Aluminium

Chemische und physikalische Eigenschaften von Aluminium

Ein unedles silbrig graues, instabiles, formbares Metall, elektrisch sehr gut leitend. Bei Temperaturen unter 1,18 K ist es supraleitend. In der Natur kommt es hauptsächlich in Form von Verbindungen vor, das bekannteste Erz ist Bauxit Al2O3 . 2 H2O (Aluminiumoxid-Dihydrat).

Es bildet Verbindungen in den Oxidationsstufen +I bis +III, die häufigsten und stabilsten sind Aluminiumverbindungen. In sauren Medien bildet es im wässrigen Lösung Aluminiumkationen, in alkalischen Medien das Aluminatanion [AlO2]−. Reines Aluminium ist sehr reaktiv und bedeckt sich in der Luft schnell mit einer dünnen Schicht von Al2O3, die das Metall vor weiterer Oxidation schützt.

Aluminium ist sehr gut löslich in verdünnten Säuren. Konzentrierte Salpetersäure oder Schwefelsäure bedecken es jedoch wie der Luftsauerstoff mit einer Passivierungsschicht aus Oxid. Auch Alkali-Hydroxide lösen metallisches Aluminium leicht auf, wobei Aluminate (AlO2)− entstehen.

Aluminium und Aluminiumlegierungen sind mit fast allen Schweißmethoden sehr gut schweißbar. Eine Ausnahme ist die Legierung Duraluminium (Dural), die schwer schweißbar ist.

Aluminium wurde 1825 in metallischer Form vom dänischen Physiker Hans Christian Ørsted isoliert.

Aluminium und seine Vorkommen in der Natur

Aufgrund der hohen Reaktivität von Aluminium begegnen wir in der Natur praktisch nur seinen Verbindungen.

Aluminium ist das drittmeistverbreitete Element in der Erdkruste. Nach den letzten verfügbaren Daten bildet Aluminium 7,5–8,3 % der Erdkruste. In Meerwasser ist seine Konzentration sehr niedrig, nur 0,01 mg Al/l, und im Universum kommt auf ein Aluminiumatom etwa eine halbe Million Wasserstoffatome.

Das häufigste Erz auf Aluminiumbasis ist Bauxit, Al2O3 · 2 H2O. Es wird üblicherweise von weiteren Verbindungen auf der Basis von Silizium-, Titan-, Eisenoxiden und anderen begleitet.

Ein weiterer bedeutender Mineralstoff ist Kryolith, das Natriumhexafluoroaluminat Na3AlF6, das hauptsächlich als Flussmittel zur Senkung der Schmelztemperatur von Aluminiumoxid in der elektrolytischen Aluminiumherstellung verwendet wird.

Minerale auf Aluminiumoxybasis Al2O3 gehören zu den sehr bedeutenden und geschätzten. Korund befindet sich an der 9. Stelle der Mohs-Härteskala. Technisches Aluminiumoxid nennt man auch Elektrit und es wird häufig zur Herstellung von Sandpapier benutzt.

Teure Edelsteine, deren Grundmaterial Aluminiumoxid ist, unterscheiden sich durch die Beimischung, die ihre charakteristische Färbung verursacht. Roter Rubin ist durch Beimischung von Chromoxid gefärbt, blauer Saphir enthält vor allem Spurenmengen von Titan- und Eisenoxiden.

Beide genannten Formen von Korund zählen zu den am meisten geschätzten Edelsteinen der Welt, sie werden jedoch auch in der Technik bedeutend eingesetzt. Saphirspitzen zeichnen sich durch ihre Härte und Beständigkeit aus und werden bei Hightech-Wissenschaftsmessgeräten verwendet. Rubin ist als Material für den Bau des ersten Lasers der Welt bekannt.

Aluminiumproduktion

Obwohl Aluminium zu den am meisten verbreiteten Elementen der Erdkruste gehört, zählte seine industrielle Produktion bis vor kurzem zu den sehr schwierigen Prozessen. Dies vor allem, weil elementares Aluminium nicht einfach metallurgisch aus seinem Erz wie zum Beispiel Eisen mit Koks im Hochofen reduziert werden kann. Erst die Beherrschung der industriellen Elektrolyse der Metallerzschmelze ermöglichte die gegenwärtige mehrhunderttausend Tonne jährlich reine Aluminiumproduktion.
Bei der Elektrolyse scheidet sich aus der Schmelze einer Mischung von zuvor gereinigtem Bauxit und Kryolith bei einer Temperatur von etwa 950 °C an der Kathode elementares Aluminium ab, an der Graphitanode entsteht Sauerstoff, der sofort mit dem Material der Elektrode zu giftigem Kohlenmonoxid, CO, reagiert.
Auf dem Gebiet des ehemaligen Tschechoslowakei begann 1933 die Produktion von Aluminiumbändern und später, 1954, die Produktion von Konsumgütern aus Aluminiumfolien in Břidličná. Das Unternehmen hält die Produktion weiterhin aufrecht. Darüber hinaus begann 1953 die Aluminiumproduktion im slowakischen Žiar nad Hronom, wohin die überwiegende Mehrheit des Bauxits aus Ungarn importiert wurde. Die Aluminiumproduktion mit der Söderberg-Technologie endete dort im Jahr 1998.

Aluminiumlegierungen

Das wichtigste ist jedoch die Anwendung von Aluminium in Form von Legierungen, von denen zweifellos die bekannteste Legierung mit Magnesium, Kupfer und Mangan ist, bekannt als Duraluminium (Dural). Dieses Material hat im Vergleich zu reinem Aluminium eine viel höhere Festigkeit und Härte bei sehr geringer Dichte. Gleichzeitig sind sie auch sehr korrosionsbeständig. Alle genannten Eigenschaften prädestinieren Dural als ideales Material für die Luftfahrt- und Automobilindustrie, aber man begegnet ihm bei der Herstellung von Aufzügen, Fahrrädern, leichten Leitern und ähnlichen Anwendungen.

Sehr bekannte Aluminiumlegierungen sind die Kategorien 6061 und 7005. Was ist aber der Unterschied zwischen ihnen? Die Legierung der Reihe 7005 (bestehend aus 93,35% Al, 0,13% Cr, 1,4% Mg, 0,45% Mn, 0,03% Ti, 4,5% Zn, 0,14% Zr) wird oft durch die Legierung mit der Bezeichnung Alloy 6061 ersetzt, die aus 98,1% Al, 0,020% Cr, 1% Mg, 0,28% Mn, 0,6% Si besteht. Das Material Al 6061 hat zwar etwas niedrigere mechanische Eigenschaften, lässt sich jedoch besser schweißen, da es im Gegensatz zu 7005 kein Zink enthält, das beim Schweißen gegebenenfalls zu Rissen führen kann. Im Vergleich zu beispielsweise Fahrradrahmen aus dem Material 7005, das selbst aushärtet, müssen jedoch Aluminiumrahmen aus Al 6061 immer wärmebehandelt werden. Der Nachteil der Legierung 6061 ist, dass sie zwanzig Prozent weniger Festigkeit als die 7005-Reihe hat. Andererseits hat das Material 6061 auch einen Vorteil, und zwar dass es aufgrund seiner größeren Weichheit besser formbar ist und bei gleicher Rohrstärke im Vergleich zur 7005 garantiert leichter sein wird.