Obwohl Aluminium das dritthäufigste Element in der Erdkruste ist, war seine Gewinnung lange Zeit eine große Herausforderung. Im Jahr 1807 identifizierte Humphry Davy (1778–1829) die Existenz eines Metalls in Tonerde (Aluminiumoxid) und schlug den Namen Aluminium vor. 1825 stellte Hans Christian Ørsted (1777–1851) eine kleine Menge unreines Aluminium her, indem er Aluminiumchlorid mit einem Kaliumamalgam reduzierte. 1827 verbesserte Friedrich Wöhler (1800–1882) das Verfahren und erhielt Aluminiumpulver. Es war Henri Sainte-Claire Deville (1818–1881), der 1854 das erste industrielle Verfahren entwickelte, das Natrium als Reduktionsmittel verwendete. Schließlich entdeckten 1886 Paul Héroult (1863–1914) in Frankreich und Charles Martin Hall (1863–1914) in den USA gleichzeitig das Elektrolyseverfahren, das die Aluminiumproduktion revolutionierte und es der breiten Öffentlichkeit zugänglich machte.
Aluminium (Symbol Al, Ordnungszahl 13) ist ein Metall der Gruppe 13 (früher Gruppe IIIA). Sein Atom hat 13 Protonen, 13 Elektronen und in der Regel 14 Neutronen in seinem einzigen stabilen Isotop (\(\,^{27}\mathrm{Al}\)).
Bei Raumtemperatur ist Aluminium ein fester, silberweißer, glänzender, bemerkenswert leichter (Dichte ≈ 2,70 g/cm³), formbarer, dehnbarer Metall und ein ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leiter. Schmelzpunkt von Aluminium: 933,47 K (660,32 °C). Siedepunkt: 2.792 K (2.519 °C). Aluminium bildet spontan eine dünne Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf seiner Oberfläche, die es bemerkenswert vor Korrosion schützt.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Aluminium-27 — \(\,^{27}\mathrm{Al}\,\) | 13 | 14 | 26,981539 u | 100% | Stabil | Einziges stabiles Isotop von Aluminium; Grundlage für alle seine Anwendungen. |
| Aluminium-26 — \(\,^{26}\mathrm{Al}\) | 13 | 13 | 25,986892 u | Kosmische Spur | 717.000 Jahre | Radioaktiv β\(^+\) und Elektroneneinfang zu \(\,^{26}\mathrm{Mg}\). In Sternen und durch kosmische Strahlung erzeugt; zur Datierung von Meteoriten verwendet. |
| Aluminium-28 — \(\,^{28}\mathrm{Al}\) | 13 | 15 | 27,981910 u | Nicht natürlich | 2,245 Minuten | Radioaktiv β\(^-\) zu Silizium-28. Im Labor hergestellt. |
| Aluminium-29 — \(\,^{29}\mathrm{Al}\) | 13 | 16 | 28,980445 u | Nicht natürlich | 6,56 Minuten | Radioaktiv β\(^-\) zu Silizium-29. In der Kernforschung verwendet. |
| Andere Isotope — \(\,^{21}\mathrm{Al}\) bis \(\,^{43}\mathrm{Al}\) | 13 | 8 — 30 | — (variabel) | Nicht natürlich | Millisekunden bis Sekunden | Sehr instabile, künstlich hergestellte Isotope; Forschung in der Kernphysik. |
N.B. :
Elektronenschalen: Wie sich Elektronen um den Atomkern anordnen.
Aluminium besitzt 13 Elektronen, die auf drei Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹, oder vereinfacht: [Ne] 3s² 3p¹. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(3) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen im 1s-Unterorbital. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 3 Elektronen, verteilt als 3s² 3p¹. Die 3s-Orbitale sind vollständig, während die 3p-Orbitale nur ein Elektron von sechs möglichen enthalten. Diese äußere Schale ist daher sehr unvollständig.
Die 3 Elektronen in der äußeren Schale (3s² 3p¹) sind die Valenzelektronen von Aluminium. Diese Konfiguration erklärt seine chemischen Eigenschaften:
Durch den Verlust seiner 3 Valenzelektronen bildet Aluminium das Al³⁺-Ion (Oxidationszustand +3), seinen einzigartigen und systematischen Oxidationszustand in allen seinen Verbindungen.
Das Al³⁺-Ion übernimmt dann eine Elektronenkonfiguration, die identisch mit der von Neon [Ne], einem Edelgas, ist, was diesem Ion große Stabilität verleiht.
Im Gegensatz zu anderen Metallen zeigt Aluminium keine stabilen Zwischenoxidationszustände; nur der Zustand +3 wird in der Chemie beobachtet.
Die Elektronenkonfiguration von Aluminium, mit 3 Elektronen in seiner Valenzschale, ordnet es der Gruppe 13 des Periodensystems (Bor-Gruppe) zu. Diese Struktur verleiht ihm charakteristische Eigenschaften: die ausschließliche Tendenz, das Al³⁺-Ion durch den Verlust aller Valenzelektronen zu bilden, die Fähigkeit, sowohl ionische (mit Nichtmetallen) als auch metallische Bindungen (kristalline Struktur) zu bilden, und die Fähigkeit, in einigen Fällen kovalente Verbindungen zu bilden. Aluminium hat eine starke Affinität zu Sauerstoff und bildet spontan an der Luft eine dünne Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), die es vor Korrosion schützt. Diese natürliche Passivierung erklärt seine bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit trotz seiner intrinsischen Reaktivität. Seine industrielle Bedeutung ist groß: Aluminium ist das am häufigsten verwendete Metall nach Eisen, dank seiner Leichtigkeit (Dichte von 2,7 g/cm³), guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es wird weit verbreitet in der Luftfahrt, Verpackungsindustrie, im Bauwesen und in der Elektroindustrie eingesetzt. Aluminium ist das dritthäufigste Element in der Erdkruste.
Trotz seiner hohen thermodynamischen Reaktivität erscheint Aluminium chemisch inert, dank der schützenden Oxidschicht, die sich sofort auf seiner Oberfläche bildet. Diese Passivierung kann künstlich durch Anodisierung verstärkt werden. Aluminium reagiert mit Säuren (unter Freisetzung von Wasserstoff) und starken Basen (unter Bildung von Aluminaten). Bei hohen Temperaturen kann es viele Metalloxide in stark exothermen Reaktionen reduzieren (Thermitreaktion). Aluminium bildet hauptsächlich Verbindungen im Oxidationszustand +III, insbesondere Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumchlorid (AlCl₃) und Aluminiumsulfat (Al₂(SO₄)₃).
Aluminium ist das am meisten produzierte Nichteisenmetall der Welt, mit einer jährlichen Produktion von über 65 Millionen Tonnen. Seine Primärproduktion durch Elektrolyse ist sehr energieintensiv und verbraucht etwa 15.000 kWh pro Tonne produzierten Aluminiums. Das Recycling von Aluminium weist jedoch eine bemerkenswerte Energiebilanz auf: Das Einschmelzen von recyceltem Aluminium erfordert nur 5% der Energie, die für die Primärproduktion benötigt wird. Etwa 75% des jemals produzierten Aluminiums sind dank Recycling noch heute in Gebrauch. Diese unendliche Recyclingfähigkeit ohne Qualitätsverlust macht Aluminium zu einem Schlüsselmaterial für die Kreislaufwirtschaft und den ökologischen Wandel.
Aluminium wird hauptsächlich aus Bauxit gewonnen, einem Erz, das reich an hydratisiertem Aluminiumoxid ist. Das Bayer-Verfahren ermöglicht die Reinigung von Bauxit zu Tonerde (Al₂O₃). Tonerde wird dann durch das Hall-Héroult-Verfahren zu metallischem Aluminium reduziert: Elektrolyse in einem geschmolzenen Kryolithbad bei etwa 960 °C. Die wichtigsten Bauxit produzierenden Länder sind Australien, Guinea, Brasilien und China. Da die Aluminiumproduktion viel Strom erfordert, konzentriert sie sich auf Länder mit reichlich und günstiger Wasserkraft.
Aluminium wird in massereichen Sternen durch Kernfusion in den fortgeschrittenen Phasen ihrer Entwicklung produziert. Das radioaktive Isotop Aluminium-26 (\(\,^{26}\mathrm{Al}\)), mit einer Halbwertszeit von 717.000 Jahren, ist in der Astrophysik besonders wichtig. Sein Zerfall produziert charakteristische Gammastrahlung, die es ermöglicht, aktive Sternentstehungsregionen in unserer Galaxie zu kartieren. Das Vorhandensein von Aluminium-26 in primitiven Meteoriten deutet darauf hin, dass sich das Sonnensystem in einer Umgebung bildete, die reich an kürzlichen Supernovae war. Dieses Isotop trug auch zur inneren Erwärmung der ersten Körper des Sonnensystems bei und spielte eine Rolle in ihrer geochemischen Differenzierung.
N.B.:
Aluminium war einst wertvoller als Gold. Im 19. Jahrhundert, vor der Erfindung des Hall-Héroult-Verfahrens, war Aluminium teurer als Gold und wurde für Luxusgegenstände verwendet. Napoleon III besaß ein Aluminium-Tafelservice, das er für seine prestigeträchtigsten Gäste reservierte, während sich die anderen mit Goldgeschirr begnügen mussten. Die Spitze des Washington Monuments, das 1884 eingeweiht wurde, war mit einer 2,8 kg schweren Aluminiumpyramide gekrönt, damals das größte gegossene Aluminiumstück der Welt, ein Symbol für Modernität und technischen Fortschritt.
