Aluminium
[zu lateinisch alumen »Alaun« (nach seinem natürlichen Vorkommen in Alaunerde)] das, -s, chemisches Symbol Al, ein chemisches Element aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, silberweißes Leichtmetall, mit einer Dichte von rd.2,7 g/cm3 fast um zwei Drittel leichter als Eisen. Die spezifische Wärmekapazität und die latente Schmelzwärme sind sehr hoch, sodass zum Schmelzen von Aluminium eine wesentlich größere Wärmemenge erforderlich ist als z. B. beim Kupfer mit seiner über 400 ºC höheren Schmelztemperatur. Die elektrische Leitfähigkeit des technischen Reinaluminiums beträgt etwa 60 % von der des Kupfers. Die geringen mechanischen Festigkeitseigenschaften des reinen Aluminiums lassen sich durch Legierungszusätze bis zu Werten steigern, die denen des Stahls nahe kommen (Aluminiumlegierungen). Die elektrische Leitfähigkeit wird dadurch jedoch vermindert. Während der Zusatz von Eisen, Kupfer, Silicium, Zink nur geringen Einfluss hat, sinkt die Leitfähigkeit durch Beimengungen von Mangan, Titan, Chrom, Vanadium rasch ab.
Obwohl Aluminium als unedles Metall in der Spannungsreihe links vom Wasserstoff steht, besitzt es hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Sauerstoff, Luftfeuchtigkeit und Stoffen des täglichen Bedarfes, z. B. Essig, Obstsäuren, Fettsäuren. Die Korrosionsbeständigkeit des Aluminiums beruht auf der Ausbildung einer nur wenige Moleküllagen dicken, harten, wasserunlöslichen und säureresistenten Schicht aus Aluminiumoxid, Al2O3. Diese durch anodische Oxidation wesentlich verstärkbare Oxidschicht leitet den elektrischen Strom nicht, sie kann deshalb in Elektrolytkondensatoren als Dielektrikum dienen. Aluminium wird von Wasser nicht angegriffen; bei Berührung mit elektrochemisch edleren Metallen wie Kupfer, Messing, Nickel wird es infolge der Bildung von Lokalelementen leicht zerstört. Quecksilber amalgamiert die Oberfläche, die dann schon mit Wasserdampf der Luft Aluminiumhydroxid bildet. Salzlösungen wirken langsam korrodierend, sehr reines Aluminium ist aber gegen Meerwasser beständig. Mineralsäuren und Alkalilaugen greifen Aluminium heftig an, konzentrierte Salpetersäure hingegen nicht. Fein verteiltes Aluminium verbrennt, einmal gezündet, unter starker Hitze- und Lichtentwicklung zu Aluminiumoxid (Blitzlicht). Aluminium brennt wegen seiner großen Affinität zu Sauerstoff auch in Kohlenmonoxid und Kohlendioxid; dabei entstehen Aluminiumoxid und Aluminiumcarbid, Al4C3. Wegen seiner leichten Oxidierbarkeit findet Aluminium als Reduktionsmittel (Aluminothermie) und als Desoxidationsmittel bei der Stahlerzeugung Verwendung. Mit Schwefel reagiert Aluminium erst bei hoher Temperatur. Aluminium und Aluminiumoxid sind ungiftig, sie wirken beide nicht bakterizid. In den Aluminiumverbindungen liegt Aluminium meist dreiwertig vor; daneben gibt es auch Verbindungen mit einwertigem Aluminium.
Vorkommen:
Aluminium kommt in der Natur nicht elementar vor, ist aber in seinen Verbindungen mit 8,1 % am Aufbau der zugänglichen Erdkruste beteiligt (Eisen 5,0 %), in der es das dritthäufigste Element nach Sauerstoff (46,6 %) und Silicium (27,7 %) ist. Nach ihrem Mengenanteil sind etwa 70 % der gesteinsbildenden Minerale Alumosilikate. Diese stellen zum Teil wichtige Rohstoffe der Glas- und der keramischen Industrie dar (Feldspäte, Ton), werden aber für die technische Gewinnung von Aluminium nicht verwendet. Das weitaus wichtigste Aluminiumerz ist der Bauxit, bestehend aus Aluminiumhydroxiden und meist eisenhaltigen Verunreinigungen. Abbauwürdige Bauxite enthalten mehr als 50 % Al2O3 und weniger als 8 % SiO2. Natürliches Aluminiumoxid (Korund) dient nicht als Aluminiumerz, sondern wegen seiner großen Härte (9 auf der mohsschen Härteskala) als Schleifmittel (Schmirgel); schön gefärbte Varietäten sind wertvolle Edelsteine (Rubin, Saphir). Weitere Aluminiumminerale sind der Alunit, ein Aluminiumsulfat, sowie der Kryolith, ein Natriumfluoroaluminat.
Gewinnung:
Die großtechnische Darstellung von Aluminium geschieht im Allgemeinen in zwei Arbeitsgängen. Zunächst wird Aluminiumoxid aus dem Bauxit nach dem Bayer-Verfahren gewonnen. Dieses beruht darauf, dass sich die Aluminiumhydroxide des fein gemahlenen Bauxits in Natronlauge bei höherer Temperatur leicht unter Bildung von Natriumaluminat lösen und aus der vom Rückstand (Rotschlamm) abgetrennten verdünnten Aluminatlauge beim Abkühlen sich reines Aluminiumhydroxid abscheidet. Das ausgefällte, abfiltrierte und gründlich gewaschene Aluminiumhydroxid wird durch Kalzinieren in langen Drehrohröfen bei 1 200-1 300 ºC oder in der Wirbelschicht in Aluminiumoxid überführt.
Im zweiten Arbeitsschritt wird das Aluminium aus dem Aluminiumoxid durch elektrolytische Zersetzung (Schmelzflusselektrolyse) gewonnen. Hierbei wird das wasserfreie Aluminiumoxid mit der rd. zehnfachen Menge Kryolith unter Zusatz von Aluminiumfluorid und Calciumfluorid in einer mit Kohle ausgekleideten Eisenwanne (Minuspol) auf rd. 950 ºC zum Schmelzen erhitzt. Als Pluspol dienen Kohleelektroden (Blockanoden aus Pechkoks oder Petrolkoks oder Söderberg-Elektroden). Das geschmolzene Aluminium setzt sich auf dem Boden der Wanne ab, wo es zur Weiterverarbeitung abgelassen werden kann. Der an der Anode gebildete Sauerstoff setzt sich mit der Kohle zu Kohlenmonoxid und -dioxid um, die oben aus der Zelle abgezogen werden. Da mit den Abgasen auch geringe Mengen an (giftigen) Fluorverbindungen entweichen, die aus dem Kryolith gebildet werden, kommt der Abgasreinigung besondere Bedeutung zu. - Aus 4 t Bauxit erhält man rund 2 t Aluminiumoxid und aus diesen, unter Verbrauch von rund 0,6 t Elektrodenkohle und 0,08 t Kryolith, 1 t Hüttenaluminium (Reinaluminium) mit 99,5 bis 99,9 % Aluminium; außerdem sind für die Erzeugung von 1 t Aluminium in modernen Anlagen 12-15 MWh erforderlich. Da für die Gewinnung von Aluminium aus Aluminiumschrott nur etwa 5 % dieser Energiemenge gebraucht werden, kommt heute der Verarbeitung von Aluminiumschrott in besonderen Umschmelzwerken steigende Bedeutung zu. - In den letzten Jahren wurden mehrere weitere Verfahren zur Gewinnung von Aluminium bekannt, die aber bisher nur in sehr beschränktem Maße angewandt werden. Mit geringerem Energieaufwand und damit kostengünstiger arbeitet z. B. die Aluminiumchlorid-Elektrolyse; bei dieser wird das Aluminiumoxid zunächst in Aluminiumchlorid umgewandelt. Die anschließende Elektrolyse wird in dicht abgeschlossenen Zellen bei Lösung in Kalium- oder Natriumchloridschmelzen vorgenommen.
Raffination:
Für einige Verwendungszwecke muss das Hüttenaluminium noch weiter gereinigt werden. Das wichtigste Verfahren hierfür ist die Dreischichtenelektrolyse. Die dabei verwendeten Elektrolysierzellen bestehen aus eisernen Wannen, deren Wände mit Magnesitsteinen ausgemauert sind und die einen als Anode geschalteten Kohleboden haben; als Kathode dient eine Graphitelektrode, die von oben in die Zelle hineinragt. In der Elektrolysierzelle befindet sich als unterste Schicht das zu reinigende Aluminium, dem zur Erhöhung der Dichte Kupfer oder andere Schwermetalle zugesetzt werden; darüber liegt eine Salzschmelze aus Fluoriden und Chloriden, die spezifisch leichter als die Legierung ist. Unter dem Einfluss des elektrischen Stroms geht nur das Aluminium von der Anode zur Kathode über und sammelt sich als oberste Schicht an. Es wird als Reinstaluminium mit 99,99 bis 99,999 % Aluminium gewonnen.
Verarbeitung und Verwendung:
Aluminium lässt sich schweißen, warm und kalt walzen, pressen, ziehen, stanzen, zu Blattaluminium ausschlagen und schmieden. Aluminium ist das wichtigste Leichtmetall und wird in der Technik sehr vielfältig eingesetzt, z. B. als Profil, Rohr, Blech oder Schmiedestück für Armaturen, Behälter, Apparaturen in der chemischen Industrie und der Nahrungsmittelindustrie, in der Elektroindustrie (Leitungen) sowie als Verbundwerkstoff. Etwa 24 % des Aluminiums wurden im Fahrzeug- und Flugzeugbau, 10 % in der Bauindustrie, 6,5 % in der Verpackungsindustrie und 5,5 % im Maschinenbau verarbeitet (1987); großer Bedarf besteht auch in der Eisen- und Stahlindustrie, bei Haushaltswaren und in der Elektrotechnik.
Umweltwirkung:
Zwar wird Aluminium als lebensnotwendiges Spurenelement für manche Pflanzen (Farne und Schachtelhalme) angesehen, doch ist eine ertragsbegrenzende Wirkung in der Landwirtschaft bekannt, und zu hohe Konzentrationen freien Aluminiums im Boden können zu giftigen Wirkungen bei Pflanzen führen. Durch sauren Regen mobilisiertes, zelltoxisches Aluminium (Al3+) wird als eine Ursache des Waldsterbens diskutiert. In sauren und ungepufferten Gewässern wirkt Aluminium fischtoxisch. - Die EU hat einen Grenzwert von 0,2 mg/l festgelegt. Der MAK-Wert für Aluminiumfeinstaub (Metall, Oxid, Hydroxid) sowie für Aluminiumrauch beträgt 6 mg/m3.
Wirtschaft:
Die wirtschaftliche Bedeutung des Aluminiums ist infolge seiner vielseitigen Verwendung stark gewachsen. Es drang in erheblichem Umfang in Anwendungsbereiche des Kupfers vor. Die Produktion ist stark konzentriert und internationalisiert. Die sechs größten Hersteller der westlichen Welt verfügen über mehr als die Hälfte der Kapazitäten. Wegen des hohen Energiebedarfs bei der Erzeugung haben Erdölförderländer (u. a. Venezuela) und Staaten mit großen Hydroenergiereserven (u. a. Brasilien) als Aluminiumproduzenten an Bedeutung gewonnen. In Deutschland wurden 1994 504 956 (1984: 722 200) t Hüttenaluminium und 438 080 (324 100) t Umschmelzaluminium produziert. Der Gesamtverbrauch betrug 1994 1,502 (1984: 1,637) Mio. t. - In Österreich ist die Hüttenproduktion seit 1993 eingestellt (1984: 95 800 t); der Rohmetallverbrauch betrug 1994 145 000 (127 400) t. In der Schweiz wurden 1994 155 100 (1984: 135 000) t Hüttenaluminium verbraucht und 24 172 (79 200) t produziert.
Geschichte:
Aluminium wurde von H. C. Ørsted (1825) in unreiner Form und rein von F. Wöhler (1827) durch Reduktion von Aluminiumchlorid mit Alkalimetall hergestellt. Die erste elektrolytische Darstellung geht auf R. Bunsen (1854) zurück. Das auch heute noch angewandte Verfahren der Schmelzflusselektrolyse wurde 1886 von dem Franzosen P. L. T. Héroult in Europa und (unabhängig) von dem Amerikaner C. M. Hall in den USA entwickelt.
Literatur:
H. Ginsberg u. K. Welfers: A. u. Magnesium (21971);
A.-Tb., hg. v. der Aluminium-Zentrale e. V., Düsseldorf (141983);
Fügen von A.-Werkstoffen, Beitr. v. L. Dorn (1983);
K. Grjotheim u. B. Welch: A. smelter technology (21988);
D. Altenpohl: A. von innen betrachtet (51994).