Das Aluminium Es ist ein metallisches Element, das zur Gruppe 13 (III A) des Periodensystems gehört und durch das Symbol Al dargestellt wird. Es ist ein Leichtmetall mit geringer Dichte und Härte. Aufgrund seiner amphoteren Eigenschaften wurde es von einigen Wissenschaftlern als Metalloid eingestuft.
Es ist ein duktiles und sehr formbares Metall, weshalb es zur Herstellung von Draht, dünnen Aluminiumblechen sowie jeder Art von Gegenstand oder Figur verwendet wird. Zum Beispiel die berühmten Dosen mit ihren Legierungen oder die Aluminiumfolie, mit der Lebensmittel oder Desserts umwickelt sind.
Alaun (ein hydratisiertes Kaliumaluminiumsulfat) wird vom Menschen seit der Antike in der Medizin, beim Ledergerben und als Beizmittel zum Färben von Stoffen verwendet. So sind seine Mineralien für immer bekannt.
Aluminium als Metall wurde jedoch sehr spät, 1825, von Øersted isoliert, was zu einer wissenschaftlichen Tätigkeit führte, die seine industrielle Verwendung ermöglichte. Zu dieser Zeit war Aluminium nach Eisen das Metall mit der höchsten Produktion der Welt..
Aluminium befindet sich hauptsächlich im oberen Teil der Erdkruste und macht 8 Gew .-% davon aus. Es entspricht seinem dritthäufigsten Element, das von Sauerstoff und Silizium in seinen Kieselsäure- und Silikatmineralien übertroffen wird..
Bauxit ist eine Vereinigung von Mineralien, darunter: Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) und Metalloxide von Eisen, Titan und Silizium. Stellt die wichtigste natürliche Ressource für den Aluminiumabbau dar.
Artikelverzeichnis
In Mesopotamien 5000 Jahre vor Christus. Sie stellten bereits Keramik unter Verwendung von Tonen her, die Aluminiumverbindungen enthielten. Vor 4000 Jahren verwendeten die Babylonier und Ägypter Aluminium in einigen chemischen Verbindungen.
Das erste schriftliche Dokument über Alaun wurde im 5. Jahrhundert v. Chr. Von Herodot, einem griechischen Historiker, angefertigt. C. Alaun [KAl (SO4)zwei12HzweiO] wurde als Beizmittel beim Beizen von Stoffen und zum Schutz des Holzes, mit dem die Türen der Festungen entworfen wurden, vor Bränden verwendet.
In gleicher Weise bezieht sich Plinius "der Ältere" im 1. Jahrhundert auf Alumen, das heute als Alaun bekannt ist, als eine Substanz, die in der Medizin und im Beizmittel verwendet wird.
Ab dem 16. Jahrhundert wurde Alaun zum Gerben von Häuten und als Leimung von Papier verwendet. Dies war eine gallertartige Substanz, die dem Papier Konsistenz verlieh und seine Verwendung schriftlich ermöglichte..
1767 gelang dem Schweizer Chemiker Torbern Bergman die Alaunsynthese. Dazu erhitzte er den Mond [KAl3(SW4)zwei(OH)6] mit Schwefelsäure und fügte dann Kali zu der Lösung hinzu.
1782 stellte der französische Chemiker Antoine Lavoisier fest, dass Aluminiumoxid (AlzweiODER3) war ein Oxid eines Elements. Dies hat eine solche Affinität zu Sauerstoff, dass seine Trennung schwierig war. Daher sagte Lavoisier bis dahin die Existenz von Aluminium voraus.
Später, 1807, unterzog der englische Chemiker Sir Humphry Davy Aluminiumoxid einer Elektrolyse. Die von ihm verwendete Methode erzeugte jedoch eine Aluminiumlegierung mit Kalium und Natrium, so dass er das Metall nicht isolieren konnte.
Davy bemerkte, dass Aluminiumoxid eine metallische Basis hatte, die er ursprünglich als "Aluminium" bezeichnete, basierend auf dem lateinischen Wort "Alumen", dem Namen, der für Alaun verwendet wurde. Später änderte Davy den Namen in "Aluminium", den aktuellen Namen auf Englisch..
1821 gelang es dem deutschen Chemiker Eilhard Mitscherlich, die richtige Formel für Aluminiumoxid zu finden: AlzweiODER3.
Im selben Jahr entdeckte der französische Geologe Pierre Berthier ein Aluminiummineral in einer rötlichen Tongesteinslagerstätte in Frankreich in der Region Les Baux. Berthier bezeichnete das Mineral als Bauxit. Dieses Mineral ist derzeit die Hauptquelle für Aluminium.
1825 stellte der dänische Chemiker Hans Christian Øersted eine Metallstange aus angeblichem Aluminium her. Er beschrieb es als "ein Stück Metall, das in Farbe und Glanz ein bisschen wie Zinn aussieht". Øersted konnte dies durch Reduktion von Aluminiumchlorid, AlCl, erreichen3, mit einem Kaliumamalgam.
Es wurde jedoch angenommen, dass der Forscher kein reines Aluminium erhielt, sondern eine Legierung aus Aluminium und Kalium..
1827 gelang es dem deutschen Chemiker Friedrich Wöehler, etwa 30 Gramm eines Aluminiummaterials herzustellen. Nach 18 Jahren Ermittlungsarbeit gelang es Wöehler 1845, Kügelchen von der Größe eines Nadelkopfes mit metallischem Glanz und grauer Farbe herzustellen..
Wöehler beschrieb sogar einige Eigenschaften des Metalls wie Farbe, spezifisches Gewicht, Duktilität und Stabilität..
1855 verbesserte der französische Chemiker Henri Sainte-Claire Deville die Methode von Wöehler. Hierzu verwendete er die Reduktion von Aluminiumchlorid oder Natriumaluminiumchlorid mit metallischem Natrium unter Verwendung von Kryolith (Na)3AlF6) als Durchfluss.
Dies ermöglichte die industrielle Produktion von Aluminium in Rouen, Frankreich, und zwischen 1855 und 1890 wurde die Produktion von 200 Tonnen Aluminium erreicht..
1886 entwickelten der französische Ingenieur Paul Héroult und der amerikanische Student Charles Hall unabhängig voneinander eine Methode zur Herstellung von Aluminium. Das Verfahren besteht in der elektrolytischen Reduktion von Aluminiumoxid in geschmolzenem Kryolith unter Verwendung eines Gleichstroms.
Das Verfahren war effizient, hatte jedoch das Problem des hohen Strombedarfs, der die Produktion verteuerte. Héroult löste dieses Problem, indem er seine Industrie in Neuhausen (Schweiz) gründete und so die Rheinfälle als Stromerzeuger nutzte.
Hall ließ sich zunächst in Pittsburg (USA) nieder, verlegte seine Industrie jedoch später in die Nähe der Niagarafälle.
Schließlich schuf Karl Joseph Bayer 1889 ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid. Dies besteht darin, das Bauxit in einem geschlossenen Behälter mit einer alkalischen Lösung zu erhitzen. Während des Erhitzungsprozesses wird die Aluminiumoxidfraktion in der Salzlösung gewonnen..
Silbergrauer Feststoff mit metallischem Glanz (oberes Bild). Es ist ein weiches Metall, härtet jedoch mit geringen Mengen Silizium und Eisen aus. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine sehr duktile und formbare Form aus, da Aluminiumbleche mit einer Dicke von bis zu 4 Mikrometern hergestellt werden können.
26.981 u
13
660,32 ºC
2.470 ºC
Umgebungstemperatur: 2,70 g / ml
Schmelzpunkt (flüssig): 2,375 g / ml
Seine Dichte ist im Vergleich zu anderen Metallen erheblich niedrig. Aus diesem Grund ist Aluminium ziemlich leicht.
10,71 kJ / mol
284 kJ / mol
24,20 J / (mol K)
1,61 auf der Pauling-Skala
-Erstens: 577,5 kJ / mol
-Zweitens: 1.816,7 kJ / mol
-Drittens: 2.744,8 kJ / mol
23,1 um / (m K) bei 25ºC
237 W / (m K)
Aluminium hat eine dreimal so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Stahl.
26,5 nΩ · m bei 20 ºC
Seine elektrische Leitfähigkeit beträgt 2/3 der von Kupfer.
Paramagnetisch
2,75 auf der Mohs-Skala
Aluminium ist korrosionsbeständig, da die dünne Aloxidschicht Luft ausgesetzt istzweiODER3 das sich auf seiner Oberfläche bildet, verhindert, dass die Oxidation im Metall fortgesetzt wird.
In sauren Lösungen reagiert es mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff; während es in alkalischen Lösungen das Alumination (AlO) bildetzwei-).
Verdünnte Säuren können es nicht lösen, aber sie können in Gegenwart von konzentrierter Salzsäure. Aluminium ist jedoch beständig gegen konzentrierte Salpetersäure, obwohl es von Hydroxiden angegriffen wird, um Wasserstoff und das Alumination zu erzeugen..
Aluminiumpulver wird in Gegenwart von Sauerstoff und Kohlendioxid unter Bildung von Aluminiumoxid und Aluminiumcarbid verbrannt. Es kann durch das in einer Natriumchloridlösung vorhandene Chlorid korrodiert werden. Aus diesem Grund wird die Verwendung von Aluminium in Rohren nicht empfohlen..
Aluminium wird bei Temperaturen unter 280 ºC durch Wasser oxidiert.
2 Al (s) + 6 H.zweiO (g) => 2Al (OH)3(s) + 3Hzwei(g) + Wärme
Aluminium ist ein metallisches Element (mit einigen Metalloidfarbstoffen), und seine Al-Atome interagieren dank der metallischen Bindung miteinander. Diese ungerichtete Kraft wird von ihren Valenzelektronen bestimmt, die in all ihren Dimensionen über den Kristall gestreut sind..
Diese Valenzelektronen sind gemäß der elektronischen Konfiguration von Aluminium die folgenden:
[Ne] 3szwei 3p1
Daher ist Aluminium ein dreiwertiges Metall, da es drei Valenzelektronen aufweist; zwei im 3s-Orbital und einer im 3p. Diese Orbitale überlappen sich und bilden 3s- und 3p-Molekülorbitale, die so nahe beieinander liegen, dass sie am Ende Leitungsbänder bilden..
Das s-Band ist voll, während das p-Band viel Platz für mehr Elektronen hat. Deshalb ist Aluminium ein guter Stromleiter..
Die metallische Bindung von Aluminium, der Radius seiner Atome und seine elektronischen Eigenschaften definieren einen fcc-Kristall (flächenzentriert kubisch). Ein solcher fcc-Kristall ist anscheinend das einzige bekannte Allotrop von Aluminium, so dass er den hohen Drücken, die auf ihn einwirken, mit Sicherheit standhält..
Die elektronische Konfiguration von Aluminium zeigt sofort an, dass es bis zu drei Elektronen verlieren kann; das heißt, es hat eine hohe Tendenz zur Bildung des Al-Kations3+. Wenn die Existenz dieses Kations in einer von Aluminium abgeleiteten Verbindung angenommen wird, wird gesagt, dass es eine Oxidationszahl von +3 hat; Dies ist bekanntlich die häufigste für Aluminium.
Es gibt jedoch andere mögliche, aber seltene Oxidationszahlen für dieses Metall; wie zum Beispiel: -2 (Alzwei-), -1 (Al-), +1 (Al+) und +2 (Alzwei+).
In der AlzweiODER3, Beispielsweise hat Aluminium eine Oxidationszahl von +3 (Alzwei3+ODER3zwei-); während in AlI und AlO +1 (Al+F.-) und +2 (Alzwei+ODERzwei-), beziehungsweise. Unter normalen Bedingungen oder Situationen ist Al (III) oder +3 jedoch bei weitem die am häufigsten vorkommende Oxidationszahl; da ist der Al3+ ist isoelektronisch zu Neon-Edelgas.
Deshalb wird in Schulbüchern immer angenommen, und aus gutem Grund, dass Aluminium +3 als einzige Zahl oder Oxidationsstufe hat.
Aluminium konzentriert sich am äußeren Rand der Erdkruste und ist sein drittes Element, das nur von Sauerstoff und Silizium übertroffen wird. Aluminium macht 8 Gew .-% der Erdkruste aus.
Es kommt in magmatischen Gesteinen vor, hauptsächlich in Aluminosilikaten, Feldspat, Feldspatoid und Glimmer. Auch in rötlichen Tonen, wie es bei Bauxit der Fall ist.
Bauxite sind eine Mineralmischung, die hydratisiertes Aluminiumoxid und Verunreinigungen enthält. wie Eisen- und Titanoxide und Siliciumdioxid mit den folgenden Gewichtsprozenten:
-ZumzweiODER3 35-60%
-VertrauenzweiODER3 10-30%
-Jazwei 4-10%
-Onkelzwei 2-5%
-H.zweiOder der Verfassung 12-30%.
Aluminiumoxid kommt in Bauxit in hydratisierter Form mit zwei Varianten vor:
-Monohydrate (AlzweiODER3H.zweiO), die zwei kristallographische Formen aufweisen, Boemit und Diaspore
-Trihydrate (AlzweiODER33HzweiO), dargestellt durch die Gibbsit.
Bauxit ist die Hauptquelle für Aluminium und liefert den größten Teil des im Bergbau gewonnenen Aluminiums..
Hauptsächlich die Bauxite, die zu 40-50% aus Al bestehenzweiODER3, 20% FezweiODER3 und 3-10% SiOzwei.
Alunite.
Aluminiumgesteine mit Mineralien wie Syeniten, Nephelin und Anorthiten (20% AlzweiODER3).
Aluminiumsilikate (Andalusit, Sillimanit und Zyanit).
Kaolinablagerungen und verschiedene Tone (32% AlzweiODER3).
Bauxit wird im Tagebau abgebaut. Sobald die Steine oder Tone, die sie enthalten, gesammelt sind, werden sie zerkleinert und in Kugel- und Stabmühlen gemahlen, bis Partikel mit einem Durchmesser von 2 mm erhalten werden. Bei diesen Verfahren bleibt das behandelte Material angefeuchtet.
Bei der Gewinnung des Aluminiumoxids wird das 1989 von Bayer entwickelte Verfahren befolgt: Das gemahlene Bauxit wird durch Zugabe von Natriumhydroxid aufgeschlossen, wobei das solubilisierte Natriumaluminat gebildet wird; während die Schadstoffe Eisen, Titan und Siliziumoxide in Suspension bleiben.
Die Verunreinigungen werden dekantiert und das Aluminiumoxid-Trihydrat wird durch Abkühlen und Verdünnen aus dem Natriumaluminat ausgefällt. Anschließend wird das trihydratisierte Aluminiumoxid getrocknet, um wasserfreies Aluminiumoxid und Wasser herzustellen..
Um Aluminium zu erhalten, wird Aluminiumoxid einer Elektrolyse unterzogen, üblicherweise nach der von Hall-Héroult (1886) entwickelten Methode. Das Verfahren besteht aus der Reduktion von geschmolzenem Aluminiumoxid zu Kryolith.
Der Sauerstoff bindet an die Kohlenstoffanode und wird als Kohlendioxid freigesetzt. Währenddessen wird das freigesetzte Aluminium am Boden der Elektrolysezelle abgelagert, wo es sich ansammelt.
Aluminiumlegierungen werden normalerweise durch vier Nummern identifiziert.
Code 1xxx entspricht Aluminium mit einer Reinheit von 99%.
Code 2xxx entspricht der Aluminiumlegierung mit Kupfer. Es handelt sich um starke Legierungen, die in Luft- und Raumfahrtfahrzeugen verwendet wurden, aber aufgrund von Korrosion Risse aufweisen. Diese Legierungen sind als Duraluminium bekannt.
Der 3xxx-Code gilt für Legierungen, bei denen Aluminium mit Mangan und einer geringen Menge Magnesium versetzt wird. Sie sind sehr verschleißfeste Legierungen und werden bei der Herstellung von Küchenutensilien als 3003-Legierung und bei Getränkedosen als 3004-Legierung verwendet..
Der Code 4xxx steht für Legierungen, bei denen Aluminium mit Silizium versetzt wird, wodurch der Schmelzpunkt des Metalls gesenkt wird. Diese Legierung wird zur Herstellung von Schweißdrähten verwendet. Die Legierung 4043 wird beim Schweißen von Kraftfahrzeugen und Strukturelementen verwendet.
Der 5xxx-Code gilt für Legierungen, bei denen Aluminium hauptsächlich mit Magnesium versetzt wird..
Sie sind starke Legierungen, die gegen Korrosion durch Meerwasser beständig sind und zur Herstellung von Druckbehältern und verschiedenen Schiffsanwendungen verwendet werden. Die Legierung 5182 wird zur Herstellung von Getränkedosendeckeln verwendet.
Der 6xxx-Code gilt für Legierungen, bei denen der Legierung Silizium und Magnesium mit Aluminium zugesetzt werden. Diese Legierungen sind gießbar, schweißbar und korrosionsbeständig. Die häufigste Legierung in dieser Serie wird in der Architektur, in Fahrradrahmen und bei der Herstellung des iPhone 6 verwendet..
Der 7xxx-Code bezeichnet Legierungen, bei denen Aluminium mit Zink versetzt wird. Diese Legierungen, auch Ergal genannt, sind bruchsicher und von großer Härte, wobei im Flugzeugbau die Legierungen 7050 und 7075 verwendet werden..
Kontakt mit Aluminiumpulver kann Haut- und Augenreizungen verursachen. Längerer und hoher Kontakt mit Aluminium kann grippeähnliche Symptome, Kopfschmerzen, Fieber und Schüttelfrost verursachen. Darüber hinaus können Brustschmerzen und Verspannungen auftreten.
Die Einwirkung von feinem Aluminiumstaub kann zu Lungennarben (Lungenfibrose) mit Symptomen von Husten und Atemnot führen. OSHA legte eine Grenze von 5 mg / m fest3 für die Einwirkung von Aluminiumstaub an einem Tag von 8 Stunden am Tag.
Der biologische Toleranzwert für die berufliche Exposition gegenüber Aluminium wurde auf 50 µg / g Kreatinin im Urin festgelegt. Eine abnehmende Leistung bei neuropsychologischen Tests tritt auf, wenn die Aluminiumkonzentration im Urin 100 µg / g Kreatinin überschreitet.
Aluminium wird als Aluminiumhydrochlorid in Antitranspirant-Deodorants verwendet, da es mit der Entwicklung von Brustkrebs in Verbindung gebracht wurde. Diese Beziehung ist jedoch unter anderem nicht eindeutig geklärt, da die Hautabsorption von Aluminiumhydrochlorid nur 0,01% beträgt..
Aluminium ist neurotoxisch und wurde bei Menschen mit beruflicher Exposition mit neurologischen Erkrankungen, einschließlich Alzheimer, in Verbindung gebracht..
Das Gehirn von Alzheimer-Patienten weist eine hohe Aluminiumkonzentration auf; es ist jedoch nicht bekannt, ob es die Ursache der Krankheit oder eine Folge davon ist.
Das Vorhandensein neurotoxischer Wirkungen wurde bei Dialysepatienten festgestellt. Bei diesem Verfahren wurden Aluminiumsalze als Phosphatbindemittel verwendet, die hohe Konzentrationen an Aluminium im Blut (> 100 µg / l Plasma) erzeugten..
Betroffene Patienten zeigten Orientierungslosigkeit, Gedächtnisprobleme und im fortgeschrittenen Stadium Demenz. Die Neurotoxizität von Aluminium wird erklärt, weil es für das Gehirn schwer zu beseitigen ist und seine Funktion beeinträchtigt.
Aluminium ist in vielen Lebensmitteln enthalten, insbesondere in Tee, Gewürzen und im Allgemeinen in Gemüse. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) hat eine Toleranzgrenze für die Aufnahme von Aluminium in Lebensmitteln von 1 mg / kg Körpergewicht täglich festgelegt.
Im Jahr 2008 schätzte die EFSA, dass die tägliche Aufnahme von Aluminium in Lebensmitteln zwischen 3 und 10 mg pro Tag lag, weshalb der Schluss gezogen wird, dass dies kein Gesundheitsrisiko darstellt. sowie die Verwendung von Aluminiumutensilien zum Kochen von Speisen.
Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter, weshalb es in Legierungen in elektrischen Übertragungsleitungen, Motoren, Generatoren, Transformatoren und Kondensatoren verwendet wird..
Aluminium wird zur Herstellung von Tür- und Fensterrahmen, Trennwänden, Zäunen, Beschichtungen, Wärmeisolatoren, Decken usw. verwendet..
Aluminium wird zur Herstellung von Teilen für Automobile, Flugzeuge, Lastwagen, Fahrräder, Motorräder, Boote, Raumschiffe, Eisenbahnwaggons usw. verwendet..
Aus Aluminium können Getränkedosen, Bierfässer, Tabletts usw. hergestellt werden..
Aus Aluminium werden Küchenutensilien hergestellt: Töpfe, Pfannen, Pfannen und Geschenkpapier; Neben Möbeln, Lampen usw..
Aluminium reflektiert Strahlungsenergie effizient; von ultraviolettem Licht zu Infrarotstrahlung. Die Reflexionskraft von Aluminium im sichtbaren Licht liegt bei etwa 80%, wodurch es als Lampenschirm verwendet werden kann..
Darüber hinaus behält Aluminium seine silberne Reflexionseigenschaft auch in Form eines feinen Pulvers bei, sodass es zur Herstellung von Silberfarben verwendet werden kann..
Es wird zur Herstellung von metallischem Aluminium, Isolatoren und Zündkerzen verwendet. Wenn Aluminiumoxid erhitzt wird, entwickelt es eine poröse Struktur, die Wasser absorbiert, zum Austrocknen von Gasen verwendet wird und als Sitz für die Wirkung von Katalysatoren bei verschiedenen chemischen Reaktionen dient..
Es wird in der Papierherstellung und als Oberflächenfüller verwendet. Aluminiumsulfat dient zur Bildung von Kaliumaluminiumalaun [KAl (SO4)zwei12HzweiODER]. Dies ist das am häufigsten verwendete Alaun mit zahlreichen Anwendungen; wie die Herstellung von Arzneimitteln, Farben und Beizmitteln zum Färben von Stoffen.
Es ist der am häufigsten verwendete Katalysator in Friedel-Crafts-Reaktionen. Dies sind synthetische organische Reaktionen, die bei der Herstellung von aromatischen Ketonen und Anthrachinon verwendet werden. Hydratisiertes Aluminiumchlorid wird als topisches Antitranspirant und Deodorant verwendet.
Es wird zur Abdichtung von Stoffen und zur Herstellung von Aluminaten verwendet.
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