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ALUMINIUM (Al)
General:
Name: abgeleitet von lat. alumen = alum(aluminiumverbindung) Atomzahl (Die Atomzahl oder Protonenzahl eines chemischen Elements ist die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms dieses Elements) : 13 Schmelzpunkt(°C): 660 Siedepunkt (Der Siedepunkt einer Substanz ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit dem Druck um die Flüssigkeit herum entspricht und die Flüssigkeit in einen Dampf übergeht) (°C): 2470 Dichte (Die Dichte, genauer gesagt die volumetrische Massendichte, einer Substanz ist ihre Masse pro Volumeneinheit) (g/cm³): 2.7 atomic number 35) >Ionenradius (Ionenradius, rion, ist der Radius des Ionen eines Atoms) (nm): 0,051 1. Ionisationsenergie (Die Ionisationsenergie ist qualitativ definiert als die Energiemenge, die benötigt wird, um das am weitesten gebundene Elektron, das Valenzelektron, eines isolierten gasförmigen Atoms zur Bildung eines Kations zu entfernen) (eV): 5,84 Oxidationszahlen (Die Oxidationszahl, oft auch Oxidationszahl genannt, ist ein Indikator für den Oxidationsgrad eines Atoms in einer chemischen Verbindung) : +3 und (selten) +1 Mohs Härte (Die Mohs-Skala der Mineralhärte ist eine qualitative ordinale Skala, die die Kratzfestigkeit verschiedener Mineralien durch die Fähigkeit eines härteren Materials, weicheres Material zu kratzen, charakterisiert): 2-2.9 Valenzkonfiguration (Zuordnung von e- mit hohen Zahlen zu ent
sprechenden Energieniveaus): Al ist das dritthäufigste Element und das häufigste Metall in der festen Erdkruste (in Alumosilikaten). Sie tritt nicht würdevoll (=elementar) auf, sondern nur in ihren sauren Verbindungen. (Feldspat, Glimmer (Die Glimmergruppe der Schichtsilikatmineralien umfasst mehrere eng verwandte Materialien mit nahezu perfekter Basalspaltung), Aluminiumoxid). Wichtige Aluminiummineralien sind: Aluminiumoxid Al2O3, Bauxit Al2O3. H2O, Kaliumfeldspat K[AlSi3O8], Natrium (Natrium ist ein chemisches Element mit Symbol Na und Ordnungszahl 11) Feldspat Na[AlSi3O8], Kalzium (Kalzium ist ein chemisches Element mit Symbol Ca und Ordnungszahl 20) Feldspat Ca[AlSi3O8] und Kryolith Na3[AlF6]. Bauxite sind von größter technischer Bedeutung. Die Hauptlagerstätten befinden sich in Australien , Guinea, Brasilien (Brasilien , offiziell die Föderative Republik Brasilien , ist das größte Land sowohl in Südamerika als auch in Lateinamerika ), Indien (Indien , offiziell die Republik Indien , ist ein Land in Südasien), China und Kamerun (Kamerun, offiziell die Republik Kamerun, ist ein Land in Zentralafrika) . Ein Weltvorrat von rund 25 . 109 t entspricht einem Jahresverbrauch von 2,3 . 107 Tonnen. Produktion: Fast ausschließlich durch Schmelzelektrolyse von Al2O3 nach einem von P.T. Héroult und Ch. M. Hall bereits 1886 entwickelten Verfahren. Der Trockenaufschluss erfolgt mit SiO2-reichen Bauxiten: Gemahlener Bauxit, kalziniert (die Behörden unterscheiden sich in der Bedeutung der Kalzinierung) Soda (Aluminiumhydroxid, entwässert zu Aluminiumoxid) und Branntkalk (Kalziumoxid, allgemein bekannt als Branntkalk oder Branntkalk, ist eine weit verbreitete chemische Verbindung) werden in großen Drehrohröfen (bis zu 100 m Länge) bei 1000°C gemischt und geglüht. Anschließend wird das Material auf eine Temperatur von 1000°C erhitzt. Das gesinterte Produkt wird mit Wasser behandelt und das unlösliche Eisenhydroxid (Eisenoxide sind chemische Verbindungen aus Eisen und Sauerstoff) wird von ihm als Rotschlamm abgetrennt, das Aluminat wird durch CO2 als Al(OH)3 ausgefällt und durch Glühen in α- Al2O3 umgewandelt. Die Nassfaulung erfolgt bei Bauxiten mit niedrigem SiO2-Gehalt nach dem Bayer-Verfahren (Das Bayer-Verfahren ist das wichtigste industrielle Mittel zur Veredelung von Bauxit zur Herstellung von Aluminiumoxid): Getrocknetes und gemahlenes Bauxit wird mit NaOH abgebaut. Al wird als Aluminat gelöst, die Zusätze verbleiben im Rotschlamm. Durch Inokulation mit Al(OH)3 (Beschleunigung der Kristallisation) und Rühren wird das Al als Aluminiumhydroxid ausgefällt und durch anschließendes Glühen in Drehrohröfen bei 1200°C in α- Al2O3 umgewandelt. In der Vergangenheit wurde der bei der Faulung anfallende Rotschlamm auf Deponien entsorgt. Inzwischen wird es teilweise zu Eisen, Farbpigmenten und Flockungsmitteln verarbeitet (Flockung ist in der Chemie ein Verfahren, bei dem Kolloide in Form von Flocken oder Flocken aus der Suspension kommen; entweder spontan oder durch Zugabe eines Klärmittels). Bei der Schmelzflusselektrolyse wird das Aluminiumoxid in einer Schmelze aus Kryolith gelöst. Dadurch sinkt die Badtemperatur auf 950°C, während der Schmelzpunkt (Der Schmelzpunkt eines Feststoffs ist die Temperatur, bei der er bei Atmosphärendruck vom festen in den flüssigen Zustand übergeht) aus reinem Al2O3 2045°C beträgt. Die Schmelze enthält 15-20% Al2O3 und da ihre Dichte 2,15 g/cm³ beträgt, die abgeschiedenen Metallsedimente (Dichte 2,7 g/cm³) und entweicht so der Reoxidation durch die Atmosphärensäure. Der Elektrolyseofen besteht aus einem mit Kohlenstoff ausgekleideten Tank (Kathode (A-Kathode ist die Elektrode, aus der ein konventioneller Strom eine polarisierte elektrische Vorrichtung verlässt)), in den Graphitelektroden als Anoden von oben ragen. In regelmäßigen Abständen wird der Schmelze Aluminiumoxid zugesetzt, das den elektrischen Strom (An electric current is a flow of electric charge) (Ströme bis über 100.000 A bei 5-7 V Spannung) in Al und O2 zerlegt. Die Stromverluste in der Schmelze erwärmen sie gleichzeitig. O2 reagiert an den Anoden auf CO und CO2 und entweicht. Das geschmolzene Al sammelt sich am Boden der Wanne und wird von Zeit zu Zeit angezapft (=gesaugt). Der Reinheitsgrad des erhaltenen Al beträgt 99,5-99,9%. Der Schmelzflusselektrolyseprozess schafft Umweltprobleme , da ca. 50 kg Kryolith pro Tonne Al abgebaut werden (Anoden-Sekundärreaktion). Es entsteht Fluor (Fluor ist ein chemisches Element mit Symbol F und Ordnungszahl 9), das von Abgasreinigungssystemen zurückgehalten und anschließend mit Sodalösung umgesetzt wird. F reagiert mit H2O zu Fluorwasserstoff (Fluorwasserstoff ist eine chemische Verbindung mit der chemischen Formel) HF, der Natriumfluorid bildet (Natriumfluorid ist eine chemische Verbindung und Medikament) mit der basischen Sodalösung, die für Kryolith verwendet wird (Kryolith ist ein ungewöhnliches Mineral, das mit der einst großen Lagerstätte bei Ivigtût an der Westküste Grönlands identifiziert wurde, die 1987 erschöpft war) Produktion. Dennoch entweichen erhebliche Mengen des schädlichen HF in die Umwelt. Seit 1975 wird Al auch im industriellen Maßstab durch Elektrolyse von AlCl3 hergestellt. Vorteil: Kein Flussmittel, geringere Umweltbelastung. Die Veredelung des Aluminiums ist in einigen Fällen notwendig: Sie erfolgt durch Dreischicht-Elektrolyse: Die Zelle besteht aus einem mit Magnesit beschichteten Eisentank (Magnesit ist ein Mineral mit der chemischen Formel MgCO3) Ziegel, der Boden ist mit Kohle ausgekleidet und als Anode verbunden (Anode ist eine Elektrode, durch die konventioneller Strom in ein polarisiertes elektrisches Gerät fließt) . Graphit (Graphit, archaisch Bleiwurz genannt, ist eine kristalline Form von Kohlenstoff, ein Halbmetall, ein natives Elementmineral und eines der Allotrope von Kohlenstoff) Kathoden ragen von oben heraus. Das Al wird zur Erhöhung der Dichte mit Kupfer legiert und in den unteren Teil der Zelle geschmolzen. Darüber wird ein geschmolzenes Salz, das spezifisch leichter ist als reines Al, aufgeschichtet. Während der Elektrolyse (In der Chemie und Fertigung ist die Elektrolyse eine Technik, die mit Gleichstrom eine ansonsten nicht spontane chemische Reaktion antreibt), steigt nur das reine (>99,99%) Al zur Kathode auf, schwimmt auf der Salzschmelze und wird dort abgegriffen. Eigenschaften: Al ist ein silbriges, duktiles und unedles Leichtmetall mit einer kubischen Oberfläche (Eine kubische Oberfläche ist eine projektive Variante, die in algebraischer Geometrie untersucht wurde) – zentrierter Gitterstruktur. Über 600°C nimmt es eine körnige Struktur an (Aluminiumkorn); es kann leicht zu Pulver (Aluminiumbronze) gemahlen werden. Al ist korrosionsbeständig, da es schnell eine sehr dünne, dichte, harte und transparente Oxidschicht auf der Oberfläche bildet, die vor weiterer Korrosion schützt, so dass Al korrosionsbeständiger ist als das viel edlere Eisen. Diese Oxidschicht kann durch anodische Oxidation auf 0,02 mm verstärkt werden (Eloxieren (Anodisieren ist ein elektrolytisches Passivierungsverfahren zur Erhöhung der Dicke der natürlichen Oxidschicht auf der Oberfläche von Metallteilen) Verfahren = elektrolytisch oxidiertes Aluminium). Diese inaktive Schutzschicht muss zum Löten entfernt werden. Die elektrische Leitfähigkeit (Elektrischer Widerstand ist eine intrinsische Eigenschaft, die angibt, wie stark ein bestimmtes Material dem Stromfluss entgegenwirkt) ist hoch, etwa 2/3 des Kupfers (Kupfer ist ein chemisches Element mit Symbol Cu und Ordnungszahl 29) ; Al ist auch ein guter Wärmeleiter (Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme durch mikroskopische Kollisionen von Teilchen und Bewegung von Elektronen innerhalb eines Körpers) . In wässriger Lösung existiert überwiegend das Kation (Ein Ion ist ein Atom oder ein Molekül, in dem die Gesamtzahl der Elektronen nicht gleich der Gesamtzahl der Protonen ist, was dem Atom oder Molekül eine positive oder negative elektrische Nettoladung verleiht). [Al(H2O)6]3+. Die Verbindungen haben sowohl ionische als auch kovalente (Eine kovalente Bindung, auch Molekularbindung genannt, ist eine chemische Bindung, die das Teilen von Elektronenpaaren zwischen Atomen beinhaltet) Charakter. Verwendung: Seine geringe Dichte, gute elektrische und thermische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit ist in der Physik die Eigenschaft eines wärmeleitenden Materials), Korrosionsbeständigkeit und hohes Reflexionsvermögen machen Al – und vor allem seine mechanisch starken Legierungen – zu einem weit verbreiteten Material und Baumaterial. Zu den Hauptkunden gehören Flugzeuge und Schiffbau. Al wird für Folien, Drähte (spezielle Hochspannungskabel), Kühler, Kochutensilien, Kühlschränke, Behälter und Behälter verwendet; es wird auch in der Fusehair-Industrie, für Rostschutzbeschichtungen, in der Strahltechnik, in der Spiegelherstellung und bei der Metallgewinnung und -schweißung mit Hilfe von Thermit (Thermit ist eine pyrotechnische Zusammensetzung aus Metallpulver, Brennstoff und Metalloxid) eingesetzt. Immer mehr Al wird zu Getränkedosen verarbeitet. Auch in der Lebensmittelverpackung wird Al immer wichtiger. Aufgrund seiner hohen Duktilität (Duktilität ist in der Materialwissenschaft die Verformbarkeit eines festen Materials unter Zugspannung; diese ist oft dadurch gekennzeichnet, dass das Material zu einem Draht gestreckt werden kann), kann es in Aluminiumfolien bis zu einer Dicke von 0,004 mm ausgerollt werden. Da Aluminium wasserundurchlässig ist, werden Aluminiumfolien als Feuchtigkeitssperre gegen aufsteigende Feuchtigkeit (Strukturfeuchte ist das Vorhandensein von unerwünschter Feuchtigkeit in der Gebäudestruktur, entweder durch Eindringen von außen oder durch Kondensation aus der Struktur heraus) auf Kellerfundamenten und als Wasserdampfsperre (Eine Dampfsperre ist jedes Material, das zur Feuchtigkeitsabdichtung verwendet wird, typischerweise eine Kunststoff- oder Folienplatte, die der Diffusion von Feuchtigkeit durch die Wand widersteht, Decken- und Bodenbaugruppen von Gebäuden zur Vermeidung von interstitieller Kondensation und von Verpackungen) gegen das Eindringen warmer, feuchter Luft in die Wärmedämmung (Wärmedämmung ist die Reduzierung des Wärmeübergangs zwischen Objekten in Wärmekontakt oder im Bereich der Strahlungseinwirkung) aus Glaswolle (Glaswolle ist ein Dämmstoff aus Glasfasern, die mit einem Bindemittel in einer wolleähnlichen Struktur angeordnet sind). Aluminium (Aluminium oder Aluminium ist ein chemisches Element in der Borgruppe mit Symbol Al und Ordnungszahl 13) hat bereits eine Recyclingquote von rund 35%, die weiter verbessert werden könnte. Nicht einmal 10% der für die Neuproduktion benötigten Energie werden benötigt, um Aluminiumschrott einzuschmelzen. Allerdings kann recyceltes Aluminium nicht mehr für alle Anwendungen verwendet werden, da es unkontrollierbare Mengen an Legierungsmetallen enthält. Wichtige Verbindungen: Aluminiumoxid Al2O3 existiert in mehreren Modifikationen; die wichtigsten sind: α- Al2O3 (Saphir ist ein Edelstein, eine Variante des Minerals Korund, ein Aluminiumoxid) bildet sehr harte hexagonale rautenförmige Kristalle, unlöslich in Säuren und Basen. Vorkommen in der Natur als Korund (feinkörnig) oder Schmirgel (körniges Gemisch aus feinkörnigem Korund (Korund ist eine kristalline Form von Aluminiumoxid, das typischerweise Spuren von Eisen, Titan, Vanadium und Chrom enthält), Magnetit (Magnetit ist ein Mineral und eines der wichtigsten Eisenerze), Hämatit (Hämatit, auch als Hämatit geschrieben, ist die mineralische Form von Eisenoxid, eines von mehreren Eisenoxiden), Illmenit und Quarz (Quarz ist ein Mineral, das aus Silizium- und Sauerstoffatomen in einem kontinuierlichen Rahmen von SiO4-Silizium-Sauerstoff-Tetraedern besteht, wobei jeder Sauerstoff zwischen zwei Tetraedern geteilt wird, was eine allgemeine chemische Formel von SiO2 ergibt) ; Schleifmittel). Es wird beim Glühen über 1000°C aus der Modifikation γ hergestellt: Es wird in großen Mengen aus Bauxit gewonnen und schmilzt erst bei 2500°C. Es ist der Rohstoff für die Herstellung von Al, einem gängigen Schleifmittel, und wird für die Herstellung von hochfesten Geräten verwendet. γ- Al2O3 ist eine weiße, hygroskopische, kubisch kristallisierende Substanz, die in Säuren und Basen löslich ist. Es ist ein gutes Absorptionsmittel, ein vielseitiger Katalysator und wird durch Glühen hergestellt (Glühen, in der Metallurgie und Materialwissenschaft, ist eine Wärmebehandlung, die die physikalischen und manchmal chemischen Eigenschaften eines Materials verändert, um seine Duktilität zu erhöhen und seine Härte zu verringern, wodurch es besser verarbeitbar wird) bis zu 300°C aus den Hydroxiden, Metahydroxiden und Oxyhydraten von Al. Aluminium (Aluminium ist ein ägyptischer Fußballverein mit Sitz in Nag Hammâdi) Trihydroxid Al(OH)3 ist amphoter (in der Chemie ist eine amphotere Verbindung ein Molekül oder Ion, das sowohl als Säure als auch als Base reagieren kann) und löst sich in Säuren und Basen auf. Das Aluminat-Ion bildet etwas höhermolekulare Oxoverbindungen. Aus den verschiedenen Aluminiumhydroxiden und deren Modifikationen entsteht schließlich das stabile, kristalline α- Al(OH)3. Kaliumaluminium (Kaliumaluminium, Kaliumaluminium oder Kaliumaluminiumsulfat ist eine chemische Verbindung: das Kaliumdoppelsulfat von Aluminium) (Alaun) KAl(SO4)2 . 12 H2O sind farblose Octadien, die bei etwas über 90°C in ihrem eigenen Kristallwasser schmelzen. In der Natur kommt es als Alunit vor (Alunit ist ein hydratisiertes Aluminium-Kaliumsulfatmineral, Formel KAl326). Alaun hat einen adstringierenden Effekt (Eine adstringierende Substanz ist eine chemische Verbindung, die dazu neigt, das Körpergewebe zu schrumpfen oder zu verengen) : (= hämostatisch (Ein antihämorrhagischer Wirkstoff ist eine Substanz, die die Hämostase fördert)). Die technische Produktion erfolgt durch den Abbau von Bauxit (Bauxit, ein Aluminiumerz, ist die weltweit wichtigste Aluminiumquelle) mit Schwefelsäure . Der Einsatz von Alaun ähnelt dem von Aluminiumsulfat. Aluminiumchlorid AlCl3 ist eine farblose, hygroskopische (Hygroskopie ist das Phänomen, Wassermoleküle aus der Umgebung anzuziehen und zu halten, die sich normalerweise bei normaler oder Raumtemperatur befindet), eine kristalline Verbindung, die in feuchter Luft raucht. Herstellung durch Erwärmen von Al-Chips in trockenem HCl (Die Verbindung Chlorwasserstoff hat die chemische Formel und ist als solche ein Halogenwasserstoff) Gas. AlCl3 (Aluminiumchlorid ist die Hauptverbindung von Aluminium und Chlor) bildet mit anorganischen und organischen Donoren so genannte Additionsverbindungen, die wahrscheinlich die Grundlage für seine katalytische Wirkung (z.B. beim Cracken von Mineralölen) sind. Aluminiumsulfat (Aluminiumsulfat ist eine chemische Verbindung mit der Formel Al23) (Aluminiumoxid (Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid (in den USA ) Sulfat) Al2(SO4)3 . 18 H2O (Wasser ist eine transparente und nahezu farblose chemische Substanz, die der Hauptbestandteil der Ströme, Seen und Ozeane der Erde und der Flüssigkeiten der meisten lebenden Organismen ist) bildet farblose, nadelförmige Kristalle; in wasserfreier Form ist es ein weißes Pulver. Herstellung durch Lösen von Aluminiumhydroxid (Aluminiumhydroxid, Al3, in der Natur als Mineral Gibbsit und seine drei viel selteneren Polymorphe: Bayerit, Doyleit und Nordstrandit) in warmer Schwefelsäure (Schwefelsäure ist eine hochkorrosive starke Mineralsäure mit der Summenformel H2SO4 und dem Molekulargewicht 98.079 g/mol) . Verwendung: als Rohstoff für fast alle anderen Aluminiumverbindungen, Basis für Papierkleber, Gerbstoffe und Beizmittel, Füllstoff für Synthesekautschuk (Ein Synthesekautschuk ist jedes Kunstelastomer) .