Al · Element 13 · Nachübergangsmetall
Einst wertvoller als Gold, heute das meistverwendete Metall nach Eisen — weil jemand herausfand, wie man es günstig elektrolysieren kann.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht 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. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 143 pm — das entspricht 0,143 nm; etwa 3,5 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Aluminium ist über einen Bereich von 1859 K flüssig, von 933 K bis 2792 K.
Wo es steht
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 höchst angesehenen Gästen Aluminium-Besteck, während die weniger angesehenen Gäste Goldbesteck bekamen), ist dieses leichte Metall heute so alltäglich, 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 leitete das Zeitalter der Luftfahrt ein. Flugzeuge fliegen, weil Aluminium stabil 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. Das Recycling von Aluminium benötigt nur 5 % der Energie, die zur Herstellung von neuem Aluminium erforderlich ist, wodurch diese Getränkedose unendlich oft recycelbar wird.
Die Entdeckung des Aluminiums erstreckt sich über mehr als zwei Jahrtausende – von den antiken Zivilisationen bis zu den chemischen Durchbrüchen des 19. Jahrhunderts. Diese Geschichte umfasst brillante Köpfe, Industriespionage und die Verwandlung des „Metalls der Könige“ in einen alltäglichen Werkstoff.
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 enthalte. Er prägte den Begriff „alumine“ für das, was wir heute Aluminiumoxid nennen. Damit bereitete er den Weg für die spätere Isolierung des Metalls.
Der britische Chemiker Sir Humphry Davy (1778–1829) versuchte erstmals 1807, 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 wurde der Name in „aluminium“ geändert, um ihn an andere auf „-ium“ endende Elementnamen anzupassen.
Der dänische Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted (1777–1851) erzielte am 29. August 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 verschlossenen Rohr erhitzt, wodurch die ersten bekannten Proben von metallischem Aluminium entstanden.
Der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler (1800–1882) verbesserte Ørsteds Methode und verwendete anstelle von Amalgam metallisches Kalium. Am 21. Juli 1827 stellte Wöhler Aluminiumpulver und kleine Kügelchen her und war damit der Erste, der die wichtigsten Eigenschaften von Aluminium beobachtete: geringes Gewicht, Oxidationsbeständigkeit und metallischen Glanz. Berühmt wurde seine Beschreibung, Aluminium habe „die Farbe und den 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. finanzierte Devilles Forschung und stellte sich Aluminiumrüstungen und -ausrüstung für seine Armee vor.
In dieser Zeit war Aluminium wertvoller als Gold. Napoleon III. präsentierte bei Staatsbanketten Aluminiumbesteck und reservierte es für die höchstgeehrten Gäste, während die anderen Gäste Goldbesteck verwendeten. Die Spitze des Washington Monument, die 1884 fertiggestellt wurde, bestand aus 100 Unzen Aluminium – damals im Wert eines Jahresgehalts eines Arbeiters.
Zwei brillante junge Chemiker entdeckten unabhängig voneinander das elektrolytische Verfahren, das Aluminium für die breite Bevölkerung erschwinglich machte:
Im Alter von 22 Jahren entdeckte Hall am 23. Februar 1886 in der Holzwerkstatt seiner Familie in Oberlin, Ohio, die Elektrolyse von Aluminium. Mit den eisernen Pfannen seiner Schwester Julia und einer selbstgebauten elektrischen Batterie löste Hall Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith und leitete elektrischen Strom hindurch, wodurch reine Aluminiumtropfen entstanden.
Ebenfalls im Alter von 22 Jahren machte Héroult dieselbe Entdeckung nur zwei Monate später, am 9. April 1886. 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 die moderne Luftfahrt, die Weltraumforschung und nachhaltige Verpackungen. Das Hall-Héroult-Verfahren, das seit 1886 im Wesentlichen unverändert geblieben ist, bildet weiterhin 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 bestehen für den Rumpfbau aus Aluminiumlegierung 2024 (Al-Cu-Mg), die ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bietet. Der Boeing 787 Dreamliner enthält mehr als 20 % Aluminium nach Gewicht, während moderne Jagdflugzeuge wie der 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 die Aluminiumlegierung 6061-T6 optimalen Unfallschutz bietet und gleichzeitig die strukturelle Integrität bewahrt.
Architektonische Anwendungen von Aluminium umfassen Vorhangfassaden, Fensterrahmen und Dachsysteme. Das Eloxalverfahren 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. Kabel aus 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 begleitet unseren Alltag auf unzählige Arten – 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. Würde man diese Dosen aneinanderreihen, könnten sie die Erde mehr als 160-mal umrunden.
Woher es stammt
82300 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 98 % der Elemente
Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste und macht etwa 8.23 % der Masse aus – damit ist es häufiger als Eisen. Trotz dieser Häufigkeit kommt Aluminium in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität niemals 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 mineralien, die durch Verwitterung entstehen:
Die kosmische Reise des Aluminiums begann im Inneren massereicher Sterne durch stellare Nukleosynthese. Während der Lebensdauer eines Sterns erzeugen Prozesse der Siliziumverbrennung 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 kohlige Chondrite, bewahren ursprüngliche Aluminiumverbindungen aus dem solaren Urnebel vor 4.6 Milliarden Jahren. Der Allende-Meteorit (1969 gefallen) enthält aluminiumreiche Einschlüsse, die als CAIs (kalzium- und aluminiumreiche Einschlüsse) bezeichnet werden – die ältesten bekannten Materialien in unserem Sonnensystem.
Obwohl Aluminium 8 % der Erdkruste ausmacht, spielt es keine bekannte wesentliche biologische Rolle. Es beeinflusst jedoch das Pflanzenwachstum in sauren Böden erheblich, in denen Al³⁺-Ionen löslich und für Wurzelsysteme giftig werden. Einige Pflanzen, etwa 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): Bildung 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 alltäglichen Gebrauch gilt, sind der richtige Umgang und das Bewusstsein für mögliche Gefahren unerlässlich, insbesondere in industriellen Umgebungen und für Personen mit bestimmten Empfindlichkeiten.
OSHA-PEL: 15 mg/m³ (Gesamtstaub), 5 mg/m³ (lungengängige Fraktion)
Risiko: Das Einatmen von Aluminiumstaub kann bei Beschäftigten in der Industrie eine Lungenfibrose („Aluminiumlunge“) verursachen. Beim Schweißen von Aluminium entstehen Aluminiumoxid-Dämpfe, die Metalldampffieber auslösen können.
Symptome: Husten, Atemnot, Engegefühl in der Brust, grippeähnliche Symptome
Stand der Forschung: Begrenzte Belege deuten darauf hin, dass eine hohe Aluminiumexposition zu neurologischen Erkrankungen beitragen kann
Risikogruppen: Personen mit Nierenerkrankungen, die Aluminium nicht wirksam ausscheiden können
Vorsichtsmaßnahme: Verwenden Sie Aluminiumkochgeschirr nicht für säurehaltige Lebensmittel (Tomaten, Zitrusfrüchte), da diese die Auslaugung von Aluminium verstärken
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 Trockenlöschpulver; verwenden Sie bei Aluminiumbränden NIEMALS Wasser
Lagerung: Bewahren Sie das Pulver in verschlossenen, geerdeten Behältern und fern von Oxidationsmitteln auf
Sofort 15 Minuten lang mit sauberem Wasser spülen. Kontaktlinsen entfernen, sofern dies problemlos möglich ist. Bei anhaltender Reizung ärztliche Hilfe in Anspruch nehmen.
Betroffenen Bereich mit Wasser und Seife waschen. Kontaminierte Kleidung ausziehen. Bei durch Aluminium verursachten Schnittverletzungen die Wunde reinigen und ein Antiseptikum auftragen.
Sofort an die frische Luft gehen. 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 bei bestimmungsgemäßer Verwendung im Allgemeinen sicher für Verbraucherprodukte
• Beschäftigte in der Industrie sollten alle OSHA-Richtlinien und Sicherheitsprotokolle des Unternehmens befolgen
• Personen mit Nierenerkrankungen sollten sich bezüglich der Aluminiumexposition ärztlich beraten lassen
• Lesen Sie immer die Sicherheitsdatenblätter (SDS) für bestimmte Aluminiumverbindungen
Schnelle Antworten
Aluminium (Symbol Al) ist Element 13 im Periodensystem, ein Nachübergangsmetall in der 3, Gruppe 13. Einst wertvoller als Gold, heute das meistverwendete Metall nach Eisen — weil jemand herausfand, wie man es günstig elektrolysieren kann. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ne] 3s² 3p¹; sie ergibt 3 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 3. Seine Außenschale enthält 3 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Aluminium schmilzt bei 933.5 K (660.3 °C) und siedet bei 2792 K (2518.9 °C).
Die Standardatommasse von Aluminium beträgt 26.982 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Aluminium hat eine Dichte von 2.7 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Aluminium ungefähr 2.7× schwerer.
Aluminium hat eine Elektronegativität von 1.61 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Aluminium wurde 1825 von Hans Christian Orsted entdeckt. Es ist nach lateinisch alumen, „Alaun“ benannt.
Aluminium macht Über 8.23 % der Erdkruste aus — es gehört zu den häufigsten Elementen überhaupt.