Aluminium

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) 
Pulver
Gefahr
H- und P-Sätze H:
  • Entzündet sich in Berührung mit Luft von selbst.
  • In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase.
EUH: keine EUH-Sätze
P:
  • Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen.
  • Kontakt mit Luft nicht zulassen.
  • Unter inertem Gas handhaben. Vor Feuchtigkeit schützen.
  • Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen.
  • Inhalt in / unter ... aufbewahren
  • Inhalt / Behälter ... zuführen.
 
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I 

Pulver

Leicht-
entzündlich
(F)
R- und S-Sätze R: (nicht stabilisiert)
  • Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase.
  • Selbstentzündlich an der Luft.

R: (phlegmatisiert)
  • Entzündlich.
  • Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase.
S:
  • Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen. (Text nur erforderlich bei Abgabe an nichtgewerbliche Endverbraucher)
  • Behälter trocken und dicht geschlossen halten.
  • Zum Löschen ... verwenden. (vom Hersteller anzugeben)(wenn Wasser die Gefahr erhöht, anfügen: Kein Wasser verwenden)

Aluminium (Al) ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 13. Die Bezeichnung leitet sich ab vom lateinischen Wort alumen für Alaun ab.

Im Periodensystem der Elemente gehört Aluminium zur Borgruppe, die früher auch als Gruppe der Erdmetalle bezeichnet wurde. Aluminium ist das dritthäufigste Element und häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es wegen seiner Reaktionsfreudigkeit nur in chemisch gebundenem Zustand auf.

Geschichte

Sir Humphry Davy entdeckte und beschrieb im Jahre 1808 das Aluminium. Erst 1825 gelang es dem Dänen Hans Christian Örsted, Aluminium, das in der Natur nicht in gediegener Form vorkommt, synthetisch herzustellen, allerdings in sehr verunreinigter Form. Die Herstellung von reinem Aluminium in Pulverform gelang 1827 dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler. Zu jener Zeit war der Preis von Aluminium höher als der von Gold.

Hochreines Aluminium (99,99 %), makrogeätzt

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. Nach diesem Prinzip erfolgt noch heute die großtechnische Aluminiumherstellung. Im Jahr 1889 wurde das Verfahren durch Carl Josef Bayer weiter verbessert.

Vorkommen

Aluminium ist mit einem Anteil von 7,57 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und Silicium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit das häufigste Metall. Es tritt allerdings nicht gediegen auf, sondern nur in chemischen Verbindungen. Aluminium findet man in der Natur häufig in Alumosilikaten, wo es in der Kristallstruktur die Position von Silicium in Sauerstoff-Tetraedern einnimmt, als Bestandteil von z.B. Ton, Gneis und Granit.

Da es aus den Alumosilikaten aufgrund der Bindungsverhältnisse praktisch nicht isoliert werden kann, ist eine wirtschaftliche Gewinnung nur aus Bauxit möglich. Bauxit enthält ca. 60 Prozent Aluminiumhydroxid (Al(OH)3 und AlO(OH)), ca. 30 Prozent Eisenoxid (Fe2O3), und Siliziumdioxid (SiO2).

In seltener Form ist Aluminiumoxid in Korund, bekannt als Rubin und Saphir, vorhanden. Die rote oder blaue Farbe der Steine entsteht durch Verunreinigungen.

Bauxitvorkommen befinden sich in Südfrankreich (Les Baux), Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien, Brasilien und den USA.

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 %
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 2,7 g/cm3
Mohshärte 2,75
Magnetismus paramagnetisch
Schmelzpunkt 933,47 K ( 660,32 °C)
Siedepunkt 2740 K ( 2467 °C)
Chemisch
Oxidationszustände 1, 2, 3
Oxide (Basizität) Al2O3 (amphoter)
Normalpotential -1,676 V (Al3+ + 3e → Al)
Elektronegativität 1,61 (Pauling-Skala)

Gewinnung

Die großtechnische Herstellung von Aluminium erfolgt ausschließlich durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren) aus Aluminiumoxid (Al2O3), welches aus Aluminiumhydroxid durch Brennen in Drehrohröfen gewonnen wird.

Durch das Bayer-Verfahren (Nasser Aufschluss mit Natronlauge) wird das im Bauxit enthaltene Aluminiumoxid/-hydroxid-Gemisch zuvor von Fremdbestandteilen wie Eisen- und Siliziumoxid befreit.

Der sogenannte Trockene Aufschluss (Deville-Verfahren)hat dagegen keine Bedeutung mehr. Beim Trockenen Aufschluss wird feinstgemahlenes Bauxit zunächst ungereinigt zusammen mit Soda und Koks in Drehrohröfen bei rund 1.200 °C kalziniert, und das entstehende Natrium-Aluminat erst anschließend mit Natronlauge gelöst.

Das Aluminiumoxid wird in einer Kryolithschmelze aufgelöst und elektrolysiert (Schmelzflusselektrolyse). Der Prozess ist aufgrund der hohen Bindungsenergie des Aluminiums recht energieaufwendig, etwa 13 - 15 kWh pro produziertem kg Aluminium. Zum Vergleich: Bei 13,5 kWh/kg verbraucht die Herstellung einer Tonne Aluminium so viel Energie wie ein durchschnittlicher Haushalt in 3,8 Jahren. (Basis: Haushalt verbraucht 3500 kWh im Jahr.)

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.

Umweltverbände kritisieren wegen des hohen Energieverbrauchs daher den Einsatz von Aluminium insbesondere zu Verpackungszwecken, da sich Aluminium nur in kompakter, möglichst wenig verunreinigter Form mit vergleichsweise geringem Aufwand recyceln lässt.

Die Tonerde- bzw. Bauxit-Vorkommen sind dagegen sehr groß und häufig, weshalb man die Aluminiumherstellung gern in der Nähe preiswert zur Verfügung stehender Elektroenergie (z.B. bei Wasserkraftwerken) ansiedelt.

Eigenschaften

Das reine Leichtmetall Aluminium hat aufgrund einer sich sehr schnell an der Luft bildenden dünnen Oxidschicht ein stumpfes, silbergraues Aussehen. Die undurchdringliche Oxidschicht macht reines Aluminium sehr korrosionsbeständig. Durch elektrische Oxidation (Eloxieren) oder auf chemischem Weg kann die schützende Oxidschicht verstärkt werden.

Aluminium reagiert heftig mit Natriumhydroxid unter Bildung von Wasserstoff. Diese Reaktion wird in chemischen Rohrreinigungsmitteln ausgenutzt. 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.

Mit Quecksilber bildet Aluminium ein Amalgam.

Aluminium ist ein relativ weiches und zähes Metall, die Zugfestigkeit von purem Aluminium liegt bei 49 MPa, die von seinen Legierungen bei 300 bis 700 MPa. Seine Steifigkeit liegt je nach Legierung bei etwa 70 000 MPa. Es ist dehnbar und kann durch Auswalzen zu dünner Folie verarbeitet werden. Sogenannte Aluminium-Knetlegierungen lassen sich auch bei niedrigen Temperaturen gut verformen, biegen, pressen und schmieden. Durch Kaltverformen entstandene Spannungen können durch Weichglühen (bis 250 °C) beseitigt werden. Auch Duraluminium wird dadurch vorübergehend verformbar.

Legierungen mit 1-3 % Magnesium und/oder Silizium lassen sich gut gießen (Aluminium-Druckguss) und spanabhebend bearbeiten.

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter (die Leitfähigkeit beträgt 60 Prozent von der des Kupfers). Aluminium bildet an Luft bei Raumtemperatur eine spontane Oxidschicht, die bei der elektrischen Kontaktierung und beim Schweißen hinderlich ist.
Bei einer Sprungtemperatur von 1,2 K wird reines Aluminium supraleitend.

Der Schmelzpunkt liegt bei 660,4 °C und der Siedepunkt bei 2.467 °C. Die Dichte von 2,7 g/cm3 bei Aluminium zeigt den Typus als Leichtmetall deutlich.

Aluminium leitet Strom je Gramm Gewicht besser als Kupfer, ist aber voluminöser als dieses, so dass Kupfer je Quadratzentimeter Leitungsquerschnitt Strom besser leitet als Aluminium. Weil Kupfer reaktionsträger und die Verarbeitung problemloser als bei Aluminium ist, wird meistens Kupfer verwendet und Aluminium nur, wenn es auf das Gewicht ankommt.

Verwendung

Konstruktionswerkstoff

Wegen seiner geringen Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo Masse eines Transportmittels mitbewegt werden muss und zum Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewinnt es aus diesem Grund an Bedeutung; hier stand bisher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenannten Knautschzone) im Wege.

In Legierungen mit Magnesium, Silizium 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 ist Aluminium und Duraluminium weit verbreitet.

Aluminium lässt sich durch Strangpressen in komplizierte Profile formen, hierin liegt ein großer Vorteil bei der Fertigung von Hohlprofilen (Automatisierungstechnik, Messebau), Kühlkörperprofilen oder in der Antennentechnik.

Aluminium-Gussteile können durch Druckguss in komplizierten Formen gefertigt werden, die spanende Nachbearbeitung ist gut möglich.

Bevor es gelang, Zinkblech durch Titanzusatz korrosionsfest zu machen, wurde Aluminiumblech für Fassaden- und Dachelemente sowie Dachrinnen eingesetzt.

Elektrotechnik

Aluminium wird insbesondere dann als Leitermaterial für elektrischen Strom im Stromnetz verwendet, wenn es sich um starre und dicke Leitungen handelt (Stromschienen, Erdkabel). Hier bietet es Kostenvorteile gegenüber Kupfer, auch wenn seine Kontaktgabe problematisch ist:
Aluminium neigt unter dem Druck der Kontaktierung zum Kriechen und Überzieht sich an Luft mit einer spontanen Oxidschicht (Selbstpassivierung), die vor Kontaktierung beseitigt werden muss.
Daher fand Aluminium nur vorübergehend ab den 1960er Jahren Anwendung als Leitermaterial in Gebäudeinstallationen - aufgrund ungeeigneter Klemmen kam es zu Ausfällen und sogar Bränden aufgrund sich lösender Kontakte. Crimpverbindungen mit passenden Hülsen und Werkzeugen sind jedoch sicher. Vorübergehend gab es für Hausinstallationen sogenanntes "Alcu"-Kabel, bei diesem sollte eine Verkupferung der Aluminiumadern zu besserer Kontaktgabe führen - das Kriechen beim hohen Kontaktdruck einer Schraubklemme konnte jedoch auch dadurch nicht beseitigt werden.

Hervorzuheben ist das geringe Absinken der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium bei Zusatz von Legierungsbestandteilen, wohingegen Kupfer bei Verunreinigungen eine stark absinkende Leitfähigkeit zeigt.
Aluminium wird daher nicht nur zu Stromschienen in Umspannwerken, sondern auch zu stromführenden Gussteilen verarbeitet.

Optik und Lichttechnik

Aluminium wird aufgrund seines hohen Reflexionsgrades als Spiegel-Beschichtung von Oberflächenspiegeln, u.a. in Scannern, KFZ-Scheinwerfern und Spiegelreflexkameras eingesetzt. Es reflektiert auch Ultraviolettstrahlung. Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.

Weitere Anwendungen

Aluminium ist Bestandteil einer Lebensmittelfarbe (E173) und findet bei Überzügen von Zuckerwaren und zur Dekoration von Kuchen und feinen Backwaren Verwendung.

Farbig eloxiert ist es Bestandteil vieler Dekorationsmaterialien wie Flitter, Geschenkbänder und Lametta.

In Pulverform (Partikelgröße < 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 Aluminiumoxid.
Aluminiumpulver und Aluminiumpasten werden auch zur Herstellung von Porenbeton eingesetzt.
Ebenso ist es für die stark exotherme (bis zu 2 500 °C) Thermit-Reaktion beim aluminothermischen Schweißen unerlässlich.
Nicht phlegmatisierter Aluminiumstaub ist sehr gefährlich und entzündet sich bei Luftkontakt explosionsartig von selbst. Mischungen aus Aluminiumstaub und Luft sind stark explosiv.
In der Raketentechnik besteht der Treibstoff von Feststoffraketen zu maximal 30 % aus Aluminiumpulver, das bei seiner Verbrennung viel Energie freisetzt.

Verarbeitungsverfahren

Aluminium wird meist legiert verwendet. Es gibt eine Vielzahl von Legierungen, die entweder gute Verformbarkeit oder gute Gießbarkeit und spanende Bearbeitbarkeit zeigen.

Aluminium wird durch Gießen bzw. Urformen in Aluminiumgießereien nach folgenden Gießverfahren verarbeitet:

Hierbei werden Verfahren unterschieden, die der Herstellung (fast) fertiger Bauteile dienen (z.B. Sandguss, Druckguss, Feinguss), und solchen, die Rohmaterial für die Weiterverarbeitung zu Halbzeug wie Blechen und Strangpressprofilen liefern (z.B. Strangguss). Sprühkompaktieren und Bandgussnehmen eine Sonderstellung ein.

Die Herstellung von Halbzeug oder Bauteilen geschieht aus Vormaterial wie z.B. Walzbarren, Blech oder Ronden durch Umformen:

Die spanende Bearbeitung birgt die Gefahr einer Aufbauschneide und erfordert spezielle Kühlschmiermittel. Aluminium kann daher auch nur mit speziellen Schleifscheiben geschliffen werden.
Insbesondere die Bearbeitung von eloxierten Werkstücken erfordert harte Werkzeuge, um Verschleiß durch die harte Eloxalschicht zu vermeiden.

Aluminiumlegierungen

Vergleiche: Aluminiumlegierungen

Für den praktischen Gebrauch wird Aluminium in der Regel mit anderen Elementen legiert, meist mit anderen Metallen. Dadurch lassen sich die Eigenschaften des Grundmetalls noch erheblich verbessern. Aluminium lässt sich durch Legieren etwa gegen Korrosion durch bestimmte Stoffe schützen. Einige Prozent Magnesium zum Beispiel machen es meerwasserbeständig und somit geeignet für den Schiffsbau. Allgemein gesprochen, kann Aluminium durch die Wahl der richtigen Legierungselemente optimal auf die jeweilige Verwendung abgestimmt werden. Nicht zuletzt deshalb haben Aluminiumlegierungen eine besondere Bedeutung auf vielen Gebieten der Technik erlangt.

Im Grunde genommen ist auch Reinaluminium mit einem Reinheitsgehalt bis 99,9% eine Legierung. Zwar werden die hier enthaltenen Anteile an Eisen und Silizium als Verunreinigung betrachtet, beeinflussen aber die Eigenschaften des Reinaluminiums in nicht unwesentlichem Masse.

In der Aluminiumindustrie wird gemeinhin zwischen Guss- und Knetlegierungen unterschieden: Gusslegierungen lassen sich nur giessen und werden danach nicht mehr verformt. Als Legierungselemente dienen hier neben Aluminium vor allem Magnesium, Silizium und Kupfer.
Knetlegierungen sind dagegen für die Umformung etwa durch Strangpressen,Walzen oder Schmieden bestimmt und müssen demnach gut umformbar sein. Wichtige Legierungselemente sind dabei Magnesium, Silizium, Kupfer, Mangan, Zink und Eisen.

Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Zirkonium und Molybdän legiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu fördern oder andere, ungewünschte Eigenschaften zu unterdrücken.

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, engl. wrought), zum Beispiel AlMgMn, und Aluminiumgusslegierungen (AC, engl. cast). Aluminiumgusslegierungen werden z.B. für Leichtmetallfelgen verwendet. Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen nach dem System der AA (Aluminum Association) bezeichnet.

Verbindungen

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

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 17.04. 2019