Aluminium (Al) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Aluminium begegnet uns fast überall: in Getränkedosen, Flugzeugen, Fensterrahmen, Fahrrädern, elektrischen Leitungen und sogar in der Küche. Das silbrig glänzende Metall ist leicht, gut formbar und erstaunlich widerstandsfähig gegen Korrosion. Obwohl Aluminium das häufigste Metall der Erdkruste ist, gelang es erst im 19. Jahrhundert, größere Mengen davon herzustellen. Der Grund liegt in seiner Chemie: Aluminium ist so reaktionsfreudig, dass es in der Natur praktisch ausschließlich in Verbindungen vorkommt. Heute gehört es zu den wichtigsten Werkstoffen der modernen Industrie.

Aluminium im Periodensystem – die wichtigsten Elementdaten

Aluminium steht in der dritten Periode des Periodensystems und gehört zur 13. Gruppe, der sogenannten Borgruppe. Es besitzt 13 Protonen im Atomkern und im elektrisch neutralen Zustand ebenso viele Elektronen. Drei davon befinden sich in der äußersten Elektronenschale. Diese Valenzelektronen bestimmen wesentlich das chemische Verhalten des Elements.

Was ist Aluminium?

Aluminium ist ein silbrig weißes, verhältnismäßig weiches und sehr leichtes Metall. Seine Dichte beträgt nur etwa 2,70 Gramm pro Kubikzentimeter. Zum Vergleich: Eisen besitzt eine Dichte von ungefähr 7,87 Gramm pro Kubikzentimeter. Ein gleich großes Stück Aluminium wiegt damit nur rund ein Drittel eines entsprechenden Eisenstücks.

Gerade diese geringe Dichte macht Aluminium für Anwendungen interessant, bei denen Gewicht eingespart werden soll. Das gilt besonders für Flugzeuge, Fahrzeuge und zahlreiche Konstruktionen im Maschinenbau. Reines Aluminium lässt sich gut walzen, ziehen und verformen. Für technisch anspruchsvolle Bauteile werden häufig Legierungen eingesetzt, beispielsweise mit Magnesium, Silicium oder Kupfer. Dadurch können Festigkeit, Härte und andere Werkstoffeigenschaften gezielt verbessert werden.

Aluminium leitet Wärme und elektrischen Strom gut. Seine elektrische Leitfähigkeit ist zwar geringer als die von Kupfer, doch wegen seiner geringen Dichte bietet es Vorteile bei bestimmten elektrischen Leitungen. Deshalb werden unter anderem Freileitungen zur Stromübertragung häufig mit Aluminiumleitern ausgeführt.

Warum rostet Aluminium nicht wie Eisen?

Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von Aluminium ist seine Widerstandsfähigkeit gegenüber vielen Umwelteinflüssen. Chemisch betrachtet ist das Metall keineswegs besonders reaktionsträge. Im Gegenteil: Aluminium reagiert leicht mit Sauerstoff. Trotzdem bleiben Aluminiumgegenstände unter normalen Bedingungen oft über Jahrzehnte erhalten.

Die Erklärung liegt in einer äußerst dünnen, fest haftenden Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), die sich an der Oberfläche bildet. Diese Oxidschicht trennt das darunterliegende Metall weitgehend von der Umgebung und verhindert so eine fortschreitende Oxidation.

Die Reaktion lässt sich vereinfacht so darstellen:

4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃

Dieses Verhalten wird als Passivierung bezeichnet. Während Rost bei Eisen unter vielen Bedingungen porös ist und die weitere Korrosion nicht zuverlässig verhindert, wirkt die natürliche Oxidschicht des Aluminiums als Schutzbarriere.

Wird die Oberfläche beschädigt, kann sich an der freigelegten Stelle in sauerstoffhaltiger Umgebung erneut eine Oxidschicht bilden. Aluminium ist jedoch nicht unter allen Bedingungen korrosionsbeständig. Besonders chloridhaltige Umgebungen können unter ungünstigen Umständen Lochkorrosion verursachen.

Aluminium und seine chemischen Eigenschaften

Aluminium ist ein unedles Metall. Es besitzt eine ausgeprägte Neigung, Elektronen abzugeben und Verbindungen mit der Oxidationszahl +3 zu bilden. In vielen Aluminiumverbindungen liegt das Element daher formal als Al³⁺ vor.

Eine Besonderheit ist das amphotere Verhalten bestimmter Aluminiumverbindungen. Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid können sowohl mit Säuren als auch mit starken Basen reagieren. Diese Eigenschaft unterscheidet Aluminium von vielen anderen Metallen und spielt bei seiner industriellen Gewinnung eine wichtige Rolle.

Mit Salzsäure kann Aluminium unter geeigneten Bedingungen unter Bildung von Aluminiumchlorid und Wasserstoff reagieren:

2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂

Die schützende Oxidschicht kann den Beginn der Reaktion verzögern. Auch starke Laugen können die Oxidschicht angreifen und Aluminium unter Wasserstoffentwicklung lösen.

Fein verteiltes Aluminiumpulver ist deutlich reaktionsfreudiger als ein massives Aluminiumstück. Aufgrund seiner großen Oberfläche kann es unter geeigneten Bedingungen sehr heftig oxidieren. Deshalb wird Aluminium auch in speziellen pyrotechnischen und metallurgischen Verfahren eingesetzt.

Wo kommt Aluminium in der Natur vor?

Aluminium ist mit einem Massenanteil von ungefähr acht Prozent das häufigste Metall der Erdkruste und nach Sauerstoff und Silicium eines ihrer häufigsten chemischen Elemente.

Trotz seiner großen Häufigkeit findet man Aluminium in der Natur praktisch nicht als gediegenes Metall. Es ist überwiegend in Mineralen chemisch gebunden. Besonders verbreitet sind Alumosilicate, die wichtige Bestandteile zahlreicher Gesteine und Böden bilden.

Zu den aluminiumhaltigen Mineralen und Rohstoffen gehören:

• Feldspäte: Eine große Mineralgruppe, deren Vertreter häufig Aluminium und Silicium enthalten.

• Tonminerale: Wichtige Bestandteile vieler Böden und Sedimente.

• Korund (Al₂O₃): Ein sehr hartes Mineral, dessen farbige Varietäten unter anderem Rubin und Saphir bilden.

• Bauxit: Der wichtigste wirtschaftliche Rohstoff für die Aluminiumgewinnung.

Bauxit ist kein einzelnes Mineral, sondern ein Gestein, das vor allem verschiedene Aluminiumhydroxide und Aluminiumoxidhydroxide enthält. Es entsteht häufig durch intensive chemische Verwitterung aluminiumreicher Gesteine unter warmen und feuchten Klimabedingungen.

Wie wird Aluminium hergestellt?

Die industrielle Aluminiumherstellung gehört zu den bedeutenden elektrochemischen Verfahren der Technik. Da Aluminium eine hohe Affinität zu Sauerstoff besitzt, lässt es sich nicht so einfach wie Eisen durch eine gewöhnliche Reduktion mit Kohlenstoff gewinnen.

Die Herstellung erfolgt im Wesentlichen in zwei Schritten.

1. Gewinnung von Aluminiumoxid aus Bauxit

Zunächst wird Bauxit im sogenannten Bayer-Verfahren aufbereitet. Dabei werden die aluminiumhaltigen Bestandteile mithilfe konzentrierter Natronlauge unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen gelöst. Viele unerwünschte Bestandteile, darunter Eisenoxide, bleiben als Rückstände zurück.

Aus der gereinigten Lösung wird Aluminiumhydroxid ausgefällt. Durch anschließendes Erhitzen entsteht Aluminiumoxid, das auch als Tonerde bezeichnet wird.

2. Schmelzflusselektrolyse nach Hall und Héroult

Aus Aluminiumoxid wird anschließend durch die Hall-Héroult-Elektrolyse metallisches Aluminium gewonnen. Das Aluminiumoxid wird dazu in einer fluoridhaltigen Salzschmelze gelöst, deren Hauptbestandteil Kryolith beziehungsweise eine entsprechend zusammengesetzte Schmelze ist.

Der Zusatz dieser Schmelze ermöglicht den Betrieb bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als dem Schmelzpunkt von reinem Aluminiumoxid. In der Elektrolysezelle werden Aluminiumionen an der Kathode reduziert. Das flüssige Metall sammelt sich am Boden der Zelle.

An den kohlenstoffhaltigen Anoden entstehen durch Reaktionen mit den sauerstoffhaltigen Bestandteilen vor allem Kohlenstoffdioxid und unter bestimmten Betriebsbedingungen auch Kohlenstoffmonoxid. Die Anoden werden dabei verbraucht und müssen ersetzt werden.

Die Herstellung von Primäraluminium benötigt sehr viel elektrische Energie. Deshalb haben die Stromversorgung, die Energieeffizienz und die damit verbundenen Treibhausgasemissionen einen großen Einfluss auf die Umweltbilanz des Metalls.

Die Entdeckung des Aluminiums

Obwohl aluminiumhaltige Verbindungen seit der Antike bekannt waren, wurde das metallische Element erst vergleichsweise spät dargestellt.

Bereits die Römer verwendeten Alaunverbindungen unter anderem in der Textilverarbeitung. Die Existenz eines eigenständigen Metalls hinter diesen Verbindungen war damals jedoch unbekannt.

1825 gelang dem dänischen Physiker und Chemiker Hans Christian Ørsted die Darstellung von unreinem Aluminium. Seine Arbeiten waren ein wichtiger Schritt zur Isolierung des Elements.

1827 entwickelte der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler das Verfahren weiter und erhielt Aluminium in besser untersuchbarer Form. In den folgenden Jahrzehnten verbesserten Chemiker die Herstellungsverfahren, doch das Metall blieb zunächst selten und teuer.

Erst 1886 entwickelten Charles Martin Hall in den USA und Paul Héroult in Frankreich unabhängig voneinander ein Verfahren zur elektrolytischen Gewinnung von Aluminium. Dieses Prinzip bildet bis heute die Grundlage der industriellen Primäraluminiumproduktion.

1887 folgte die Entwicklung des Bayer-Verfahrens durch Carl Josef Bayer zur wirtschaftlichen Gewinnung von Aluminiumoxid aus Bauxit.

Damit wurde aus einem ehemals kostbaren Metall ein industriell breit verfügbarer Werkstoff.

Wofür wird Aluminium verwendet?

Aluminium besitzt eine ungewöhnlich günstige Kombination aus geringer Dichte, guter Verformbarkeit, elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit. Deshalb findet es in zahlreichen Wirtschaftsbereichen Verwendung.

Aluminium im Flugzeugbau und Fahrzeugbau

In Flugzeugen spielt das Gewicht eine entscheidende Rolle. Jedes eingesparte Kilogramm kann die Nutzlast oder den Energiebedarf beeinflussen. Aluminiumlegierungen wurden deshalb zu wichtigen Werkstoffen des Flugzeugbaus.

Auch im Automobilbau werden Aluminiumbauteile eingesetzt, etwa für Karosseriestrukturen, Motorenteile, Felgen und Gehäuse. Dabei kommt es nicht nur auf die geringe Dichte an, sondern auch auf die mechanischen Eigenschaften der jeweiligen Legierung.

Aluminium im Bauwesen

Fensterrahmen, Fassadenelemente, Türen und Dachkonstruktionen bestehen häufig aus Aluminium. Das Metall lässt sich zu komplexen Profilen verarbeiten und besitzt bei geeigneter Konstruktion und Oberflächenbehandlung eine hohe Lebensdauer.

Aluminium als Verpackungsmaterial

Aluminiumfolie und Getränkedosen sind bekannte Alltagsbeispiele. Aluminium lässt sich zu sehr dünnen Folien walzen und bietet eine wirksame Barriere gegen Licht, Feuchtigkeit und Gase, sofern die Folie geschlossen und ausreichend dicht ist.

Bei Lebensmittelverpackungen und Getränkedosen werden häufig zusätzliche Beschichtungen verwendet, um den direkten Kontakt zwischen Inhalt und Metall zu begrenzen.

Aluminium in der Elektrotechnik

Aluminium wird für Stromleitungen, elektrische Leiter und zahlreiche technische Bauteile verwendet. Besonders bei Freileitungen ist das Verhältnis von Leitfähigkeit zu Gewicht ein wichtiger Vorteil.

Aluminium als Wärmetauscher

Die gute Wärmeleitfähigkeit macht Aluminium für Kühlkörper, Wärmetauscher und verschiedene Heiz- und Kühlsysteme interessant. Kühlrippen aus Aluminium vergrößern die Oberfläche, über die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.

Aluminiumrecycling – warum es besonders wichtig ist

Ein großer Vorteil von Aluminium ist seine gute Recyclingfähigkeit. Das Metall kann eingeschmolzen und erneut verarbeitet werden. Voraussetzung für hochwertige Recyclingprodukte sind geeignete Sammlung, Sortierung und Aufbereitung.

Die Herstellung von Sekundäraluminium aus Schrott benötigt in vielen Fällen nur einen kleinen Teil der Energie, die für die Herstellung von Primäraluminium aus Erz erforderlich ist. Häufig wird eine Energieeinsparung von bis zu etwa 95 Prozent angegeben. Der genaue Wert hängt unter anderem vom verwendeten Schrott, der Aufbereitung und dem Vergleichsverfahren ab.

Recycling ist deshalb für die Umweltbilanz von Aluminium besonders bedeutsam. Es verringert den Bedarf an Primärmetall, reduziert den Energieeinsatz und kann die damit verbundenen Emissionen erheblich senken.

Allerdings können unterschiedliche Legierungen und Verunreinigungen die Wiederverwertung erschweren. Eine sorgfältige Trennung der Materialströme ist daher wichtig.

Aluminium im menschlichen Körper

Aluminium besitzt nach heutigem Kenntnisstand keine nachgewiesene essenzielle biologische Funktion im menschlichen Körper. Es ist also kein lebensnotwendiges Spurenelement wie beispielsweise Eisen oder Zink.

Menschen nehmen geringe Mengen Aluminium über Lebensmittel, Trinkwasser und andere Umweltquellen auf. Wie viel davon tatsächlich in den Körper gelangt, hängt stark von der jeweiligen chemischen Verbindung und den Aufnahmebedingungen ab.

Die gesundheitliche Bewertung muss zwischen verschiedenen Aluminiumverbindungen, Expositionswegen und Mengen unterscheiden. Hohe Belastungen können gesundheitlich problematisch sein, insbesondere bei eingeschränkter Nierenfunktion oder bestimmten beruflichen Expositionen.

Aluminium ist daher weder grundsätzlich harmlos noch lässt sich aus seinem bloßen Vorkommen in einem Produkt bereits eine konkrete Gesundheitsgefahr ableiten. Entscheidend sind die chemische Form, die aufgenommene Menge und die Dauer der Exposition.

Fünf interessante Fakten über Aluminium

1. Aluminium war einst ein Luxusmetall. Vor der Entwicklung wirtschaftlicher Herstellungsverfahren war Aluminium so teuer, dass es zeitweise als besonders kostbarer Werkstoff galt.

2. Aluminium ist das häufigste Metall der Erdkruste. Dennoch kommt es dort fast ausschließlich in chemisch gebundener Form vor.

3. Eine hauchdünne Oxidschicht schützt das Metall. Sie bildet sich an der Oberfläche und ist der Hauptgrund für seine gute Beständigkeit gegenüber vielen Umwelteinflüssen.

4. Aluminium lässt sich besonders energiesparend recyceln. Die Wiederverwertung benötigt meist erheblich weniger Energie als die Primärherstellung.

5. Rubine und Saphire bestehen überwiegend aus Aluminiumoxid. Ihre unterschiedlichen Farben entstehen durch geringe Mengen bestimmter Fremdatome im Kristallgitter.

Aluminium und andere Elemente im Periodensystem

Die Eigenschaften von Aluminium lassen sich besonders gut im Vergleich mit anderen chemischen Elementen verstehen.

Magnesium (Mg) ist ebenfalls ein leichtes Metall und wird häufig als Legierungsbestandteil eingesetzt. Silicium (Si) steht im Periodensystem direkt rechts neben Aluminium und ist ein wichtiger Bestandteil vieler aluminiumhaltiger Minerale sowie bestimmter Aluminiumlegierungen. Sauerstoff (O) bildet mit Aluminium die schützende Oxidschicht. Eisen (Fe) ist wesentlich dichter als Aluminium und spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Stahl.

Die Zusammenhänge zwischen den Elementen lassen sich besonders anschaulich im Online-Periodensystem von blume nachvollziehen. Dort können die Stellung der Elemente und ihre grundlegenden Eigenschaften miteinander verglichen werden.

Fazit: Ein leichtes Metall mit großer Bedeutung

Aluminium verbindet geringe Dichte mit guter Verarbeitbarkeit, hoher technischer Vielseitigkeit und einer schützenden Oxidschicht. Diese Eigenschaften machen es zu einem wichtigen Werkstoff für Verkehr, Bauwesen, Verpackungen und Elektrotechnik.

Seine Herstellung aus Bauxit ist allerdings energieintensiv. Umso wichtiger sind eine effiziente Produktion, lange Nutzungsdauer und hochwertiges Recycling. Aluminium zeigt damit besonders deutlich, wie eng chemische Eigenschaften, industrielle Verfahren und Umweltfragen miteinander verbunden sind.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Insbesondere die Darstellung zu Aluminium.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Ergänzende chemiehistorische und elementkundliche Einordnung.

Wissenschaftliche Referenzquellen

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements und Angaben zu den Standardatomgewichten. https://iupac.org/

National Institute of Standards and Technology (NIST): Chemistry WebBook und atomphysikalische Referenzdaten. https://www.nist.gov/

Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Aluminium. https://www.rsc.org/periodic-table/element/13/aluminium

European Food Safety Authority (EFSA): Wissenschaftliche Bewertungen zur Aufnahme und gesundheitlichen Bedeutung von Aluminium. https://www.efsa.europa.eu/

International Aluminium Institute: Fachinformationen zur Aluminiumherstellung und zum Recycling. https://international-aluminium.org/