Al · Element 13 · Boron group
Once more precious than gold, now the most-used metal after iron — because someone worked out how to electrolyse it cheaply.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Schalen – eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo aluminium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Mit ~ gekennzeichnete Werte sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 143 pm — that is 0.143 nm, so about 3497 million of them side by side would span a millimetre.
Temperaturbereich
Aluminium is liquid over a 1859 K window, from 933 K to 2792 K.
Die Geschichte
Aluminium ist das Wundermetall, das innerhalb von nur 100 Jahren vom kostbaren Metall zum allgegenwärtigen Werkstoff wurde. Einst wertvoller als Gold (Napoleon III. Servierte seinen angesehensten Gästen Aluminiumbesteck, während weniger angesehene Gäste Goldbesteck bekamen), ist dieses leichte Metall heute so verbreitet, dass wir es wegwerfen. Das Washington Monument ist mit Aluminium gekrönt – 1884 war es das teuerste Metall der Erde. Das Hall-Héroult-Verfahren veränderte 1886 alles, machte die Aluminiumgewinnung erschwinglich und läutete das Zeitalter der Luftfahrt ein. Flugzeuge fliegen, weil Aluminium fest ist und dennoch nur ein Drittel so viel wiegt wie Stahl. Ihr Antitranspirant enthält Aluminium, um Schweißdrüsen zu blockieren, während Aluminiumfolie in Ihrer Küche 95 % der Infrarotstrahlung reflektiert. Für die Wiederverwertung von Aluminium werden nur 5 % der Energie benötigt, die zur Herstellung von neuem Aluminium erforderlich ist – dadurch lässt sich diese Getränkedose unendlich oft recyceln.
Die Entdeckung des Aluminiums erstreckt sich über mehr als zwei Jahrtausende – von antiken Zivilisationen bis zu chemischen Durchbrüchen im 19. Jahrhundert. Diese Geschichte umfasst brillante Köpfe, Industriespionage und die Verwandlung des „Metalls der Könige“ in ein alltägliches Material.
Die Geschichte beginnt im antiken Rom um 400 v. Chr., wo das Wort „alumen“ adstringierende Salze bezeichnete, die zum Färben und Gerben verwendet wurden. Der römische Naturforscher Plinius der Ältere (23–79 n. Chr.) dokumentierte die Eigenschaften von Alaun in seiner Enzyklopädie „Naturalis Historia“ und beschrieb dabei unwissentlich Aluminiumverbindungen, die seit Jahrhunderten verwendet worden waren.
Im Jahr 1761 schlug der französische Chemiker Louis-Bernard Guyton de Morveau vor, dass Alaun ein damals unbekanntes Metall enthielt. Er prägte den Begriff „alumine“ für das, was wir heute als Aluminiumoxid bezeichnen. Damit wurde der Weg für die spätere Isolierung des Metalls bereitet.
Der britische Chemiker Sir Humphry Davy (1778–1829) versuchte 1807 erstmals, Aluminium durch Elektrolyse zu isolieren. Mit seiner neu erfundenen elektrischen Batterie isolierte Davy erfolgreich Kalium und Natrium, hatte jedoch Schwierigkeiten mit dem hohen Schmelzpunkt von Aluminiumoxid (2.072 °C). Obwohl es ihm nicht gelang, reines Aluminium zu isolieren, nannte Davy das hypothetische Metall 1812 „aluminum“, später geändert in „aluminium“, um es an andere Elementnamen mit der Endung „-ium“ anzupassen.
Der dänische Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted (1777–1851) erzielte am August 29, 1825 die erste Isolierung von Aluminium. Durch die Reduktion von Aluminiumchlorid mit Kaliumamalgam stellte Ørsted winzige metallische Kügelchen her. Bei seiner Methode wurde Aluminiumchlorid mit Kalium in einem geschlossenen Rohr erhitzt, wodurch die ersten bekannten Proben von metallischem Aluminium entstanden.
Der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler (1800–1882) verbesserte Ørsteds Methode und verwendete statt Amalgam metallisches Kalium. Am July 21, 1827 stellte Wöhler Aluminiumpulver und kleine Kügelchen her und war damit der Erste, der die wichtigen Eigenschaften von Aluminium beobachtete: Leichtigkeit, Oxidationsbeständigkeit und metallischen Glanz. Berühmt wurde seine Beschreibung von Aluminium als einem Metall mit „der Farbe und dem Glanz von Zinn“.
Der französische Chemiker Henri Étienne Sainte-Claire Deville (1818–1881) revolutionierte 1854 die Aluminiumherstellung. Seine chemische Reduktionsmethode mit Natrium machte Aluminium erstmals kommerziell nutzbar. Der französische Kaiser Napoleon III. von Frankreich finanzierte Devilles Forschung und stellte sich eine Aluminiumrüstung und -ausrüstung für seine Armee vor.
In dieser Zeit war Aluminium wertvoller als Gold. Napoleon III. präsentierte bei Staatsessen Aluminiumbesteck und reservierte es für die höchstgeehrten Gäste, während die anderen Goldbesteck verwendeten. Die Spitze des Washington Monument, die 1884 fertiggestellt wurde, bestand aus 100 Unzen Aluminium – damals so viel wert wie der Jahreslohn eines Arbeiters.
Zwei brillante junge Chemiker entdeckten unabhängig voneinander das elektrolytische Verfahren, das Aluminium für alle zugänglich machte:
Im Alter von 22 Jahren entdeckte Hall am February 23, 1886 in der Holzwerkstatt seiner Familie in Oberlin, Ohio, die Aluminium-Elektrolyse. Mit den Eisenpfannen seiner Schwester Julia und einer selbstgebauten elektrischen Batterie löste Hall Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith auf und leitete elektrischen Strom hindurch, wodurch reine Aluminiumtröpfchen entstanden.
Ebenfalls im Alter von 22 Jahren machte Héroult nur zwei Monate später, am April 9, 1886, dieselbe Entdeckung. In der Gerberei seines Vaters in Gentilly, Frankreich, entwickelte Héroult unabhängig dasselbe Verfahren. Beide Männer wurden 1863 geboren und starben 1914 – ein bemerkenswerter Zufall in der Wissenschaftsgeschichte.
Das Hall-Héroult-Verfahren senkte den Aluminiumpreis von $545 pro Pfund (1850er Jahre) auf $0.68 pro Pfund (1900) – eine Preissenkung von 99,8 %. Dieser Durchbruch begründete die moderne Aluminiumindustrie:
Die heutige Aluminiumindustrie produziert jährlich über 65 Millionen Tonnen und ermöglicht moderne Luftfahrt, Raumfahrt und nachhaltige Verpackungen. Das Hall-Héroult-Verfahren, das seit 1886 im Wesentlichen unverändert ist, bleibt weltweit die Grundlage der Aluminiumproduktion – ein Zeugnis für die Genialität zweier 22-jähriger Chemiker, die die Zivilisation veränderten.
Anwendungen
Die einzigartige Kombination aus Leichtigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit macht Aluminium in zahlreichen Industriezweigen unverzichtbar. Mit einer Dichte von nur 2,7 g/cm³ – etwa einem Drittel der Dichte von Stahl – hat Aluminium den Transport und das Bauwesen revolutioniert.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie verbraucht fast 20 % der weltweiten Aluminiumproduktion. Flugzeugrahmen werden für den Bau von Rümpfen aus Aluminiumlegierung 2024 (Al-Cu-Mg) gefertigt, die ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bietet. Die Boeing 787 Dreamliner enthält mehr als 20 % Aluminium nach Gewicht, während moderne Kampfjets wie die F-35 Lightning II fortschrittliche Aluminium-Lithium-Legierungen verwenden, die 10 % leichter und 15 % steifer als herkömmliche Aluminiumlegierungen sind.
Moderne Fahrzeuge enthalten Aluminium in Motorblöcken, Getriebegehäusen und Karosserieteilen. Der Ford F-150 (2015+) besitzt eine vollständig aus Aluminium gefertigte Karosserie, die das Gewicht um 700 pounds reduzierte und dadurch die Kraftstoffeffizienz um 20 % verbesserte. Das Tesla Model S verwendet eine Aluminium-Spaceframe-Konstruktion, wobei eine 6061-T6-Aluminiumlegierung optimalen Unfallschutz bietet und gleichzeitig die strukturelle Integrität bewahrt.
Zu den architektonischen Anwendungen von Aluminium gehören Vorhangfassaden, Fensterrahmen und Dachsysteme. Das Anodisierungsverfahren erzeugt eine bis zu 25 Mikrometer dicke schützende Oxidschicht, die eine hervorragende Witterungsbeständigkeit bietet. Der Burj Khalifa in Dubai verwendet mehr als 1.500 Tonnen Aluminium in seinem Fassadensystem, während die charakteristischen Schalen des Sydney Opera House mit Aluminiumfliesen im Chevron-Muster verkleidet sind.
Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium (37.7 MS/m) macht es ideal für die Stromübertragung. Aluminiumleiter mit Stahlverstärkung (ACSR) transportieren Elektrizität über Kontinente hinweg: Das Aluminium sorgt für die Leitfähigkeit, während der Stahlkern die Zugfestigkeit erhöht. Hochspannungsleitungen verwenden Aluminium, weil sein geringeres Gewicht im Vergleich zu Kupfer weniger Stütztürme erfordert.
Elektronische Geräte nutzen die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium (205 W/m·K) zur Wärmeableitung. MacBook-Gehäuse werden mithilfe von CNC-Fräsen aus einzelnen Aluminiumblöcken gefertigt, während Smartphone-Rahmen für die elektromagnetische Abschirmung Aluminiumlegierung 6013 verwenden. LED-Kühlkörper nutzen die thermischen Eigenschaften von Aluminium, um Überhitzung zu verhindern und die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern.
Aluminium ist in unzähligen Bereichen Teil unseres täglichen Lebens – oft unsichtbar, aber immer unverzichtbar. Vom Aufwachen bis zum Einschlafen umgeben uns Produkte aus Aluminium.
In den USA werden jährlich etwa 54 Milliarden Aluminiumdosen verbraucht – das sind ungefähr 170 Dosen pro Person. Wenn man diese Dosen aneinanderreihen würde, könnten sie die Erde mehr als 160-mal umrunden.
Woher es stammt
82300 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 98% of elements
Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste und macht ungefähr 8.23 Gewichtsprozent aus – damit ist es häufiger als Eisen. Trotz dieser Häufigkeit kommt Aluminium in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nie in reiner metallischer Form vor.
Bauxit enthält 45-60% Aluminiumoxid (Al₂O₃) und ist die wichtigste Aluminiumquelle der Welt. Bedeutende Vorkommen gibt es in:
Die häufigsten aluminiumhaltigen Mineralien in der Erdkruste, darunter:
Sekundäre Aluminiumm|||| минераlien, die durch Verwitterung entstehen:
Die kosmische Reise des Aluminiums begann im Inneren massereicher Sterne durch stellare Nukleosynthese. Im Laufe des Lebens eines Sterns erzeugen Siliziumbrennprozesse Aluminium-26 (²⁶Al), ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 720,000 Jahren. Wenn diese Sterne als Supernovae explodieren, verteilen sie Aluminium in der gesamten Galaxie.
Unser Sonnensystem enthält Aluminium aus mehreren Sterngenerationen. Meteoriten, insbesondere kohlenstoffhaltige Chondrite, bewahren ursprüngliche Aluminiumverbindungen aus dem solaren Urnebel von vor 4.6 Milliarden Jahren. Der Allende-Meteorit (1969 gefallen) enthält aluminiumreiche Einschlüsse, die als CAIs (Calcium-Aluminium-reiche Einschlüsse) bezeichnet werden – die ältesten bekannten Materialien in unserem Sonnensystem.
Obwohl Aluminium 8% der Erdkruste ausmacht, erfüllt es keine bekannte essenzielle biologische Funktion. Es beeinflusst jedoch das Pflanzenwachstum in sauren Böden erheblich, wo Al³⁺-Ionen löslich und für Wurzelsysteme giftig werden. Einige Pflanzen, wie Tee (Camellia sinensis) und bestimmte Farne, haben Mechanismen zur Aluminiumtoleranz entwickelt und reichern das Metall tatsächlich in ihrem Gewebe an.
Präkambrium (vor 3.8-0.54 Milliarden Jahren): Erste Anreicherung von Aluminium in der Erdkruste durch Differentiation und vulkanische Aktivität.
Paläozoikum-Mesozoikum (vor 540-66 Millionen Jahren): Entstehung bedeutender Bauxitvorkommen durch tropische Verwitterung aluminiumreicher Gesteine.
Känozoikum (vor 66 Millionen Jahren bis heute): Fortgesetzte Bauxitbildung in tropischen Regionen; die Vorkommen Australiens entstanden vor 35-55 Millionen Jahren.
Handhabung
Obwohl Aluminium im Allgemeinen als sicher für den täglichen Gebrauch gilt, sind der richtige Umgang und das Bewusstsein für mögliche Gefahren unerlässlich, insbesondere in industriellen Umgebungen und für Personen mit besonderer Empfindlichkeit.
OSHA PEL: 15 mg/m³ (Gesamtstaub), 5 mg/m³ (alveolengängige Fraktion)
Risiko: Das Einatmen von Aluminiumstaub kann bei Beschäftigten in der Industrie eine Lungenfibrose („Aluminiumlunge“) verursachen. Beim Schweißen von Aluminium entstehen Aluminiumoxiddämpfe, die Metalldampffieber auslösen können.
Symptome: Husten, Atemnot, Engegefühl im Brustbereich, grippeähnliche Symptome
Forschungsstand: Begrenzte Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine hohe Aluminiumexposition zu neurologischen Erkrankungen beitragen kann
Risikogruppen: Personen mit Nierenerkrankungen, die Aluminium nicht wirksam ausscheiden können
Vorsichtsmaßnahme: Vermeiden Sie die Verwendung von Kochgeschirr aus Aluminium für säurehaltige Lebensmittel (Tomaten, Zitrusfrüchte), da diese die Freisetzung von Aluminium erhöhen
Reizungspotenzial: Minimales Risiko durch festes Aluminium; Aluminiumsalze können Hautreizungen verursachen
Allergische Reaktionen: Seltene, aber dokumentierte Fälle einer Aluminiumallergie, insbesondere durch Antitranspirantien
Symptome: Rötungen, Juckreiz, Kontaktdermatitis bei empfindlichen Personen
Aluminiumpulver: Feiner Aluminiumstaub ist leicht entzündlich und explosiv
Zündquellen: Statische Elektrizität, Funken, Wärmequellen über 760°C
Brandbekämpfung: Verwenden Sie Pulverlöscher; NIEMALS Wasser bei Aluminiumbränden verwenden
Lagerung: Bewahren Sie das Pulver in versiegelten, geerdeten Behältern und fern von Oxidationsmitteln auf
Sofort 15 Minuten lang mit sauberem Wasser spülen. Kontaktlinsen entfernen, wenn dies problemlos möglich ist. Bei anhaltender Reizung ärztliche Hilfe in Anspruch nehmen.
Betroffenen Bereich mit Wasser und Seife waschen. Kontaminierte Kleidung ausziehen. Bei Schnittverletzungen durch Aluminium die Wunde reinigen und ein Antiseptikum auftragen.
Die betroffene Person sofort an die frische Luft bringen. Bei Atembeschwerden Sauerstoff verabreichen und unverzüglich ärztliche Hilfe in Anspruch nehmen.
Mund mit Wasser ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. Bei Aufnahme großer Mengen oder beim Auftreten von Symptomen ärztliche Hilfe in Anspruch nehmen.
• Aluminium ist im Allgemeinen sicher für Verbraucherprodukte, wenn es bestimmungsgemäß verwendet wird
• Beschäftigte in der Industrie sollten alle OSHA-Richtlinien und betrieblichen Sicherheitsprotokolle befolgen
• Personen mit Nierenerkrankungen sollten mit Ärztinnen und Ärzten über die Aluminiumexposition sprechen
• Lesen Sie stets die Sicherheitsdatenblätter (SDS) für bestimmte Aluminiumverbindungen
Schnelle Antworten
Aluminium (symbol Al) is element 13 on the periodic table, a nachübergangsmetall in period 3, group 13. Once more precious than gold, now the most-used metal after iron — because someone worked out how to electrolyse it cheaply. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p¹, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Aluminium melts at 933.5 K (660.3 °C) and boils at 2792 K (2518.9 °C).
The standard atomic weight of Aluminium is 26.982 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Aluminium has a density of 2.7 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of aluminium is about 2.7× heavier.
Aluminium has a Pauling electronegativity of 1.61. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Aluminium was discovered in 1825 by Hans Christian Orsted. It is named after latin alumen, "alum".
Aluminium makes up about 8.23% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.