Aluminium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
²⁵Al	{syn.}	7,183 s	ε	4,277	²⁵Mg
²⁶Al	{syn.}	7,17 · 10⁵ a	ε	4,004	²⁶Mg
²⁷Al	100 %	Stabil
²⁸Al	{syn.}	2,2414 min	β−	4,642	²⁸Si
²⁹Al	{syn.}	6,56 min	β−	3,680	²⁹Si

NMR-Eigenschaften

	Spin	γ in rad·T⁻¹·s⁻¹	E	f_L bei B = 4,7 T in MHz
Al

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I ^[1]

Pulver

F
Leichtent-
zündlich

R- und S-Sätze

R: 15-17 (nicht stabilisiert)

R: 10-15 (phlegmatisiert)

S: (2)-7/8-43

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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

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

Plinius berichtet, dass einst im Palast des Kaisers Tiberius, der in den Jahren 14 bis 37 n. Chr. regierte, ein Metallarbeiter erschien und ein metallisches Geschenk anbot, das äußerlich wie Silber aussah, aber auffallend leicht war. Der Kaiser fragte den Arbeiter, wo dieses Metall zu finden wäre, und erhielt die Antwort, dass jener es aus einer tonhaltigen Erde hergestellt hätte. Tiberius fragte weiter, ob sonst noch jemand um das Vorhandensein und die Herstellung dieses Metalls wüsste, worauf der Arbeiter zu seinem Unheil erwiderte, dass außer ihm nur Jupiter das Geheimnis kenne. Der Kaiser aber war von Argwohn erfasst, dass das neue Metall den Wert des Goldes und des Silbers schädigen könnte und ließ daher die Werkstatt des Geschenkgebers zerstören und denselben enthaupten, so dass die Erfindung verloren ging.

Der erste heute noch bekannte Aluminiumgegenstand ist die Gürtelschnalle des chinesischen Generals Chou-Chou (265–316) um 300.

Als Sir Humphry Davy im Jahre 1808 das Aluminium entdeckte und beschrieb, erinnerte man sich wieder des Schicksals dieses unglücklichen Metallarbeiters und es verbreitete sich die Meinung, dass es sich bei diesem sagenhaften Metall um Aluminium gehandelt habe. Auch wenn ein wahrer Kern in dieser Erzählung stecken würde, so wäre es gänzlich ungeklärt, wie ein einzelner Arbeiter die technischen Schwierigkeiten hätte überwinden können, die bei der Aluminiumerzeugung zu überwinden sind. Erst 1825 gelang es dem Dänen Hans Christian Ørsted, 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. Wahrscheinlich hat schon Hans Christian Ørsted mit dem gleichen Herstellunsgverfahren, allerdings noch verunreinigtes, Aluminium hergestellt. Zu jener Zeit war der Preis von Aluminium höher als der von Gold.

Henri Etienne Sainte-Claire Deville verfeinerte den Wöhler-Prozess im Jahr 1846 und publizierte ihn 1859 in einem Buch. Dadurch fiel der Aluminiumpreis innerhalb von zehn Jahren um 90 Prozent.

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 Siliziumoxid (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), Guinea, Bosnien und Herzegowina, Ungarn, Russland, Indien, Jamaika, Australien, Brasilien und den USA.

Gewinnung und Darstellung

Die industrielle Erzeugung wurde durch den Pariser Universitätsprofessor Louis Jacques Thénard veranlasst.

Nach dem Verfahren von Ørsted (1825) kann Aluminium aus Aluminiumchlorid und Kaliumamalgam hergestellt werden, wobei Kalium als Reduktionsmittel dient:

$\mathrm{4\ AlCl_3 + 3\ K \rightarrow Al + 3\ KAlCl_4}$

Nach Wöhler wird metallisches Kalium zur Reduktion verwendet.

Heute erfolgt die großtechnische Herstellung von Aluminium ausschließlich durch Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren) aus Aluminiumoxid ( $A l 2 O 3$ ), welches aus Aluminiumhydroxid durch Brennen in Drehrohröfen gewonnen wird.

Durch das Bayer-Verfahren (Nasser Aufschluss mit Natronlauge) wird das im Erz 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 1200 °C kalziniert, und das entstehende Natrium-Aluminat erst anschließend mit Natronlauge gelöst.

Im Hall-Héroult-Prozess wird das Aluminiumoxid in einer Kryolithschmelze aufgelöst und elektrolysiert (Schmelzflusselektrolyse). Der Prozess ist aufgrund der hohen Bindungsenergie des Aluminiums recht energieaufwändig. Der Energieeinsatz beträgt etwa 13 bis 15 kWh pro produziertem kg Aluminium. Das entspricht dem Energiegehalt von ca. 1,4 Litern Heizöl.

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.

Zeitliche Entwicklung der weltweiten Primäraluminiumproduktion

Die Graphitblöcke, welche die Anode bilden, brennen wegen des im Prozess entstehenden Sauerstoffs langsam ab und werden von Zeit zu Zeit ersetzt. Die Graphit-Kathode (Gefäßboden) ist gegenüber dem Aluminium inert. Das sich am Boden sammelnde flüssige Aluminium wird mit einem Saugrohr abgesaugt.

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

Aluminium

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.

Die das unedle Aluminium vor weiterer Oxidation schützende Oxidschicht kann mittels Komplexbildungsreaktionen aufgelöst werden. Einen außerordentlich stabilen und wasserlöslichen Neutralkomplex geht Aluminium in neutraler chloridischer Lösung ein. Folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht den Vorgang:

$\mathrm{Al_2O_3(s) + 2\ Cl^-(aq) + 3\ H_2O(l) \longrightarrow 2\ [Al(OH)_2Cl](aq) + 2\ OH^-(aq)}$

Dies geschieht vorzugsweise an Stellen, wo die Oxidschicht des Aluminiums bereits geschädigt ist. Es kommt dort durch Bildung von Löchern zur Lochfraßkorrosion. Kann die chloridische Lösung dann an die freie Metalloberfläche treten, so laufen andere Reaktionen ab. Aluminium-Atome können unter Komplexierung oxidiert werden:

$\mathrm{Al(s) + 4 H_2O(l) + Cl^-(aq) \longrightarrow [Al(OH)_2Cl](aq) + 3 e^- + 2 H_3O^+(aq)}$

Liegen in der Lösung Ionen edlerer Metalle vor, so werden sie reduziert und am Aluminium abgeschieden. Auf diesem Prinzip beruht die Reduktion von Silberionen, die auf der Oberfläche von angelaufenem Silber als Silbersulfid vorliegen, hin zu Silber.

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.

$\mathrm{AlBr_3 + 3\ H_2O \longrightarrow Al(OH)_3 + 3\ HBr}$

Mit Quecksilber bildet Aluminium ein Amalgam. Wenn Quecksilber direkt mit Aluminium zusammenkommt (d. h. wenn die Aluminiumoxidschicht an dieser Stelle mechanisch zerstört wird), frisst das Quecksilber Löcher in das Aluminium; unter Wasser wächst dann darüber Aluminiumoxid in Gestalt eines kleinen Blumenkohls.

Aluminium ist ein relativ weiches und zähes Metall, die Zugfestigkeit von purem Aluminium liegt bei 49 MPa, die von seinen Legierungen bei 300–700 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 oder Silizium lassen sich gut gießen (Aluminium-Druckguss) und spanabhebend bearbeiten.

Aluminium bildet an Luft bei Raumtemperatur spontan eine 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 2467 °C. Die Dichte von 2,7 g/cm³ bei Aluminium zeigt den Typus als Leichtmetall deutlich.

Verwendung

In den letzten Jahren kam es zu einem deutlichen Preisanstieg von Aluminium am Weltmarkt (Stand Mai 2008: ca. 1800 Euro/Tonne bei 99,7% Reinheit)^[2]

Konstruktionswerkstoff

typisches Druckguss-Teil aus einer Aluminiumlegierung (Teil eines Staubsaugergebläses)

Wegen seiner geringen Dichte wird Aluminium gern dort verwendet, wo es auf die Masse eines Transportmittels ankommt, weil diese zum Treibstoffverbrauch beiträgt, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Auch im Fahrzeugbau gewann es aus diesem Grund an Bedeutung; hier standen früher der hohe Materialpreis, die schlechtere Schweißbarkeit sowie die problematische Dauerbruchfestigkeit und die Verformungseigenschaften bei Unfällen (geringes Energieaufnahmevermögen in der sogenannten Knautschzone) im Wege. Mit dem Space Frame-Konzept hat Audi hierfür Lösungen gefunden und in den Modellen A8 sowie A2 realisiert.

In Legierungen mit Magnesium, Silicium 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. Der größte Teil der Struktur moderner Verkehrsflugzeuge wird aus Aluminiumblechen verschiedener Stärken und Legierungen genietet.

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.

Mit Aluminium werden Heizelemente von Bügeleisen und Kaffeemaschinen umpresst.

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-Umguss am Käfigläufer-Blechpaket (zylindrisches Teil in der Mitte) eines Spaltpolmotors. Die Aluminium-Käfigstäbe verlaufen im Inneren. An den Stirnseiten sind zusätzlich Lüfterflügel mitgegossen. Obere Wicklung und Lagerschalen des Motors sind entfernt.

Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter: 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.

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.

Beim Kontaktieren ist aber problematisch, dass Aluminium unter dem Druck der Kontaktierung zum Kriechen neigt und sich an Luft spontan mit einer Oxidschicht (Selbstpassivierung) überzieht, die vor der 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 sogenannte „Alcu“-Kabel, bei diesen 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.

Aluminium wird auch in Überlandleitungen (Freileitungen) als Leitungsmaterial verwendet – die geringe Dichte ist hier ausschlaggebend. Kupferleitungen mit der gleichen Leitfähigkeit hätten zwar einen geringeren Querschnitt, jedoch etwa die doppelte Masse. Aus dem gleichen Grund werden im Airbus A380 ebenfalls Aluminiumkabel verwendet.

Für Oberleitungen ist es dagegen aufgrund seiner schlechten Kontakt- und Gleiteigenschaften ungeeignet.

Aluminium wird zur Fertigung von Kurzschlussläufern von Asynchronmotoren verwendet, indem deren Blechpakete umgossen werden.

Elektronik

Aluminium als Leitermaterial für Bonddrähte und Metallisierung in einem Bipolartransistor

Die Elektronikindustrie setzt Aluminium aufgrund der guten Verarbeitbarkeit und der guten elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ein.

Bonddrähte (Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuseanschluss) bestehen insbesondere bei Leistungshalbleitern aus Aluminium.

Die Leiterbahnen integrierter Schaltkreise und von Leistungshalbleitern bestehen oft ebenfalls aus Aluminium.

Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird Aluminium als Werkstoff für Wärmeübertrager (Kühler), stranggepresste Kühlprofile und wärmeableitende Grundplatten verwendet (bei höherwertigen Kühlern wird allerdings wegen der höheren Wärmeleitfähigkeit Kupfer eingesetzt).

Aluminium-Elektrolytkondensatoren verbauen Aluminium als Elektrodenmaterial und Gehäusewerkstoff.

Aluminium wird zur Herstellung von Antennen und Hohlleitern verwendet.

Verpackung und Behälter

In der Verpackungsindustrie wird Aluminium zu Getränke- und Konservendosen sowie zu Aluminiumfolie und weiteren Einwegartikeln verarbeitet. Durch Bedampfung lassen sich Folien mit einer 0,1–1 µm dünnen Schicht versehen, was eine hohe Barrierefunktion zur Folge hat. Außerdem werden Aluminiumfolien gerne in Verbundsystemen eingesetzt, beispielsweise in Tetrapacks. Aus Aluminium werden auch Kochtöpfe sowie Reise- und Militär-Geschirr hergestellt. Die Aufbewahrung und Zubereitung von säurehaltigen Lebensmitteln in Aluminiumbehältern bzw. -folie ist problematisch, da es dabei lösliche Aluminiumsalze bildet, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Aluminiumschichten in Verpackungsmitteln werden daher häufig durch eine Kunststoffschicht geschützt.

Aluminium wird für eine Vielzahl von Behältern und Gehäusen verarbeitet, da es sich gut durch Umformen bearbeiten lässt. Gegenstände aus Aluminium werden häufig durch eine Eloxalschicht geschützt.

Optik und Lichttechnik

Aluminium wird aufgrund seines hohen Reflexionsgrades als Spiegelbeschichtung von Oberflächenspiegeln, u. a. in Scannern, Kraftfahrzeug-Scheinwerfern und Spiegelreflexkameras eingesetzt. Es reflektiert im Gegensatz zu Silber auch Ultraviolettstrahlung. Aluminium-Spiegelschichten werden meist durch eine Schutzschicht vor Korrosion und Kratzern geschützt.

Weitere Anwendungen

3 Aluminium-Kursmünzen aus Vietnam, um 1970, Motiv: Reispflanze

Aluminium ist Bestandteil einer Lebensmittelfarbe (E173) und findet bei Überzügen von Zuckerwaren und zur Dekoration von Kuchen und feinen Backwaren Verwendung.^[3]

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 2500 °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.^[4]

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. Umformen 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 Bandguss nehmen 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.

Aluminium in Natur und Organismen

Aluminium ist eines der wenigen reichlich vorhandenen Elemente, die anscheinend von Lebewesen nicht genutzt werden. Der Grund könnte darin liegen, dass Aluminium ursprünglich, als sich das Leben im Meer entwickelte, im Meerwasser in gelöster Form fast überhaupt nicht vorhanden war und somit von dem sich entwickelnden Leben nicht genutzt werden konnte. Das Leben hat gelernt, ohne Aluminium auszukommen. Erst im Laufe der Jahrmilliarden wurde Aluminium allmählich durch Flüsse im Meer angereichert, obwohl auch heute noch die Konzentration im Meer sehr gering ist. Für diese These spricht auch, dass die Aluminiumkonzentration im Flusswasser wesentlich höher liegt als im Meerwasser.

Aluminium in Form verschiedener Salze (Phosphate, Silikate) ist Bestandteil von vielen Pflanzen und Früchten, denn gelöste Al-Verbindungen werden durch Regen aus den Böden von den Pflanzen aufgenommen, bei Säurebelastung der Böden ist dies vermehrt der Fall.

Aluminium in Lebensmitteln

Die meisten Lebensmittel enthalten als Spurenelemente auch Aluminium.^[5] Wir nehmen mit der Nahrung täglich im Durchschnitt 25 mg Aluminium in Form verschiedener Salze auf. Wenn Speisen nun noch im Aluminiumgeschirr zubereitet (saure Lebensmittel lösen Aluminium) und in Alufolie aufbewahrt werden, kann sich die Aufnahme um das zwei- bis dreifache erhöhen. Aluminium wird als mikronisiertes Metall und in Form vor allem der Alumosilikate (Zeolithe) auch in Lebensmitteln eingesetzt. So ist Aluminiumsilikat Bestandteil einer Lebensmittelfarbe (E173), findet in feinen Backwaren Verwendung und ist in Backpulver, Schmelzkäse, Scheibletten sowie sauer eingelegten Gemüsekonserven enthalten und als Antiklumpmittel in Kaffeeweißern, Salz und Gewürzen. Aluminiumhaltige Effekt-Pigmente werden als Nagellack, bei Überzügen von Zuckerwaren und zur Dekoration von Kuchen verwendet.

Bei der Untersuchung von Laugengebäck (Brezeln, Stangen, Brötchen) aus Bäckereien wurde Aluminium nachgewiesen, das in das Lebensmittel gelangt, wenn bei der Herstellung von Laugengebäck Aluminiumbleche verwendet werden.^[6] Aluminiumverbindungen finden sich außerdem in Körperpflegemitteln (mineralischer Sonnenschutz, Deo, Zahnpasta), in Medikamenten gegen Magenübersäuerung (Antacida), Durchfallmitteln (Kaolin, Attapulgite, Bolus) und in manchen Lipidsenkern (Aluminiumclofibrat), sowie in Industrieemissionen aus der Herstellung von Aluminium, der Papier-, Glas-, Porzellan- und Textilindustrie.

Aluminiumverbindungen können an Anämie beteiligt sein, weil es dieselben Speichereiweiße wie Eisen besetzt. Es kann den Knochenstoffwechsel beeinträchtigen, Arthritis begünstigen, Beschwerden des Nervensystems wie z. B. Gedächtnis- und Sprachstörungen, Antriebslosigkeit und Aggressivität fördern und führt auf jeden Fall mit der Zeit zu Leber- und Nierenschädigungen (dagegen hilft auch ein Leber- oder Nierenprogramm). Aluminium stört den Stoffwechsel von Calcium, Chrom, Eisen, Fluorid, Kupfer, Magnesium, Phosphat, Silicium, Zink sowie der Vitamine B6 und D.

Laut neuesten Untersuchungen des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) besteht kein Zusammenhang zwischen der Aluminiumaufnahme aus Lebensmittelbedarfsgegenständen und der Alzheimer-Krankheit.^[7]

Einige Prozent der Bevölkerung reagieren auf Aluminium stark allergisch – sie erleiden Ausschläge in jeder möglichen Form durch Verwenden von Antitranspirationsprodukten, Verdauungsstörungen und Unfähigkeit, Nährstoffe aus der Nahrung aufzunehmen, die in Aluminiumtöpfen gekocht wurde, oder Erbrechen und anderen Vergiftungserscheinungen durch Einnehmen aluminiumhaltiger Medikamente.

Aspekte des Umweltschutzes

Aluminiumschaum

Die Herstellung von Aluminium ist sehr energieaufwendig. Allein für die Elektrolyse, die zum Gewinn einer Tonne Aluminiums nötig ist, werden 14.000 kWh elektrische Energie benötigt. Anschaulich formuliert benötigt die Elektrolyse eines Liters Aluminium den Energiegehalt von ca. 3,8 Litern Heizöl. Durch den Abbau des Erzes Bauxit werden große Flächen in Anspruch genommen, die erst nach einer Rekultivierung wieder nutzbar sind. Bei der Herstellung nach dem Bayer-Verfahren entsteht der eisenreiche, umweltschädliche Rotschlamm. Pro gewonnener Tonne Aluminium fallen ca. 1,5 Tonnen davon an.

Positiv ist hingegen die gute Wiederverwendbarkeit von Aluminium hervorzuheben, wobei die Reststoffe streng getrennt erfasst und gereinigt werden müssen (Aluminiumrecycling). Durch Leichtbau mit Aluminiumwerkstoffen (beispielsweise Aluminiumschaum, Strangpressprofile) wird Masse von beweglichen Teilen und Fahrzeugen gespart, was zur Einsparungen beim Treibstoffverbrauch führen kann.

Aluminium ist korrosionsfester als Eisen und erfordert daher weniger umweltbelastende Korrosionsschutzmaßnahmen.

Nachweis

Aluminiumsalze weist man durch Glühen mit verdünnter Kobaltnitratlösung auf der Magnesia-Rinne nach. Dabei entsteht das Pigment Thénards Blau (auch Kobaltblau oder Cobaltblau, Dumonts Blau, Coelestinblau, Leithners Blau, Cobaltaluminat). Es ist ein Cobaltaluminiumspinell mit der Formel CoAl₂O₄. Diese Nachweisreaktion wurde 1795 von Leithner durch Glühen von Aluminiumsulfat und Cobaltnitrat (Co(NO₃)₂) entdeckt.

Nachweis mittels Kryolithprobe

Die Probelösung wird alkalisch gemacht, um Aluminium als Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ zu fällen. Der Niederschlag wird abfiltriert und mit einigen Tropfen Phenolphthalein versetzt, dann gewaschen, bis keine Rotfärbung durch Phenolphthalein mehr vorhanden ist. Anschließend festes Natriumfluorid (NaF) auf den Niederschlag streuen: Es bildet sich eine Rotfärbung durch Phenolphthalein, verursacht von freigesetzten Hydroxidionen.

Nachweis als fluoreszierender Morinfarblack

Die Probelösung wird mit Kaliumhydroxid (KOH) erhitzt und anschließend mit konzentrierter Essigsäure (Eisessig, CH₃COOH) angesäuert. Nach Zugabe von Morin-Lösung ist unter UV-Strahlung (λ = 366 nm) eine grüne Fluoreszenz beobachtbar.

Aluminiumlegierungen

Hauptartikel: Aluminiumlegierung

Aluminium kann im schmelzflüssigen Zustand mit Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Titan, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Zirkon 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:

Aluminiumgusslegierungen – Herstellung von Motoren- und Getriebegehäusen. Typische Aluminiumgusslegierungen sind: AlSi, AlSiCu, AlSiMg, AlCuTi, AlMg
Aluminiumknetlegierungen – Platten und Bandproduktion durch Warm- und Kaltumformen (Walzen, Strangpressen, Schmieden).
- Typische "naturharte" Aluminiumknetlegierungen sind: AlMg, AlMn, AlMgMn, AlSi
- "Aushärtbare" Knetlegierungen – Festigkeitssteigerung durch Ausscheidung von Legierungselementen bei einer zusätzlichen Alterungsglühung bei 150–190 °C. Typische "aushärtbare" Aluminiumknetlegierungen sind: AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu. Die erste hochfeste, aushärtbare Aluminiumlegierung AlCuMg bekam 1907 den Markennamen Duraluminium.

Verbindungen

Aluminiumoxid Al₂O₃ (engl. alumina) , auch als Tonerde oder Korund bekannt, liegt als weißes Pulver oder in Form sehr harter Kristalle vor. Es ist das Endprodukt des Bayer-Verfahrens und dient in erster Linie als Ausgangsmaterial für die Aluminiumgewinnung (Schmelzflusselektrolyse). Es wird darüber hinaus als Schleif- oder Poliermittel und für Uhrensteine, Ziehsteine und Düsen verwendet. In keramischer Form dient es als Isolierstoff, Konstruktionskeramik, als Substratmaterial für Dickschichtschaltkreise, als Grundplatte von Leistungshalbleitern und in transparenter Form als Entladungsgefäß von Natriumdampf-Hochdrucklampen.
Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ wird ebenfalls nach dem Bayer-Verfahren gewonnen und ist das wichtigste Ausgangsmaterial zur Erzeugung anderer Al-Verbindungen, vor allem für Aluminate. Als reines Produkt wird es als Füllstoff und zum Brandschutz in Kunststoffen und Beschichtungen eingesetzt.
Aluminiumchlorid, Polyaluminiumchlorid und Aluminiumsulfat werden vor allem als Flockungsmittel in der Wasseraufbereitung, Abwasserreinigung und der Papierindustrie eingesetzt.
Natriumaluminat NaAl(OH)₄ wird ebenfalls als Flockungsmittel verwendet und ist weiterhin Rohstoff für die Zeolith-Produktion, Titandioxid-Beschichtung und Calciumaluminatsulfat-Herstellung.
Alumosilikate (Zeolithe) als Ionenaustauscher, in Waschmitteln und in Lebensmitteln.
Aluminiumkaliumsulfat-Dodecahydrat KAl(SO₄)₂ · 12 H₂O, bekannt als "Alaun" zum Blutstillen.
Aluminiumdiacetat, bekannt als essigsaure Tonerde für entzündungshemmende Umschläge.
Aluminiumorganische Verbindungen – Triethylaluminium u. v. m. – werden im großtechnischen Maßstab als Katalysatoren in der Polyethylen-Herstellung eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Halbleitertechnik. Hier werden flüchtige Aluminiumalkyle (Trimethylaluminium, Triethylaluminium etc.) als Vorstufen zur CVD (chemical vapor deposition)- Abscheidung von Aluminiumoxid verwendet, das man als Isolator und Ersatz für das nicht ausreichend isolierende Siliciumdioxid einsetzt.
Bei der Aluminothermie wird Aluminium zur Gewinnung anderer Metalle und Halbmetalle verwendet (siehe auch Thermitverfahren).
Aluminiumoxynitrid ist ein transparenter keramischer Werkstoff.
Aluminiumnitrid ist ein Konstruktions- und Isolationswerkstoff und zeichnet sich durch sehr hohe Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur aus. Außerdem könnte die hohe Bandlücke die Anwendung als wide-bandgap-Halbleiter ermöglichen.

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