkeit, Nährstoffe aus dem Verzehr von in Aluminiumpfannen gekochten Speisen aufzunehmen, sowie Erbrechen und andere Symptome Vergiftung durch die Einnahme von Produkten wie Rolaids, Amphojel und Maalox (Antazida). Bei anderen Menschen wird Aluminium nicht als so giftig wie Schwermetalle angesehen, aber es gibt Hinweise auf eine gewisse Toxizität, wenn es in übermäßigen Mengen konsumiert wird. Die Verwendung von Kochgeschirr aus Aluminium, das wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und guten Wärmeleitung beliebt ist, hat nicht gezeigt, dass es allgemein zu einer Aluminiumtoxizität führt. Der übermäßige Konsum von Antazida, die Aluminiumverbindungen enthalten, und der übermäßige Gebrauch von aluminiumhaltigen Antitranspirantien sind wahrscheinlichere Ursachen für Toxizität. In einer im Journal of Applied Toxicology veröffentlichten Studie hat Dr. Philippa D. Darby von der University of Reading gezeigt, dass Aluminiumsalze die Östrogen-bezogene Genexpression in im Labor gezüchteten menschlichen Brustkrebszellen erhöhen. Die östrogenähnlichen Wirkungen dieser Salze haben zu ihrer Einstufung als Metallöstrogene geführt.

Es wurde vermutet, dass Aluminium eine Ursache für ist Alzheimer-Krankheit , da einige Gehirnplaques gefunden wurden, die das Metall enthalten. Die Forschung in diesem Bereich war nicht schlüssig; Die Ansammlung von Aluminium kann eine Folge des Alzheimer-Schadens sein, nicht die Ursache. Wenn es irgendeine Toxizität von Aluminium gibt, muss dies auf jeden Fall über einen sehr spezifischen Mechanismus erfolgen, da die gesamte menschliche Exposition gegenüber dem Element in Form von natürlich vorkommendem Ton im Boden und Staub im Laufe des Lebens enorm groß ist. ^,

Quecksilber Auf die Oberfläche einer Aluminiumlegierung aufgetragen, kann der schützende Oxidoberflächenfilm beschädigt werden. Dies kann zu weiterer Korrosion und Schwächung der Struktur führen. Aus diesem Grund sind Quecksilberthermometer in vielen Flugzeugen nicht erlaubt, da in vielen Flugzeugen Aluminium verwendet wird Flugzeug Strukturen.

Pulverförmiges Aluminium kann mit Fe reagieren _zwei Ö ₃ um Fe und Al zu bilden _zwei Ö ₃ . Diese Mischung ist als Thermit bekannt, das mit hoher Energieabgabe brennt. Während des Schleifvorgangs kann unbeabsichtigt Thermit entstehen, aber die hohe Zündtemperatur macht Zwischenfälle in den meisten Werkstattumgebungen unwahrscheinlich.

Rechtschreibung

Geschichte der Etymologie/Nomenklatur

Das früheste Zitat im Oxford English Dictionary für ein Wort, das als Name für dieses Element verwendet wird, ist Aluminium , die Humphry Davy 1808 für das Metall eingesetzt, das er elektrolytisch aus dem Mineral zu isolieren versuchte Aluminiumoxid . Das Zitat stammt aus seinem Tagebuch Philosophische Transaktionen : 'Hätte ich das Glück gehabt, die metallischen Substanzen zu beschaffen, nach denen ich suchte, hätte ich für sie die Namen Silizium, Aluminium, Zirkonium und Glucium vorgeschlagen.'

Bis 1812 hatte sich Davy eingelebt Aluminium, was, wie andere Quellen bemerken, mit seinem übereinstimmt Latein Wurzel. Er schrieb ins Tagebuch Chemische Philosophie : 'Aluminium ist noch nicht in vollkommen freiem Zustand erhalten worden.' Aber im selben Jahr, ein anonymer Mitwirkender an der Quartalsbericht, ein britisches politisch-literarisches Journal, beanstandet Aluminium und schlug den Namen vor Aluminium , 'denn so nehmen wir uns die Freiheit, das Wort Aluminium zu schreiben, das weniger klassisch klingt.'

Das -ium Das Suffix hatte den Vorteil, dass es dem Präzedenzfall in anderen neu entdeckten Elementen dieser Zeit entsprach: Kalium , Natrium , Magnesium , Kalzium , und Strontium (alles, was Davy selbst isoliert hatte). Nichtsdestotrotz, -a Schreibweisen für Elemente waren damals nicht unbekannt, wie zum Beispiel Platin , den Europäern seit dem 16. Jahrhundert bekannt, Molybdän , entdeckt im Jahre 1778, und Tantal , entdeckt 1802.

Amerikaner adoptiert -ium für den größten Teil des 19. Jahrhunderts, mit Aluminium Erscheinen in Webster's Dictionary von 1828. 1892 verwendete Charles Martin Hall jedoch die -a Rechtschreibung in einem Werbeblatt für seine neue elektrolytische Methode zur Herstellung des Metalls, trotz seiner ständigen Verwendung des -ium Rechtschreibung in allen Patenten, die er zwischen 1886 und 1903 anmeldete. Folglich wurde vermutet, dass die Schreibweise auf dem Flyer ein einfacher Rechtschreibfehler war. Halls Beherrschung der Produktion des Metalls sorgte dafür, dass die Schreibweise Aluminium wurde zum Standard in Nordamerika; das Ungekürztes Webster-Wörterbuch von 1913 verwendete jedoch weiterhin die -ium Ausführung.

1926 beschloss die American Chemical Society offiziell die Verwendung Aluminium in seinen Veröffentlichungen; Amerikanische Wörterbücher kennzeichnen normalerweise die Schreibweise Aluminium als britische Variante.

Rechtschreibung der Gegenwart

Nur in Großbritannien und anderen Ländern mit britischer Schreibweise Aluminium wird genutzt. In den USA die Schreibweise Aluminium ist weitgehend unbekannt, und die Schreibweise Aluminium überwiegt. Das kanadische Oxford Dictionary bevorzugt Aluminium .

In anderen Englisch sprechend Länder, die Schreibweise (und zugehörige Aussprachen) Aluminium und Aluminium werden beide in wissenschaftlichen und nichtwissenschaftlichen Zusammenhängen verwendet. Die Schreibweise in praktisch allen anderen Sprachen ist analog zu der -ium Ende.

Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) verabschiedet Aluminium als internationaler Standardname für das Element im Jahr 1990, aber drei Jahre später anerkannt Aluminium als akzeptable Variante. Daher enthält ihr Periodensystem beide, stellt aber Aluminium an die erste Stelle. IUPAC bevorzugt offiziell die Verwendung von Aluminium in seinen internen Veröffentlichungen, obwohl mehrere IUPAC-Veröffentlichungen die Schreibweise verwenden Aluminium .

Chemie

Oxidationsstufe eins

• AlH entsteht, wenn Aluminium in einer Atmosphäre von 1500 °C erhitzt wird Wasserstoff .
• Zum _zwei O wird durch Erhitzen des normalen Oxids Al hergestellt _zwei Ö ₃ , mit Silizium bei 1800°C im Vakuum.
• Zum _zwei S kann durch Erhitzen von Al hergestellt werden _zwei S ₃ mit Aluminiumspänen bei 1300°C im Vakuum. Es disproportioniert schnell zu den Ausgangsmaterialien. Das Selenid wird auf parallele Weise hergestellt.
• AlF, AlCl und AlBr liegen in der Gasphase vor, wenn das Trihalogenid mit Aluminium erhitzt wird.

Oxidationsstufe zwei

• Aluminiummonoxid, AlO, ist vorhanden, wenn Aluminiumpulver einbrennt Sauerstoff .

Oxidationsstufe drei

• Fajans Regeln zeigen, dass das einfache dreiwertige Kation Al ³⁺ Es wird nicht erwartet, dass es in wasserfreien Salzen oder binären Verbindungen wie Al gefunden wird _zwei Ö ₃ . Das Hydroxid ist eine schwache Base, und Aluminiumsalze schwacher Säuren, wie z. B. Carbonat, können nicht hergestellt werden. Die Salze starker Säuren wie Nitrat sind stabil und wasserlöslich und bilden mit mindestens sechs Molekülen Kristallwasser Hydrate.
• Aluminiumhydrid, (AlH ₃ ) _n , kann aus Trimethylaluminium und einem Überschuss an Wasserstoff hergestellt werden. Es verbrennt explosionsartig an der Luft. Es kann auch durch die Wirkung von hergestellt werden Aluminiumchlorid an Lithiumhydrid in Etherlösung, kann aber nicht lösungsmittelfrei isoliert werden.
• Aluminiumcarbid, Al ₄ C ₃ wird durch Erhitzen einer Mischung der Elemente auf über 1000°C hergestellt. Die hellgelben Kristalle haben eine komplexe Gitterstruktur und reagieren mit Wasser oder verdünnten Säuren zu Methan. Das Acetylid Al _zwei (C _zwei ) ₃ , wird hergestellt, indem Acetylen über erhitztes Aluminium geleitet wird.
• Aluminiumnitrid, AlN, kann bei 800 °C aus den Elementen hergestellt werden. Es wird durch hydrolysiert Wasser Formen Ammoniak und Aluminiumhydroxid.
• Aluminiumphosphid, AlP, wird ähnlich hergestellt und hydrolysiert, um Phosphin zu ergeben.
• Aluminiumoxid, Al _zwei Ö ₃ , kommt natürlich vor als Korund , und kann durch Verbrennen von Aluminium in Sauerstoff oder durch Erhitzen des Hydroxids, Nitrats oder Sulfats hergestellt werden. Als Edelstein wird seine Härte nur noch übertroffen Diamant , Bornitrid und Carborundum. Es ist in Wasser fast unlöslich.
• Aluminiumhydroxid kann als gelatinöser Niederschlag hergestellt werden, indem Ammoniak zu einer wässrigen Lösung eines Aluminiumsalzes gegeben wird. Es ist amphoter, da es sowohl eine sehr schwache Säure ist als auch mit Alkalien Aluminate bildet. Es existiert in verschiedenen kristallinen Formen.
• Aluminiumsulfid, Al _zwei S ₃ B. durch Leiten von Schwefelwasserstoff über Aluminiumpulver hergestellt werden. Es ist polymorph.
• Aluminiumiodid, (AlI ₃ ) _zwei , ist ein Dimer mit Anwendungen in der organischen Synthese.
• Aluminiumfluorid, AlF ₃ , wird durch Behandeln des Hydroxids mit HF hergestellt oder kann aus den Elementen hergestellt werden. Es besteht aus einem riesigen Molekül, das bei 1291 °C sublimiert, ohne zu schmelzen. Es ist sehr träge. Die anderen Trihalogenide sind dimer und haben eine brückenartige Struktur.
• Aluminiumfluorid/Wasser-Komplexe: Wenn Aluminium und Fluorid zusammen in wässriger Lösung vorliegen, bilden sie leicht komplexe Ionen wie AlF(H _zwei Ö) ₅ ⁺² , AlF ₃ (H _zwei Ö) ₃ ⁰ , AlF ₆ ^-3 . Davon AlF ₆ ^-3 ist am stabilsten. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass Aluminium und Fluorid, die beide sehr kompakte Ionen sind, genau richtig zusammenpassen, um den oktaedrischen Aluminiumhexafluorid-Komplex zu bilden. Wenn Aluminium und Fluorid zusammen in Wasser in einem Molverhältnis von 1:6 vorliegen, entsteht AlF ₆ ^-3 ist die häufigste Form, auch in eher geringen Konzentrationen.
• Metallorganische Verbindungen der Summenformel AlR ₃ existieren und, wenn nicht auch Riesenmoleküle, so doch zumindest Dimere oder Trimere sind. Sie haben einige Anwendungen in der organischen Synthese, zum Beispiel Trimethylaluminium.
• Alumo-Hydride der elektropositivsten Elemente sind bekannt, wobei die nützlichsten sind Lithiumaluminiumhydrid , Li[AlH ₄ ]. Es zerfällt beim Erhitzen in Lithiumhydrid, Aluminium und Wasserstoff und wird durch Wasser hydrolysiert. Es hat viele Anwendungen in der organischen Chemie, insbesondere als Reduktionsmittel. Die Alumohalogenide haben eine ähnliche Struktur.

Dieser Kühlkörper besteht aus eloxiertem Aluminium.