Aluminium: Metall, Reaktivität und Gewinnung
Aluminium als Metall: Leitfähigkeit und Bindung, Verhalten gegen Luft, Wasser, Säuren und Laugen und die Gewinnung aus Bauxit durch Schmelzflusselektrolyse.
Das Wichtigste in Kürze
- Aluminium ist ein unedles Leichtmetall der Borgruppe ([Ne] 3s² 3p¹), das in Verbindungen nur als \(\ce{Al^3+}\) mit der Oxidationszahl +III auftritt.
- Aluminium leitet den Strom, ist nicht ferromagnetisch und hat gegenüber Magnesium einen kleineren Atomradius und eine größere Gitterenergie.
- Eine dünne Oxidschicht passiviert Aluminium an der Luft und in Salpetersäure, deshalb entwickelt es mit Wasser keinen Wasserstoff.
- Aluminium ist amphoter: Salzsäure löst es zu \(\ce{AlCl3}\), Natronlauge zu \(\ce{Na[Al(OH)4]}\), beide Male unter \(\ce{H2}\)-Entwicklung. Die Verbrennung zu \(\ce{Al2O3}\) ist exotherm.
- Aus Bauxit trennt man Eisenoxid mit Natronlauge ab. Das Metall entsteht an der Kathode durch Schmelzflusselektrolyse von \(\ce{Al2O3}\) in Kryolith \(\ce{Na3[AlF6]}\).
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Aluminium im Überblick
Aluminium ist das häufigste Metall der Erdkruste und das wichtigste Leichtmetall. In der Apotheke begegnet es etwa in Blisterfolien und Antacida.
| Merkmal | Ausprägung |
|---|---|
| Stellung im Periodensystem | 13. Gruppe (Borgruppe), 3. Periode, unter Bor |
| Elektronenkonfiguration | [Ne] 3s² 3p¹ |
| Oxidationsstufe | nur +III (\(\ce{Al^3+}\)) |
| Vorkommen und Gewinnung | Bauxit, Kryolith; Schmelzflusselektrolyse von \(\ce{Al2O3}\) |
| Eigenschaften des Elements | Leichtmetall, elektrischer Leiter, nicht ferromagnetisch, amphoter |
| Wichtige Verbindungen | \(\ce{Al2O3}\) und \(\ce{Al(OH)3}\), \(\ce{AlCl3}\) |
Metalleigenschaften
Die drei Valenzelektronen des Aluminiums bilden das Elektronengas der Metallbindung. Daher leitet Aluminium den elektrischen Strom gut. Ferromagnetisch ist es nicht, ein Magnet zieht Alufolie nicht an.
In Verbindungen gibt Aluminium alle drei Valenzelektronen ab. Es bildet nur das dreiwertige Kation \(\ce{Al^3+}\) und tritt nur mit der Oxidationszahl +III auf. Stufen wie −III oder +V, die man vom Stickstoff kennt, sind ihm fremd.
Gegenüber dem Nachbarn Magnesium hat Aluminium eine Kernladung mehr. Sie zieht die Hülle stärker an, der Atomradius ist kleiner. Zudem liefert jedes Atom drei statt zwei Elektronen ins Elektronengas. Die Gitterenergie der Metallbindung ist deshalb größer als beim Magnesium.
Reines Aluminium ist recht weich. Fester ist Duralumin, eine Legierung mit Kupfer und Magnesium.
Verhalten gegen Säuren und Laugen
An der Luft überzieht sich Aluminium sofort mit einer dünnen, dichten Schicht aus \(\ce{Al2O3}\). Diese Passivierung schützt das unedle Metall wie eine Versiegelung. Darum setzt es mit Wasser keinen Wasserstoff frei. Auch Salpetersäure löst es nicht. Als Oxidationsmittel verstärkt sie die Oxidschicht und passiviert das Metall.
Salzsäure und konzentrierte Natronlauge lösen die Schicht dagegen auf. Das blanke Metall reagiert dann unter Wasserstoffentwicklung, in der Säure zu \(\ce{AlCl3}\), in der Lauge zum Aluminat. Aluminium ist also amphoter (zur Amphoterie).
\[\ce{2 Al + 6 HCl -> 2 AlCl3 + 3 H2 ^}\]
\[\ce{2 Al + 2 NaOH + 6 H2O -> 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2 ^}\]
Wird im Examen gerne gefragt: Salzsäure und Natronlauge lösen Aluminium unter \(\ce{H2}\)-Entwicklung. In Wasser und konzentrierter Salpetersäure bleibt es dagegen ungelöst, weil die Oxidschicht erhalten bleibt.
Als feines Pulver mit großer Oberfläche verbrennt Aluminium mit grellem Licht. Die Bildung von \(\ce{Al2O3}\) ist stark exotherm.
\[\ce{4 Al + 3 O2 -> 2 Al2O3}\quad \Delta H < 0\]
Gewinnung
Rohstoff ist Bauxit, ein Aluminiumhydroxid-Erz mit Eisenoxid als Begleiter. Heiße Natronlauge löst nur den amphoteren Aluminiumanteil als Aluminat. Eisenoxid bleibt als Rotschlamm zurück und wird abgetrennt. Aus der Lauge fällt \(\ce{Al(OH)3}\), das man zu reinem \(\ce{Al2O3}\) glüht.
Das Metall entsteht durch Schmelzflusselektrolyse. Aus wässriger Lösung würde an der Kathode nur Wasserstoff entstehen (siehe Elektrolyse).
Elektrolyse einer wasserfreien Salz- oder Oxidschmelze. Sie dient der Herstellung anorganischer Stoffe, vor allem unedler Metalle wie Aluminium und der Alkalimetalle.
Reines \(\ce{Al2O3}\) schmilzt erst bei etwa 2050 °C. Gelöst in geschmolzenem Kryolith \(\ce{Na3[AlF6]}\) genügen rund 950 °C. Aluminium scheidet sich flüssig an der Kathode ab. Die Kohleanoden verbrennen mit dem entstehenden Sauerstoff zu \(\ce{CO2}\).
\[\ce{Al^3+ + 3 e- -> Al}\]
\[\ce{2 Al2O3 + 3 C -> 4 Al + 3 CO2}\]
Quiz
Aussage 1
Aluminium hat einen größeren Atomradius als Magnesium, weil es ein Valenzelektron mehr besitzt.
Der Atomradius von Aluminium ist kleiner: Die höhere Kernladung zieht die Hülle stärker an. Dazu passt die größere Gitterenergie der Metallbindung.
Aussage 2
Bei der Aluminiumgewinnung senkt Kryolith die Schmelztemperatur, und das Metall scheidet sich an der Kathode ab.
\(\ce{Al2O3}\) schmilzt erst bei etwa 2050 °C, in Kryolith \(\ce{Na3[AlF6]}\) gelöst genügen rund 950 °C. \(\ce{Al^3+}\) wird an der Kathode reduziert.
Aussage 3
Konzentrierte Natronlauge löst Aluminium unter Wasserstoffentwicklung, reines Wasser dagegen nicht.
Die Lauge löst die schützende Oxidschicht als Aluminat auf, danach reagiert das Metall unter \(\ce{H2}\)-Bildung. In Wasser bleibt die Oxidschicht erhalten.
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