Aluminium
Erfahre alles über das chemische Element Aluminium, seine Eigenschaften und Verwendung. Von Elektronenschalen bis zu chemischen Reaktionen - alles auf einen Blick. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Aluminium
Aluminium – Chemie
Bestimmt ist dir das Element Aluminium schon im Alltag begegnet, zum Beispiel in Form von Alufolie. Aluminium steht im Periodensystem der Elemente in der III. Hauptgruppe und der 3. Periode. Es handelt sich um ein Erdmetall. Aber wie sieht Aluminium aus? Und wofür wird Aluminium verwendet? Antworten auf diese Fragen findest du im folgenden Text.
Was ist Aluminium? – Definition
Aluminium ist ein chemisches Element, das mit dem Elementsymbol $\ce{Al}$ bezeichnet wird. Weißt du auch, welche physikalischen und chemischen Eigenschaften Aluminium hat?
Welche Eigenschaften hat Aluminium?
Betrachtet man Aluminium als Atom, so besitzt es drei Elektronenschalen mit insgesamt dreizehn Elektronen und Protonen. Die Ordnungszahl von Aluminium ist also dreizehn. Des Weiteren besteht der Kern von Aluminium aus 14 Neutronen. Aluminium hat drei Valenzelektronen. In Verbindung mit anderen Elementen liegt Aluminium immer als dreifach positiv geladenes Aluminiumion vor. Aluminium ist außerdem ein guter elektrischer Leiter. Die Elektronenkonfiguration von Aluminium ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Aluminium – Steckbrief
Der folgende Steckbrief des Elements Aluminium gibt einen Überblick über weitere Eigenschaften des Aluminiums.
Eigenschaft | Wert |
---|---|
Aggregatzustand | Feststoff Aluminium ist ein Metall. Es handelt sich um ein unedles Leichtmetall. |
Aussehen | silbergrau |
Schmelztemperatur | $\pu{660°C}$ |
Siedetemperatur | $\pu{2 467°C}$ |
Dichte, spezifisches Gewicht Aluminium | $\pu{2,7g/cm3}$ |
Atommasse | $\pu{26,98u}$ |
Härte auf der Mohs-Skala | $\pu{2,75}$ |
Aluminium – Reaktionen
In diesem Abschnitt betrachten wir für Aluminium typische chemische Reaktionen. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Aluminiumverbindungen und Formeln.
Reaktionspartner | Reaktion |
---|---|
Sauerstoff $\ce{O2}$ | Aluminium oxidiert an der Luft mit Sauerstoff zu Aluminiumoxid $\ce{Al2O3}$. Dabei bildet sich auf dem Aluminium eine Korrosionsschicht. Allerdings bildet Aluminium keinen Rost, da diese Reaktion nach der Bildung einer sehr dünnen Schicht zum Stillstand kommt. Im klassischen Sinne rostet Aluminium also nicht. $\ce{4Al + 3O2 ->2Al2O3}$ |
Halogene, beispielsweise Fluor $\ce{F}$ | Mit Halogenen reagiert Aluminium unter Bildung von Aluminiumhalogeniden, zum Beispiel Aluminiumfluorid $\ce{AlF3}$. $\ce{Al2O3 + 6HF -> 2AlF3 + 3H2O}$ |
Basen in wässriger Lösung | Mit Basen reagiert Aluminium zu komplexen Salzionen. |
Säuren | Bei Reaktionen von Säuren mit Aluminium entstehen die entsprechenden Aluminiumsalze. Mit oxidierend wirkenden Säuren, wie z. B. der konzentrierten Salpetersäure, reagiert Aluminium hingegen nur oberflächlich. Es kommt zu einer Passivierung. |
Schwefel $\ce{S}$ | Mit Schwefel reagiert Aluminiumpulver zu Aluminiumsulfid. $\ce{2Al + 3S -> Al2S3}$ |
Aluminium – Vorkommen
Wo kommt Aluminium vor? Aluminium kommt in Form von Verbindungen in der Natur in Mineralien vor. Der Anteil von Aluminium in der Erdkruste beträgt 7,57 %. Aluminium ist ein Bestandteil vieler häufig vorkommender Minerale. Meist liegt Aluminium dabei in Mineralien aus der Gruppe der Alumosilikate, also komplexer Verbindungen aus $\ce{Al2O3}$ und $\ce{SiO2}$, vor. Das sind zum Beispiel Ton, Gneis und Granit. Seltener ist es als Aluminiumoxid $\ce{Al2O3}$ in den Steinen Korund, Rubin und Saphir zu finden.
Die technische Herstellung von Aluminium erfolgt durch Schmelzflusselektrolyse. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem Aluminiumverbindungen durch Anlegen eines elektrischen Stroms in ihre einzelnen Ionen zerlegt werden. Detailliert wird dieses Verfahren in dem Video Aluminiumherstellung als Anwendung für die Elektrolyse erläutert.
Aluminium – Verwendung
Aufgrund seiner Eigenschaften und Struktur findet Aluminium viele Anwendungsmöglichkeiten. Besonders die gute Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium machen es in vielen Bereichen einsetzbar. Die folgende Aufzählung enthält einige Materialien, die aus Aluminium sind oder daraus hergestellt werden:
- Kabel
- Antennen
- Konstruktionswerkstoffe, z. B. in der Automobilindustrie
- Verpackungsmaterial, z. B. Konservendosen und Alufolie
- Treibstoff in Feststoffraketen
- Scanner
Dieses Video
In diesem Video wird dir einfach erklärt, was genau Aluminium ist. Du erfährst, warum Aluminium nicht magnetisch ist und seit wann Aluminium verwendet wird. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Arbeitsblätter zum Thema Aluminium zu bearbeiten. Viel Spaß!
Häufig gestellte Fragen zum Thema Aluminium
Transkript Aluminium
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das chemische Element Aluminium. Der Film gehört zur Reihe Elemente. Als Vorkenntnisse solltest du dich gut mit Basen, Säuren und Salzen auskennen. Im Video möchte ich dich mit dem chemischen Element Aluminium und seiner Bedeutung vertraut machen. Der Film ist in 9 Abschnitte unterteilt:
- Entdeckung
- Stellung im Periodensystem der Elemente
- Vorkommen
- Eigenschaften
- Herstellung
- Reaktionen
- Das Metall
- Verbindungen
Zusammenfassung
Entdeckung Bei Aluminium handelt es sich um ein relativ junges chemisches Element. 1808 wurde es von Davy vorhergesagt. 1825 gelang die erste Herstellung durch Ørsted. Das Aluminium war jedoch noch recht unrein. Zwei Jahre später stellt Wöhler ebenfalls Aluminium her. Dieses Mal schon mit höherer Reinheit.
Stellung im Periodensystem der Elemente Im Periodensystem der Elemente befindet sich das Aluminium an dieser Stelle. Aluminium gehört zur Gruppe der Erdmetalle. Daher ist es klar, dass es sich um ein Metall handelt. Der Name Aluminium kommt vom Mineral Alaun, aus der lateinischen Sprache. Das Symbol des chemischen Elementes ist Al. Aluminium steht in der dritten Hauptgruppe des Periodensystems. Die Oxidationszahl in seine Verbindungen ist +3.
Vorkommen Der Anteil des Aluminiums an der Erdhülle beträgt 7,57 %. Damit nimmt es den 3. Platz unter den heimischen Elementen ein. Unter den Metallen belegt es sogar den ersten Platz. Aluminium ist Bestandteil vieler häufig vorkommender Minerale. Es ist am Aufbau der Alumosilikate beteiligt. Weit verbreitet und stark erdkrustenbildend sind Ton, Gneis und Granit. Seltener ist Aluminiumoxid als Mineral. Es hat die Formel Al2O3. Aluminiumoxid bildet das Mineral Korund. Wenn bestimmte Schwermetallionen hinzukommen, entsteht zum Beispiel der Edelstein Rubin. Bei anderen Schwermetallionen entsteht der Edelstein Saphir. Zwei Minerale, auf die wir noch zu sprechen kommen, sind von Bedeutung: Bauxit und Kryolith. Die vereinfachte Formel für Bauxit lautet AlO(OH). Für Kryolith lautet die Formel Na3[AlF6].
Eigenschaften Aluminium ist ein silbriges Metall. Es ist unedel. Seine Mohshärte beträgt 2,75. Damit liegt es zwischen Gold und Kupfer. Aluminium ist ein Leichtmetall mit einer Dichte von d=2,7g/cm³. Damit liegt es zwischen Strontium und Barium. Aluminium ist ein guter elektrischer Leiter. Es liegt auf Platz 4 der besten metallischen Leiter. Das Metall schmilzt relativ niedrig bei 660° C. Damit schmilzt es höher als Zink, aber niedriger als Kalzium.
Herstellung Aluminium wird durch Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Für die Herstellung des Ausgangsmaterials wird Bauxit durch Natriumhydroxid aufgeschlossen. Durch starke Erwärmung erhält man Al2O3, Aluminiumoxid. Aus Aluminiumoxid und Kryolith wird eine Schmelze im Verhältnis 10/90 hergestellt. Die Schmelze entsteht bei Temperaturen um 1000°C. Reines Aluminiumoxid hingegen schmilzt erst bei 2000°C. Elektronen werden eingeführt und eine Gleichspannung wird angelegt. Die Aluminium-Ionen wandern zur negativen Elektrode, sie werden entladen und es entsteht elementares Aluminium. Die Oxid-Ionen wandern zur positiven Elektrode, werden ebenfalls entladen und es bildet sich Sauerstoff. Das flüssige Aluminium ist schwerer als die Schmelze und sinkt daher zu Boden. Von dort kann es über ein Rohr abgesaugt werden. Dann wird es weiterverarbeitet. Für Details schaut bitte die Videos zu diesem Thema - speziell das zur Aluminiumherstellung.
Reaktionen An unedles Metall reagiert Aluminium an der Luft mit Sauerstoff. Es bildet sich eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid. Bei hohen Temperaturen kann man Aluminium auch verbrennen. Aluminium reagiert mit Säuren, wobei sich Aluminiumsalze bilden. Auch mit Basen, in Anwesenheit mit Wasser findet eine Reaktion zu komplexen Salzionen statt. Mit konzentrierter Salpetersäure reagiert Aluminium nur oberflächlich, sonst nicht. Es findet eine Passivierung statt. An der Oberfläche bildet sich Aluminiumoxid. Mit Schwefel kann man Aluminiumpulver direkt reagieren lassen. Es bildet sich Aluminiumsulfid. Auch die Halogene reagieren mit Aluminium und bilden die entsprechenden Aluminiumhalogenide.
Das Metall In der Elektrotechnik wird Aluminium für die Fertigung von Kabeln verwendet. In der Elektronik stellt man daraus Antennen her. Aluminium ist ein gefragter Konstruktionswerkstoff. Auch Verpackungen, wie bestimmte Konservendosen und Alufolie, bestehen daraus. Aluminiumplatten haben spiegelglatte Oberflächen und werden daher in der Optik, bspw. für Scanner, verwendet. In Feststoffraketen besten 30 % des Treibstoffs aus Aluminium. Das sogenannte harte Duraluminium hat die Formel AlCuMg.
Verbindungen Aluminiumoxid haben wir schon besprochen. Es wird zum Schleifen und Polieren verwendet. Aluminiumhydroxid verwendet man für die Herstellung fast aller anderen Aluminiumverbindungen. Aluminiumchlorid und Aluminiumsulfat benutzt man für die Wasseraufbereitung und in der Papierindustrie. Zeolithe sind bestimmte Aluminiumverbindungen, die als Wasserenthärter zum Einsatz kommen. Aluminiumoxynitrid ist eine Verbindung von veränderlicher Zusammensetzung. Es handelt sich hier um eine transparente Keramik, die bis 1200°C stabil ist. Und schließlich sei auch Lithiumaluminiumhydrid genannt (LiAlH4). Das ist ein wichtiges Reduktionsmittel in der organischen Chemie.
Zusammenfassung Das unedle Leichtmetall Aluminium hat nach heutigem Kenntnisstand kaum biologische Bedeutung. Seine Einsatzbreite in der zivilisierten Welt hingegen ist riesig. Ich hoffe, ihr hattet etwas Spaß. Ich wünsche Euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.
Aluminium Übung
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Beschreibe die Geschichte der Entdeckung des Aluminiums.
TippsAluminium steht in der Borgruppe.
Aluminium wurde erst sehr spät entdeckt, obwohl es schon länger vermutet wurde.
LösungAluminium ist ein chemisches Element aus der dritten Hauptgruppe. Es ist ein Metall und sehr häufig auf der Erde zu finden. Aluminium ist ein sehr junges Element. Jung meint, dass es im Gegensatz zu anderen Elementen erst sehr spät entdeckt und in reiner Form synthetisiert wurde. Bereits 1808 wurde das Aluminium vorhergesagt, konnte aber erst knapp zwanzig Jahre später von Ørsted in unreiner Form hergestellt werden. Wöhler schaffte es bereits zwei Jahre später, beinahe reines Aluminium herzustellen. Aluminium spielt auch in unserer heutigen Gesellschaft eine wichtige Rolle, da es bei zahlreichen alltäglichen Vorgängen benutzt wird. So kann man beispielsweise die Aluminiumfolie oder auch Kabel aus Aluminium nennen.
Aluminium gehört in die Gruppe der Erdmetalle und ist in der dritten Hauptgruppe, der sogenannten Borgruppe, zu finden. Der Name leitet sich vom lateinischen Alaun ab. Die Oxidationsstufe des Aluminiums ist +III.
-
Nenne die Eigenschaften des Aluminiums.
TippsEine Dichte von $2,79\quad \frac { g }{ { cm }^{ 3 } } $ charakterisiert kein Schwermetall.
Aluminium wird oftmals in der Elektrotechnik für elektronische Leitungen verwendet.
Der Schmelzpunkt von Calcium ist 842 °C.
LösungAluminium ist für unsere heutige Gesellschaft ein sehr wichtiges Metall. Aufgrund seines häufigen Vorkommens und seiner hervorragenden Leitfähigkeit wird es in der Elektrotechnik verwendet.
Der besondere matte Glanz des Aluminiums entsteht durch die sich bildende Oxidschicht auf der Oberfläche. Diese schützt das darunterliegende Aluminium.
Es ist ein silbriges, unedles Metall, dessen Härte zwischen Gold (weich) und Kupfer liegt. Aufgrund seiner geringen Dichte kann es ebenfalls Leichtmetall genannt werden. Der Schmelzpunkt von 660 °C liegt ebenfalls genau zwischen Zink (419,53 °C) und Calcium (842 °C).
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Nenne die Eigenschaften der Elemente der Borgruppe.
TippsJe höher die Ordnungszahl, desto höher ist die Dichte.
Je höher die Ordnungszahl, desto größer wird der Atomradius. Dadurch sinkt der Siedepunkt.
Je höher die Ordnungszahl, desto weiter „unten" im Periodensystem steht das Element.
Im Video wird ein Tipp gegeben, an welcher Stelle das Aluminium steht.
LösungDie korrekte Reihenfolge für die sogenannte Borgruppe, in der sich auch Aluminium befindet, lautet:
- Bor (Siedepunkt: 4200 K; Dichte: $2460~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
- Aluminium (Siedepunkt: 2740 K; Dichte: $2700~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
- Gallium (Siedepunkt: 2477 K; Dichte: $5904~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
- Indium (Siedepunkt: 2345 K; Dichte: $7310~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
- Thallium (Siedepunkt:1746 K; Dichte $11850~ \frac { kg }{ { m }^{ 3 } }$)
-
Formuliere typische Reaktionen des Aluminiums.
TippsSalpetersäure hat die chemische Formel ${ HNO }_{ 3 }$.
Aluminium bildet die Oxidationsstufe +III.
LösungDie korrekten Reaktionen lauten:
Aluminium reagiert mit Sauerstoff aus der Luft zu Aluminiumoxid.
$4Al\quad +\quad 3{ O }_{ 2 }\quad \rightarrow \quad 2{ Al }_{ 2 }{ O }_{ 3 }$
Dies wird auch als Passivierung bezeichnet, da nur die oberste Schicht des Aluminiums oxidiert wird. Darunter ist das Aluminium rein.
Aluminium reagiert mit Chlorgas zu Aluminiumchlorid.
$4Al\quad +\quad 3{ O }_{ 2 }\quad \rightarrow \quad 2{ Al }_{ 2 }{ O }_{ 3 }$
Hierbei wird das elementare Aluminium durch das Halogen oxidiert, zur Oxidationsstufe +III. Diese Reaktion ist analog zu anderen Halogenen, die mit Aluminium reagieren.
Aluminium reagiert mit Salpetersäure zu Aluminiumnitrat und Wasserstoff.
$Al\quad +\quad 3{ HNO }_{ 3 }\quad \rightarrow \quad Al({ NO }_{ 3 }{ ) }_{ 3 }\quad +\quad 1,5{ H }_{ 2 }$
Salpetersäure ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und kann edle Metall wie Kupfer leicht oxidieren. Aluminium und Zink als unedle Metalle haben eine passivierende Oxidschicht, sodass sie nicht oxidiert werden und das entsprechende Nitrat bilden.
Aluminium reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid.
$2Al\quad +\quad 6{ H }_{ 2 }O\quad \rightarrow \quad 2{ Al(OH }_{ 3 }{ ) }_{ 3 }\quad +\quad 3{ H }_{ 2 }O$
Aluminiumhydroxid enthält Aluminium in der Oxidationsstufe +III. Trocknet man dieses, erhält man erneut Aluminiumoxid.
-
Entscheide, in welchen Bereichen Aluminium verwendet wird.
TippsWellblech besteht meist aus feuerverzinktem Stahl.
LösungAluminium ist ein sehr wichtiger Werkstoff in unserer heutigen Zeit. Aufgrund der sehr großen Vorkommen auf der Erde wird Aluminium für viele verschiedene Produkte genutzt. So wird es in der Elektrotechnik für Kabel genutzt, da es unter den Metallen ein sehr guter Leiter ist. Nur Kupfer und Silber, welche jedoch recht teuer sind, leiten den Strom besser. Ebenfalls wird das Aluminium für Antennen benutzt. In der Optik wird geschliffenes Aluminium beispielsweise als kostengünstiger Edelstahlersatz verwendet. Für den Antrieb von Feststoffraketen wurde ebenfalls Aluminium verwendet.
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Beschreibe die Eigenschaften der Schmelzflusselektrolyse zur Gewinnnug von reinem Aluminium.
TippsOhne Kryolith hätte das Aluminiumoxid eine Schmelztemperatur von über 2000°C.
An der Anode findet die Oxidation statt.
Die beiden Elektroden bestehen aus Graphit (Kohlenstoff). Dieser würde mit elementarem Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid reagieren.
LösungDie Schmelzflusselektrolyse ist ein wichtiges Verfahren, um die sonst elektrochemisch eher schwer zu gewinnenden „unedlen" Metalle, die weit unten in der elektrochemischen Spannungsreihe stehen, zu gewinnen. Auch Fluor und Chlor, die nicht mit Sauerstoff zu oxidieren, müssen auf diese Weise gewonnen werden.
Im ersten Schritt wird ein Gemisch aus Kryolith und Aluminiumoxid hergestellt (90:10). Dies geschieht, da Aluminiumoxid eine sehr hohe Schmelztemperatur hat, die durch das Kryolith gesenkt wird. Ist das Aluminium nun in Lösung, wird ein Strom angelegt und die jeweiligen Ionen wandern zu den Elektroden. Die positiv geladenen Aluminium-Ionen wandern zur negativ geladenen Kathode. Dort nehmen sie Elektronen auf, werden zu elementarem Aluminium und sinken aufgrund ihrer höheren Dichte nach unten im Tiegel. Dort kann das Aluminium abgesaugt werden. Die negativ geladenen Oxid-Ionen wandern zum Pluspol, der Anode. Dort werden sie zu Sauerstoff oxidiert, der jedoch direkt mit dem Graphit der Elektrode zu Kohlenstoffdioxid reagiert.
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Schön, dass auch Videos zu den Elementen geschaut werden.
Es ist schwer, in 10 Minuten das Wichtigste unterzubringen.
Ich persönlich fand es nicht zu schnell. Aber das ist natürlich Ansichtssache.
Alles Gute
Es ist ein bisschen zu schnell. Wenn man langsamer spricht dann versteht man besser!