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Aluminium

Weitere Aluminium-Verbindungen

Aluminium-Salze

Beim Versetzen von Aluminiumhydroxid, -oxidhydroxid oder -oxid mit Säuren entstehen Aluminium-Salze mit dem wasserhaltigen Kation [Al(H2O)6]3+. Dieses ist jedoch nur bei pH < 3 in Wasser stabil, darüber erfolgt Deprotonierung zu [Al(H2O)5(OH)]2+ und unter Wasserabspaltung die Bildung zwei- und mehrkerniger Kationenkomplexe.

Aluminiumsulfat

Aluminiumsulfat, Al2(SO4)3 · 18H2O, ist die nach dem Oxid am häufigsten verwendete Aluminium-Verbindung. Es kann technisch durch Aufschluss von Bauxit oder Kaolin mit 70%iger Schwefelsäure erhalten werden, allerdings erfordert die Abtrennung des als Verunreinigung enthaltenen Eisens bzw. SiO2 erheblichen Aufwand. Einfacher ist die Herstellung über das Auflösen von reinem Aluminiumhydroxid, Al(OH)3, in konzentrierter Schwefelsäure bei 100 °C:

2Al(OH)3+ 3H2SO4 Δ Al2(SO4)3+ 6H2O (X)

Das wasserhaltige Sulfat bildet farblose, nadelförmige Kristalle. Im Gitter liegen [Al(H2O)6]3+- und SO42-Ionen sowie Hydratwasser vor. Das Salz ist gut in Wasser löslichlich. Die wässrige Lösung reagiert in Folge von teilweiser Hydrolyse in Umkehrung des Gleichgewichts (X) sauer. Beim Erhitzen des Sulfats erfolgt über hydratärmere Zwischenstufen oberhalb 340 °C eine vollständige Entwässerung zum wasserfreien, weißen, pulverförmigen Al2(SO4)3.

Der größte Teil des im Megatonnenumfang hergestellten Aluminiumsulfats wird in der Papierindustrie zum Leimen von Papier verwendet. Weitere Anwendungsgebiete sind der Einsatz als Gerb- und Beizmittel in der Textilindustrie, bei der Wasseraufbereitung als Flockungsmittel sowie als Ausgangsstoff zur Darstellung anderer Aluminium-Verbindungen.

Alaune

Mit Sulfaten einwertiger Metallkationen MI2SO4 (M = Na+, K+, Rb+, Cs+, Tl+ und NH4+) vereinigt sich Al2(SO4)3 zu Doppelsalzen der Zusammensetzung MIAl(SO4)2 · 12 H2O, den so genannten Alaunen.

Die größte technische Bedeutung unter den Alaunen hat der, auch natürlich auftretende, Kalialaun, KAl(SO4)2 · 12H2O, der in den gleichen Bereichen wie das reine Aluminiumsulfat zum Einsatz kommt. Die Darstellung erfolgt über den Aufschluss von Bauxit oder Ton mit 70%iger Schwefelsäure, wobei der Alaun nach Zusatz von K2SO4 aus der Lösung auskristallisiert.

Aluminiumdiacetat

Das basische Aluminiumdiacetat, Al(OH)(OOCCH3)2, das als essigsaure Tonerde im pharmazeutisch-kosmetischen Bereich wegen seiner antiseptischen und adstringierenden, d.h. Blutungen stillenden, Wirkung zur Wundbehandlung dient, wird z.B. durch Umsetzung von Natriumaluminat mit Essigsäure gewonnen:

Na[Al(OH)4]+ 2CH3COOH Al(OH)(OOCCH3)2+ NaOH+ 2H2O

Alumosilicate

Alumosilicate sind Verbindungen, in denen das Silicium aus der silicatischen Grundstruktur teilweise durch Aluminium substituiert ist. Wie die Silicium-Atome sind auch die Aluminium-Atome fest in das Raumnetzgitter des SiO2 integriert und mit den Sauerstoff-Atomen durch kovalente Bindungen verbunden. Charakteristisch für die Struktur vieler Alumosilicate ist die Verknüpfung von [SiO4]- und [AlO4]-Tetraedern. Da das Aluminium-Ion eine positive Ladung weniger als das Si4+-Ion besitzt, sind zur Neutralisation des anionischen Gerüsts zusätzliche Kationen, wie z.B. Na+, K+, Mg2+, Ca2+, erforderlich. Diese sind durch Ionenbeziehungen gebunden, nehmen im Raumnetzgitter jedoch keine feste Lage ein und sind in den Kanälen und Hohlräumen der Struktur, wie auch vorhandene Wasser-Moleküle, frei beweglich. Die Kationen können somit leicht ausgetauscht werden, ohne dass sich die Grundstruktur des Kristalgitters ändert.

Abb.2
Kaolinit
This image is in the public domain by USGS

Alumosilicate sind in der Natur als Feldspäte, Glimmer (Abb. 1) und natürliche Zeolithe weit verbreitet. Viele der Mineralien, insbesondere Natron-, Kali- und Kalkfeldspat, sowie deren Verwitterungsprodukte (Tone, wie z.B. Kaolinit, (Abb. 2) ) werden als Rohstoffe bei der Glas- und Keramikherstellung verwendet (z.B. für Bor-Tonerde-Gläser, Steingut, Porzellan), darüber hinaus auch als Füllstoffe für Farben, Lacke und Kunststoffe eingesetzt.

Die als Schmuckstein bekannten Turmaline sind natürliche Alumoborosilicate, in deren Gerüststruktur sich zusätzlich zum Aluminium noch Bor befindet.

Bei den in Labor und Technik genutzten Zeolithen handelt es sich dagegen überwiegend um synthetisch hergestellte Materialien. Ihre Hauptanwendung finden sie als Ionenaustauscher, Adsorptionsmittel, Katalysator bzw. als dessen Träger.

Abb.3
Struktur eines Zeolithen

Die Verwendung von Zeolithen für den Ionenaustausch beruht auf der leichten Austauschbarkeit der gebundenen Kationen gegen andere Ionen, so dass mittels Zeolith z.B. eine Wasserenthärtung erfolgen kann (Austausch der Calcium-Ionen im Wasser gegen Natrium-Ionen). Das zum Austausch eingesetzte zeolithische Material (Zeolith A, Permutit) kann durch Behandlung mit NaCl-Lösung regeneriert werden. In Waschmitteln konnte durch den Einsatz von Zeolithen der Anteil der ökologisch bedenklichen Phosphate deutlich verringert werden.

Bei hohen Temperaturen getrocknete, also wasserfreie Zeolithe fungieren als Trockenmittel für Gase, Lösungsmittel u.ä., da sie Wasser wieder in die vorhandenen Hohlräume einlagern können. Sie wirken gleichfalls als Adsorptionsmittel für andere kleine Moleküle wie CO2 oder NH3. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Kanäle eignen sich Zeolithe auch für Trennprozesse, wobei Moleküle entsprechender Größe in die Hohlräume eindringen und durch elektrostatische oder van-der-Waals-Kräfte adsorbiert werden, größere bzw. sperrige Moleküle jedoch nicht und noch kleinere Teilchen den Hohlraum wieder verlassen können (Molekularsiebeffekt). Zeolithe dienen demnach als so genannte Molekularsiebe (Molsiebe) bei der Trennung von Stoffgemischen (z.B. Trennung von geradkettigen und verzweigten bzw. aromatischen Kohlenwasserstoffen, siehe Katalysatoren). Diese Eigenschaft der Zeolithe wird sowohl großtechnisch als auch im Labor z.B. bei chromatographisch-analytischen Verfahren ausgenutzt.

Aluminium-organische Verbindungen

Unter den organischen Verbindungen des Aluminiums besitzen die Triorganyl-Verbindungen, AlR3, eine besondere Bedeutung als Reduktions- und Organylierungsmittel. Hervorzuheben ist die Rolle von Triethylaluminium, Al(CH2CH3)3, in Kombination mit Übergangsmetall-Verbindungen wie Titan(IV)-chlorid, TiCl4, als Katalysator für die Polymerisation von Olefinen (Ziegler-Natta-Katalysator, Ziegler-Natta-Polymerisation, Chemie-Nobelpreis 1963).

Triethylaluminium

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Hinweis
Triethylaluminium, Al(CH2CH3)3
Ausführliche Darstellung von Struktur, Eigenschaften, Synthese, Reaktivität und Verwendung in der Lerneinheit Triethylaluminium
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