Aluminium

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Einleitung

Aluminium, chemisches Symbol Al, zu den Leichtmetallen zählendes, in der Erdkruste am häufigsten vorkommendes Metall mit der Ordnungszahl 13. Dieses technisch wichtige Metall gehört zur dritten Hauptgruppe (die Borgruppe) des Periodensystems.

Die erste Synthese von Aluminium gelang 1825 dem dänischen Chemiker Hans Christian Ørsted. Ørsted erhielt, wenn auch stark verunreinigtes, Aluminium durch die Umsetzung von Aluminiumtrichlorid mit metallischem Kalium. Die Herstellung von reinem Aluminium in Pulverform gelang 1827 dem Chemiker Friedrich Wöhler nach der gleichen Syntheseroute, die sein dänischer Kollege versucht hatte. Wöhler war der Erste, der die relative Dichte von Aluminium bestimmte. 1854 gewann Henri Sainte-Claire Deville in Frankreich das Metall, indem er eine Mischung aus Kochsalz und Aluminiumchlorid mit Natrium reduzierte. Dank der finanziellen Unterstützung Napoleons III. konnte Deville eine groß angelegte Experimentalfabrik bauen und auf der Pariser Weltausstellung von 1855 reines Aluminium vorstellen. Aluminium wurde in den Jahren von 1855 bis 1890 nach Devilles Verfahren technisch hergestellt. Danach folgte das noch heute praktizierte Elektrolyseverfahren (siehe unten Hall-Héroult-Verfahren).

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Eigenschaften

Bei reinem Aluminium handelt es sich um ein leichtes, silbriges Metall mit der Atommasse 26,9815 u. Das Metall schmilzt bei 660 °C, siedet bei 2 467 °C und hat eine relative Dichte von 2,7. Aluminium ist stark elektropositiv und in reinster Form extrem reaktionsfähig – reines Aluminiumpulver reagiert an der Luft selbstentzündlich. In Verbindung mit Luft wird das Leichtmetall rasch von einer zähen, durchsichtigen Schicht aus Aluminiumoxid bedeckt, die es vor weiterer Korrosion schützt (siehe Eloxal). Aus diesem Grund rosten aus Aluminium gefertigte Gegenstände nicht und werden auch nicht matt.

Zahlreiche metallische Verbindungen lassen sich mit Aluminium reduzieren. Erhitzt man z. B. Thermit (eine Mischung aus pulverförmigem Eisenoxid und Aluminium), entzieht das Aluminium dem Eisen rasch den Sauerstoff (Aluminothermie); die Hitze der Reaktion reicht aus, um das Eisen praktisch zu schmelzen. Diesen Vorgang nutzt man beispielsweise beim Thermitschmelzverfahren zum Schweißen von Eisen.

Das Oxid des Aluminiums ist amphoter – es hat sowohl saure als auch basische Eigenschaften. Zu den wichtigsten Verbindungen gehören das Oxid, das Hydroxid, das Sulfat und verschiedene Sulfatverbindungen. Wasserfreies Aluminiumchlorid spielt eine wichtige Rolle in der Erdöl- und petrochemischen Industrie. Zahlreiche Edelsteine – etwa Rubine und Saphire – bestehen hauptsächlich aus kristallinem Aluminiumoxid mit verschiedenen Einlagerungen.

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Vorkommen

Aluminium ist der häufigste Metallbestandteil und das dritthäufigste Element in der Erdkruste; nur Sauerstoff und Silicium sind noch häufiger vertreten. Das metallische Element kommt vor allem in Form von Sauerstoffverbindungen in der Natur vor. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Oxide der Form Al₂O₃, also vom Korund bis hin zu den Edelsteinen Saphir und Rubin, sowie um die Hydroxide Al(OH)₃ (z. B. Hydrargillit) bzw. AlO(OH) (z. B. Diaspor). Darüber hinaus findet man in der Natur Kombinationen von Oxiden und Hydroxiden, auch mit anderen Metallen wie z. B. Natrium, Kalium, Eisen, Calcium und Magnesium. Eine wichtige Gruppe von Aluminiumsilicaten stellen die Feldspäte sowie deren Verwitterungsprodukte Tone und Bauxit dar. Wesentlich seltener kommt Aluminium in Form des Fluorids (z. B. als Kryolith) in der Natur vor.

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Technische Herstellung

Reines Aluminium aus den Silicaten zu gewinnen ist chemisch schwierig und daher teuer. Zu diesem Zweck verwendet man heutzutage Bauxit, ein aluminiumhaltiges Sedimentgestein. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine Mischung aus Aluminiumoxidhydroxid (AlOOH) und Aluminiumhydroxid (Al(OH)₃).

Das für die eigentliche Schmelzflußelektrolyse benötigte Aluminiumoxid muss zuvor aus Bauxit aufgeschlossen werden. Beim so genannten Bayer-Verfahren wird gemahlenes Bauxit in entsprechend großen Reaktoren (vorzugsweise Rohrreaktoren) mit wässriger Natronlauge vermischt und bei etwa 150 °C zur Reaktion gebracht. Stark vereinfacht läuft dabei Folgendes ab (in der Realität sind die Reaktionsvorgänge viel komplizierter):

Al(OH)3 + NaOH ⇄ Na[Al(OH)4]

Während dieses Prozesses „lösen” sich quasi die Aluminiumbestandteile in Form von Natriumaluminat (Na[Al(OH)₄]) aus der Mischung, wobei man die Lösung durch Filtration von den festen Bestandteilen (meist stark eisenhaltig) trennt. Der verbleibende Schlamm wird mehrfach ausgewaschen, die Waschlösungen mit dem Filtrat weiterverarbeitet. Dazu behandelt man die abgekühlte Mischung mit großen Mengen Aluminiumhydroxids. Durch diese Vorgehensweise geht praktisch ein Großteil des Aluminats ins Hydroxid (a-Al(OH)₃; Hydrargillit) über und fällt als solches aus. Das Hydrargillit wird abfiltriert, getrocknet und anschließend bevorzugt in Wirbelschichtöfen bei rund 1 300 °C zu Al₂O₃ umgewandelt (Calcinierung).

1886 entdeckten der Franzose Paul Louis Toussaint Héroult und der Amerikaner Charles Martin Hall unabhängig voneinander, dass Aluminiumoxid (oder Tonerde) sich in geschmolzenem Kryolith (Na₃AlF₆) auflöst und elektrolytisch in ein rohes, geschmolzenes Metall und Nebenprodukte zerlegt werden kann. Dieses Verfahren ist heute auch unter dem Namen Hall-Héroult-Verfahren in der Technik bekannt.

Reines Aluminiumoxid hat einen extrem hohen und damit für die Elektrolyse ungünstigen Schmelzpunkt (2 045 °C). Bessere Vorbedingungen lassen sich durch die Zugabe des Oxids in eine Kryolithschmelze erreichen, denn der Schmelzpunkt von Kryolith liegt bei etwa rund 1 000 °C. Diese Mischung wird anschließend bei Temperaturen um 960 °C der Elektrolyse mit Gleichstrom unterworfen. Als Elektrodenmaterial verwendet man Kohlenstoff. Auch hierzu ein stark vereinfachtes Reaktionsschema:

Kathode:

2 Al2O3 → 4 Al + 3 O2.

Anode:

3 C + 3 O2 → 3 CO2

bzw.:

6 C + 3 O2 → 6 CO.

Das Hall-Héroult-Verfahren ist derzeit immer noch die wichtigste Methode für die industrielle Produktion von Aluminium, wenn auch inzwischen neue Verfahren geprüft werden. Die Reinheit des Endprodukts wurde laufend gesteigert; heute besteht ein industriell reiner Barren aus 99,5 Prozent Aluminium. Die Reinheit lässt sich weiter bis auf 99,99 Prozent verfeinern.