Aluminium. Aluminium ist das dritthäufigste Element und das häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es allerdings nur in Verbindungen auf.

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner Demonstrationsvorträge im Wintersemester 2007/ Dozentin: Dr. M. Andratschke Referenten: Tamara Künzel, Susanne Stadler Aluminium 1. Geschichte [1] Der Name Aluminium entwickelte sich aus dem lateinischen Wort alumen, was Alaun bedeutet. Erstmals synthetisch hergestellt, jedoch in unreiner Form, wurde Aluminium im Jahr 1825 von Hans Christian rsted. Bereits zwei Jahre später gelang es dem deutschen Chemiker Friedrich Wöhler, reines Aluminium in Pulverform herzustellen. Heute gewinnt man Aluminium durch ein Elektrolyseverfahren, das ursprünglich 1886 von Charles Martin Hall und Paul Héroult entwickelt wurde. 2. Vorkommen [1-9] Aluminium ist das dritthäufigste Element und das häufigste Metall in der Erdkruste. Dort tritt es allerdings nur in Verbindungen auf. Übersicht über die Zusammensetzung der Erdkruste [5]: Element Sauerstoff Silizium Aluminium Eisen Calcium Prozentanteil 46,6 27,7 8,1 4,7 3,6 Element Natrium Kalium Magnesium Titan Wasserstoff Prozentanteil 2,8 2,6 2,1 0,4 0,1 In der Natur findet man das Aluminium oft in Alumosilikaten, zum Beispiel als Bestandteil von Ton, Granit (siehe Abb. 1) und Gneis (siehe Abb. 2). Seltener ist Aluminium als Aluminiumoxid zum Beispiel in Form von Korund (siehe Abb. 3), besser bekannt als Rubin und Saphir, die durch Beimengungen dem Aluminiumoxid die rote bzw. blaue Farbe verleihen, zu finden. 1

2 Abb. 1 Granit [6] Abb. 2 Gneis [7] Abb. 3 Korund [8] Bei der wirtschaftlichen Gewinnung von Aluminium greift man auf Bauxit (siehe Abb. 4 und Abb. 5) zurück. Bauxit (AlOOH) enthält beim Abbau stets Beimengungen von Eisenoxid und Silikat. Abb. 4 Bauxit mit unver- Abb. 5 Bauxit [9] wittertem Gesteinskern [9] 3. Eigenschaften [1-4, 10] Das Aluminium ist das 13. Element im Periodensystem der Elemente mit der Elektronenkonfiguration [Ne] 3s² 3p 1. Als Elementsymbol wird Al verwendet. Es gehört zur Bor-Gruppe, der ehemaligen Gruppe der Erdmetalle. Hier gibt es einen Lehrplanbezug zum Atombau und dem Periodensystem der Elemente. (siehe Lehrplan Ch 9.6) Seine Schmelztemperatur liegt bei 660,5 C. Die Siedetemperatur beträgt 2467 C. Aus diesen Werten kann man leicht erkennen, dass Aluminium bei Raumtemperatur als Feststoff vorliegt. Es ist berühmt für sein silbern glänzendes Aussehen. Weiterführend lässt sich Aluminium als sehr weiches und dehnbares Metall beschreiben. Da es eine Dichte kleiner 5 g/cm³ aufweist (ρ Al = 2,699 g/cm³), ist es ein Leichtmetall. 2

3 Außerdem hat Aluminium eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Reines, pulverförmiges Aluminium ist leichtentzündlich, was wir mit dem folgenden Versuch demonstrieren. Versuch: Verbrennen von Aluminiumpulver [3, 10, 11] gewinkeltes Glasrohr, Trichter, Spatel, Peleusball, Bunsenbrenner, Aluminiumpulver Durchführung/Beobachtung: Das Aluminiumpulver wird in eine Öffnung des gewinkelten Glasrohres mittels eines Trichters gegeben. Anschließend bläst man es vom anderen Ende aus in die rauschende Bunsenbrennerflamme. Helle Lichtblitze und weißer Rauch sind sichtbar. Außerdem kommt es zu einer starken Wärmeentwicklung. Auswertung: Das Aluminiumpulver verbrennt mit dem Sauerstoff der Luft, dass heißt es bildet sich Aluminiumoxid. 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 In der Schule könnte man diesen Versuch als Beispielreaktion einer Redoxreaktion durchführen. (siehe Lehrplan Ch 9.5) Gebräuchliches Aluminium, wie zum Beispiel Aluminiumfolie, ist immer mit einer Oxidschicht umhüllt. Das macht es vor allem korrosionsbeständig. Diese Oxidschicht lässt sich jedoch mit Hilfe einer Säure zerstören. Versuch: Reaktion von Aluminium mit einer Säure [3, 11, 12] großes und kleines Reagenzglas, Reagenzglashalter, Reagenzglasständer, Pipette, Bunsenbrenner, Aluminiumspäne, konzentrierte Salzsäure (HCl) Durchführung/Beobachtung: Zu den sich im großen Reagenzglas befindenden Aluminiumspänen wird vorsichtig circa eine halbe Pipette voll konzentrierte Salzsäure gegeben. Das entstehende Gas wird mit dem kleinen Reagenzglas aufgefangen. Anschließend überprüft man das Gas mit der Knallgasprobe. Auswertung: Durch die Säure wird die schützende Oxidschicht des Aluminiums zerstört. Unter heftiger Wasserstoffentwicklung ( Nachweis durch Knallgasprobe) werden die Späne von der Salzsäure aufgelöst. 2 Al + 6 HCl 2 Al Cl H 2 Die Schüler sollen lernen, wie unedle Metalle mit Säuren reagieren. (siehe Lehrplan Ch 9.3) Aluminium reagiert außer mit Säuren auch mit Laugen, was uns der folgende Versuch unter anderem bestätigt. 3

4 Versuch: Reaktion von Aluminium mit einer Lauge / Nachweis von Aluminium als Hydroxid [3, 10, 11] 250 ml Becherglas, großes Reagenzglas, Kristallisierschale, Aluminiumfolie, Natronlauge (10 %), Salzsäure (10 %) Durchführung/Beobachtung 1: In ein mit 40 ml 10 %-iger Natronlauge befülltes Becherglas gibt man portionenweise kleine Stücke Aluminiumfolie hinzu. Unter starker Gasentwicklung reagiert Aluminium heftig mit der Natronlauge. Auswertung 1: Durch die Lauge wird die schützende Oxidschicht des Aluminiums zerstört. Unter heftiger Wasserstoffentwicklung wird die Folie vollständig von der Natronlauge aufgelöst. 2 Al + 4 OH H 2 O 2 [Al(OH) 4 ] H 2 Durchführung/Beobachtung 2: Nachdem sich die Folie aufgelöst hat, wird die Lösung langsam portionsweise mit 10 %- iger Salzsäure versetzt. Es fällt ein weißer Niederschlag aus. Auswertung 2: Am Neutralpunkt fallen die Aluminium- mit den Hydroxid-Ionen als weißes Aluminiumhydroxid aus. [Al(OH) 4 ] - + H + Al(OH) 3 + H 2 O In der Schule verwendbar für Reaktionen mit Basen bzw. Basen als Protonenempfänger. (siehe Lehrplan Ch 9.3) 4. Anwendung [12, 13] Verkehrs- und Transportwesen Aufgrund seiner geringen Dichte ist Aluminium aus dem Fahrzeug- und Flugzeugbau nicht mehr wegzudenken. Auch in der Weltraumtechnik spielt es eine führende Rolle. Bauen und Gestalten Einen praktischen Nutzen hat Aluminium wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit bekommen. So ist es heute oft Bestandteil von Heizelementen, Bügeleisen und Kaffeemaschinen. Gestalterischen Nutzen findet es häufig in Fassaden- und Dachelementen sowie Dachrinnen. Angesichts seines typischen metallischen Glanzes ist es dort sehr beliebt. Elektrotechnik Wegen der guten elektrischen Leitfähigkeit des Aluminiums werden daraus auch Stromschienen und Erdkabel angefertigt. Obendrein eignet sich Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte zusätzlich als Überlandleiter. 4

5 Elektronik Auch als Material für Antennen und Halbleiter ist Aluminium geeignet. Nicht zuletzt verwendet man es auch als Elektrodenmaterial. Verpackung Aluminium wird in der Verpackungsindustrie eingesetzt. Dank der großen Verformbarkeit findet man Getränke- und Konservendosen aus Aluminium sowie Kochtöpfe und natürlich die Aluminiumfolie heute in fast jedem Haushalt. 5. Literatur [1] (Stand: ) [2] Lothar Kolditz: Anorganische Chemie, 3. Auflage, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1990, S [3] Erwin Riedel: Anorganische Chemie, 5. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin, New York, 2002, S. 553, S [4] Charles E. Mortimer, Ulrich Müller: Chemie, Das Basiswissen der Chemie, 8. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 2003, S [5] (Stand: ) [6] (Stand: ) [7] (Stand: ) [8] (Stand: ) [9] (Stand: ) [10] (Stand: ) [11] H. Keune, W. Filbry: Chemische Schulexperimente (Band 2), Verlag Harri Deutsch Thun, Frankfurt am Main, 1978, S. 167, S [12] (Stand: ) [13] (Stand: ) 5