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Dienstag, 7. September 2010 |
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Entdeckung und kulturhistorische Entwicklung
Der Name Aluminium leitet sich aus dem lateinischen Begriff für Alaun „alumen“ ab. Dies ist eine seit dem Altertum bekannte Aluminiumverbindung (Kaliumaluminiumsulfat), die zum Gerben von Leder und in der Medizin als blutstillendes Präparat eingesetzt wurde. Im Jahre 1825 gelang dem dänischen Chemiker Hans Christian Oersted die Isolierung von – noch unreinem – Aluminium, indem er Aluminiumchlorid mit Kalium reduzierte. Friedrich Wöhler verbesserte die Oersted-Methode und konnte 1827 als Erster reines Aluminium isolieren. Aus dem Wöhler´schen Reduktionsverfahren entwickelten Bunsen und Deville 1854 unabhängig voneinander eine technische Gewinnungsmethode, die auf der Reduktion des Gemisches NaCl x AlCl3 mit Natrium beruhte - eine teure Sache, bis zur Erfindung der Dynamomaschine. Im Jahr 1886 stellten der Amerikaner Charles M. Hall und der Franzose Paul-Louis Toussaint Héroult das elektrolytische Verfahren (Hall-Héroult-Verfahren) zur Aluminiumherstellung vor, das aufgrund seiner Kostengünstigkeit den Weg für den großtechnischen Einsatz des Leichtmetalls ebnen sollte.
Vorkommen
Der Anteil von Aluminium am Aufbau der Erdkruste liegt bei 8%. Es ist somit das dritthäufigste Element und das häufigste Metall der Erdkruste; Eisen folgt mit einem Anteil von ca. 6%. Man findet Aluminium in der Natur nie in Reinform, sondern stets an Sauerstoff gebunden. Es ist allgegenwärtig in Feldspäten und Glimmern oder in deren Verwitterungsprodukten. Das bekannteste Aluminium-Mineral ist Bauxit, das ausschließlich im Tagebau gewonnen wird. Der Name leitet sich von dem französischen Ort Les Baux ab, wo es erstmals abgebaut wurde. Bei Bauxit handelt es sich um ein Sedimentgestein, das in seiner Zusammensetzung starke Schwankungen aufweist. Im Wesentlichen setzt es sich aus Aluminiumoxid (40-60%), Eisenoxid (5-30%) und Siliciumoxid (1-15%) zusammen. Das Eisenoxid bedingt die meist rötliche Färbung von Bauxit. Abbauwürdige Bauxit-Vorkommen findet man in Brasilien, China, Australien, Neu-Guinea, in Westafrika und Indien. Andere weitverbreitete Aluminium-Mineralien sind: Albit, Anorthit, Plagioklas, Orthoklas, Kaolinit und Muskovit.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Aluminium ist ein weiches, silbrigweißes Leichtmetall. Es ist recht unedel und sehr reaktionsfreudig. An Luft bildet sich schnell eine dünne schützende Oxidschicht, wodurch es sehr korrosionsbeständig wird. Dass Aluminium eine große Affinität zu Sauerstoff hat, wird daran deutlich, dass es in der Natur häufig an Sauerstoff gebunden ist. Technisch kann Aluminium durch das sog. Eloxal-Verfahren gehärtet werden, indem durch anodische Oxidation die Oxidschicht verstärkt wird. Mit Salzsäure und Natronlauge reagiert Aluminium sehr heftig. Das Verhalten gegenüber Schwefelsäure ist bereits schwächer, während es sich passiv gegenüber kalter Salpetersäure verhält. Das Metall hat gute thermische und elektrische Eigenschaften, die etwa zu zwei Dritteln denen von Kupfer entsprechen. Aufgrund der Elektronenkonfiguration hat das Element drei Valenzelektronen. Sein Oxidationszustand ist deshalb +3.
Relative Atommasse: 26,98
Schmelzpunkt: 660 °C
Siedepunkt: 2467 °C
Dichte: 2,70 g/cm³
Oxidationszahlen: 3
Atomradius: 143,1 pm
Ionenradius: 57 pm (+3)
Elektrische Leitfähigkeit: 0,377 µW-1cm-1
Industrielle Gewinnung
Der Rohstoff für die Aluminiumgewinnung ist Bauxit, das zu 90 Prozent in den Ländern des Tropengürtels vorkommt. Hauptfördergebiete sind Australien, Westafrika, Jamaika und Brasilien. Die Metallgewinnung erfolgt in einem zweistufigen Verfahren. Zunächst wird im sogenannten Bayer-Prozess unter Druck und Hitze aus dem Bauxiterz das Aluminiumhydroxid extrahiert, das anschließend durch Glühen zu Aluminiumoxid (Tonerde) gebrannt wird. Als Rückstandsprodukt fällt umweltneutraler Rotschlamm an, der auf Deponien abgelagert wird. Aluminiumoxid ist das Ausgangsprodukt für die zweite Gewinnungsstufe: den Elektrolyseprozess. Eine Schmelze aus Tonerde und dem Flussmittel Kryolith wird mit Hilfe von Strom in flüssiges Aluminium und Sauerstoff getrennt. Aus zwei Tonnen Aluminiumoxid wird so eine Tonne Primäraluminium gewonnen.
Anwendungen / Produkte
Aluminium wird in nahezu allen Gebieten der Technik und des täglichen Lebens eingesetzt. Sein geringes Gewicht hilft im Verkehrssektor - ob als Motorblock oder gar Karosserie im PKW, als ICE-Mittelwagen oder im Flugzeugbau - Treibstoff bzw. Energie zu sparen. Im Bauwesen sind die Langlebigkeit und die Wartungsfreiheit von Fenstern, Fassaden und Dächern aus Aluminium gefragt. In der Verpackung schützt es aufgrund seiner Barriere-Eigenschaft Lebensmittel und Pharmazeutika. Seine gute Leitfähigkeit macht es für die Elektrotechnik interessant.
Wirtschaftliche Bedeutung
Die weltweite Verwendung von Aluminium beträgt rund 37,5 Millionen Tonnen pro Jahr, in Deutschland liegt sie bei rund 3,6 Millionen Tonnen. Wichtigster Verwendungssektor ist der Verkehr, gefolgt von Bauwesen, Elektrotechnik, Maschinenbau und Verpackung. In den fünf deutschen Primäraluminiumhütten wurden 2007 551.000 Tonnen Aluminium erzeugt, die Sekundärhütten produzierten 836.000 Tonnen Recycling-Aluminium. Die Produktion von Halbzeug (Walz- und Strangpressprodukte sowie Drähte und Schmiedeteile) betrug 2,5 Millionen Tonnen, der Formguss lag bei 828.000 Tonnen. Die Aluminiumweiterverarbeitung erstreckt sich auf die Herstellung von Folien und dünnen Bändern (2007: 314.115 Tonnen) sowie auf die Fertigung von Tuben, Dosen und Fließpressteilen (2007: 84.000 Tonnen). Der gesamte Branchenumsatz von 16,5 Milliarden Euro wird von rund 43.300 Mitarbeitern in 162 Betrieben erwirtschaftet.
Gesundheit
Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element der Erdkruste und damit Bestandteil nahezu aller Gesteine und Böden. Es ist ungiftig und daher ernährungsphysiologisch unbedenklich. Im Durchschnitt werden über die Nahrung täglich etwa zwei bis fünf Milligramm in Form von Aluminiumverbindungen aufgenommen. Der größte Teil davon wird durch die Nieren über den Urin wieder ausgeschieden. Bei Menschen mit geschädigter Nierenfunktion (z. B. Dialysepatienten) ist diese Fähigkeit, absorbiertes Aluminium auszuscheiden, jedoch eingeschränkt. Stark aluminiumhaltige Medikamente sind in diesen Fällen daher ungeeignet.
Recycling
Für die Erzeugung von einer Tonne Primäraluminium sind heute rund 13,5 MWh Strom erforderlich. Bliebe der Blick allein auf die Primärerzeugung konzentriert, übersähe man allerdings, dass die einmal eingesetzte Energie im Metall gespeichert bleibt und im Recyclingprozess "reaktiviert" wird. Aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes (660°C) sind nur fünf Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie beim Recycling von Aluminium erforderlich. Energievergleiche von Werkstoffen werden mit Bezug zum Endprodukt und zu dessen Lebenszyklus aussagekräftig: So senkt der Einsatz von Aluminium in Autos den Kraftstoffverbrauch und hilft obendrein, knappe Ressourcen wie Mineralöl zu schonen. Im Bauwesen tragen die Wartungsfreiheit und die Langlebigkeit der Aluminiumprodukte zu Energieeinsparungen bei. Mit einem Kilogramm Aluminium können weit mehr Lebensmittel verpackt werden als mit anderen Metallpackstoffen. In der Langfristbetrachtung ergibt sich für den Werkstoff Aluminium daher eine positive Energiebilanz. Da Aluminium nach der Verwendung einen hohen Schrottwert besitzt und seine Werkstoffqualität beim Recycling nicht einbüßt, hat sich schon früh eine gut funktionierende Sekundärwirtschaft herausgebildet: z. B. als Altschrott aus den Bereichen Verkehr, Bau, Elektronik oder Verpackung. Die Metallkreisläufe sind heute weitgehend geschlossen.
Links:
Gesamtverband der Aluminiumindustrie
Gesamtverband der Aluminiumindustrie
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Entdeckung und kulturhistorische Bedeutung
Magnesium wurde nach der Region Magnesia (heute Magnisia) in Griechenland benannt. Bereits um 1755 wurden Calcium- und Magnesiumsalze von dem Schotten Joseph Black beschrieben. Eine Reindarstellung der Elemente war aber zu seiner Zeit noch nicht möglich. Erst dem Engländer Humphry Davy gelang dies 1808 mittels elektrolytischer Spaltung von Magnesiumoxid. Diese noch stark verunreinigte metallische Form nannte er "Magnium". Erst später erhielt Magnesium seinen heute gültigen Namen, um eventuelle Verwechslungen mit Mangan zu vermeiden. Ziemlich genau zwanzig Jahre später waren die präparativen Methoden soweit verfeinert, dass Bussy und Liebig Magnesium hoher Reinheit darstellen konnten. In der Zeit um 1890 begann man schließlich mit der großtechnischen Herstellung des Metalls.
Vorkommen
Magnesium ist nach Calcium das zweithäufigste Erdalkalimetall. Es ist allgemein verbreitet und mit einem Anteil von ca. zwei Gewichtsprozent das achthäufigste Element in der Erdkruste. Elementar kommt es in der Natur nicht vor, sondern nur in Verbindungen wie Carbonaten, Silicaten und Sulfaten. Als Dolomit, einem Calcium- und Magnesiumcarbonat (CaCO3 x MgCO3), bildet es ganze Gebirgszüge. Andere wichtige Magnesium-Mineralien sind: Magnesiumcarbonate wie Magnesit (Bitterspat); Silikate wie Olivin, Serpentin; Magnesiumsulfate wie Kieserit sowie Chloride wie Carnallit. Große Mengen von Magnesiumsalzen befinden sich auch in den Weltmeeren, wo es als Chlorid auftritt.
Physikalisch-Chemische Eigenschaften
Magnesium ist ein relativ weiches, silbrig-glänzendes Metall. Es ist sehr leicht und gut dehnbar. Das Metall überzieht sich an der Luft nach und nach mit einer grauen Oxidschicht, die es vor weiteren Reaktionen schützt. Wird das Leichtmetall erhitzt, verbrennt es mit sehr heller, weißer Flamme, die nur schwer zu löschen ist. Mit Säuren reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas; von Laugen wird es dagegen nicht angegriffen. Magnesium ist ein recht guter elektrischer Leiter, wobei seine Leitfähigkeit nur etwa zu einem Drittel der von Kupfer entspricht. Wie die anderen Elemente seiner Gruppe hat es aufgrund seiner Elektronenkonfiguration in Verbindungen ausschließlich die Oxidationsstufe +2.
Relative Atommasse: 24,305
Schmelzpunkt: 648,8 °C
Siedepunkt: 1107 °C
Dichte: 1,74 g/cm³
Oxidationszahlen: 2
Atomradius: 160 pm
Ionenradius: 78 pm (+2)
Elektrische Leitfähigkeit: 0,224 µ-1cm-1
Industrielle Gewinnung
Zur Herstellung von reinem Magnesium sind zwei Verfahren von Bedeutung. Das bedeutendere ist die Herstellung durch Schmelzflusselektrolyse von wasserfreiem Magnesiumchlorid, das nach dem sogenannten DOW-Verfahren aus Meerwasser gewonnen wir. (Ausfällung von Magnesiumhydroxid durch Zugabe von Kalkmilch und spätere Umwandlung in Magnesiumchlorid durch Zugabe von Salzsäure.)
Nach einem Verfahren der IG-Farben kann das Magnesiumhydroxid durch Calcinieren, bzw. durch kräftiges Erhitzen zunächst in Magnesiumoxid und dann unter Zusatz von Kohle und Chlor in Schachtöfen zu Magnesiumchlorid umgesetzt werden:
Die nachfolgende Schmelzflusselektrolyse erfolgt bei ca. 800°C und 5-7 Volt unter Zusatz von Kaliumchlorid und Calciumchlorid zur Schmelzpunkterniedrigung. Die Herstellung von Magnesium ist relativ energieaufwendig, jedoch kann das Metall immer wieder ohne Qualitätsverlust recycelt werden.
Nach dem zweiten Verfahren wird Magnesium durch die thermische Reduktion von Magnesiumoxid hergestellt. Der Prozess findet in Elektroöfen bei ca. 2000°C statt. Als Reduktionsmittel eignen sich Koks und Calciumcarbid.
Anwendungen / Produkte
Reines Magnesium wird in der Technik aufgrund der geringen Härte und der hohen Korrosionsanfälligkeit kaum verwendet. Magnesiumlegierungen, z.B. mit Aluminium, zeichnen sich jedoch durch ihre geringe Dichte, ihre hohe Festigkeit und ihre Korrosionsbeständigkeit aus. Daher werden diese zum Bau von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und Maschinenbauteilen häufig eingesetzt. Mit Dichten von 1,3 bis 1,9 g/cm3 sind technische Magnesiumlegierungen die leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe überhaupt.
Im Automobilbau findet sich Magnesium in Form einiger Gussteile seit vielen Jahren in der Serienproduktion. Im VW-Käfer von 1933 lag die Magnesiummenge bereits bei 20 kg pro Fahrzeug. Das Gesamtpotenzial für Mg wird pro Fahrzeug auf 50-80 kg geschätzt.
Auch Aspekte wie die praktisch unbegrenzte Verfügbarkeit und prinzipiell gute Recyclingfähigkeit weisen auf eine überlegene Stellung von Magnesiumlegierungen im Rahmen zukünftiger Entwicklungen des Maschinen- und Fahrzeugbaus hin.
Wirtschaftliche Bedeutung
Die weltweite Hüttenproduktion von Magnesium lag im Jahr 1999 bei 377.000 t. Hauptproduzenten sind die GUS, Japan, Kanada und Australien. In Deutschland wird kein Primär-Magnesium hergestellt. Die deutsche Produktion von Magnesium-Guss lag 2007 bei 31.000 Tonnen.
Recycling
Zur Zeit erfolgt nur das Recycling von sauberem, kompakten Mg-Neuschrott mit bekannter Zusammensetzung. Altschrott kann noch nicht recycelt werden, da es momentan nicht möglich ist, diesen so sauber aufzuarbeiten, dass Strukturmagnesium in high-purity (HP)-Qualität erzeugt werden kann. Bereits geringste Gehalte an Kupfer und Nickel machen die Erzeugung von HP-Strukturmagnesium unmöglich.
Wesentliche Voraussetzungen für die Erhöhung der Recyclingrate sind die Werkstoffkennzeichung und ein recycling-freundliches Konstruieren, die die Demontage kompakter verunreinigungsarmer Teile erlauben.
Links:
International Magnesium Association
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