Aluminium ist ein silbrig-weißes, weiches, unmagnetisches, duktiles Metall in der Borgruppe. Nach Masse macht Aluminium etwa 8% der Erdkruste aus; Es ist das dritthäufigste Element nach Sauerstoff und Silizium und das am häufigsten vorkommende Metall in der Kruste, obwohl es im Mantel darunter weniger verbreitet ist.
Etwa 70% der zivilen Flugzeugzellen bestehen aus Aluminiumlegierungen, und ohne Aluminium wäre die Zivilluftfahrt wirtschaftlich nicht rentabel. Aluminium wird aus dem Haupterz Bauxit gewonnen. Bedeutende Bauxitvorkommen finden sich in ganz Australien, der Karibik, Afrika, China und Südamerika.
Protonen und Neutronen in Aluminium
Aluminium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 13, was bedeutet, dass sich 13 Protonen in seinem Kern befinden. Die Gesamtzahl der Protonen im Kern wird als Ordnungszahl des Atoms bezeichnet und erhält das Symbol Z. Die gesamte elektrische Ladung des Kerns beträgt daher +Ze, wobei e (Elementarladung) 1.602 x 10-19 Coulombs entspricht.
Die Gesamtzahl der Neutronen im Kern eines Atoms wird als Neutronenzahl des Atoms bezeichnet und erhält das Symbol N. Neutronenzahl plus Ordnungszahl entspricht Atommassenzahl: N + Z=A. Die Differenz zwischen der Neutronenzahl und der Ordnungszahl wird als Neutronenüberschuss bezeichnet: D = N – Z = A – 2Z.
Für stabile Elemente gibt es normalerweise eine Vielzahl stabiler Isotope. Isotope sind Nuklide, die dieselbe Ordnungszahl haben und daher dasselbe Element sind, sich jedoch in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Massenzahlen von typischen Isotopen von Aluminium sind 27.
Hauptisotope von Aluminium
Von Aluminiumisotopen ist nur 27Al stabil. Dies ist konsistent mit Aluminium mit einer ungeraden Ordnungszahl. Nur 27Al (stabiles Isotop) und 26Al (radioaktives Isotop, t1 / 2 = 7,2 × 105 y) kommen natürlich vor, jedoch umfasst 27Al fast alles natürliche Aluminium. Anders als 26Al haben alle Radioisotope Halbwertszeiten unter 7 Minuten, die meisten unter einer Sekunde.
Aluminium-27 besteht aus 13 Protonen, 14 Neutronen und 13 Elektronen. Es ist das einzige Uraluminiumisotop, d.h. das einzige, das seit der Entstehung des Planeten in seiner heutigen Form auf der Erde existiert. Fast alles Aluminium auf der Erde ist als dieses Isotop vorhanden, was es zu einem mononuklidischen Element macht
Aluminium-26 besteht aus 13 Protonen, 13 Neutronen und 13 Elektronen. Kosmogenes Aluminium-26 wurde zuerst in Studien des Mondes und der Meteoriten angewendet. Meteoritenfragmente sind nach dem Verlassen ihrer Mutterkörper während ihrer Reise durch den Weltraum einem intensiven Bombardement mit kosmischer Strahlung ausgesetzt, was zu einer erheblichen 26Al-Produktion führt. Nach dem Fall auf die Erde, Die atmosphärische Abschirmung schützt die Meteoritenfragmente vor weiterer 26Al-Produktion, und sein Zerfall kann dann verwendet werden, um das terrestrische Alter des Meteoriten zu bestimmen.
Stabile Isotope
| Isotop | Häufigkeit | Neutronenzahl |
| 27Al | 100% | 14 |
Typische instabile Isotope
| Isotop | Halbwertszeit | Zerfall Modus | Produkt |
| 26Al | 7,17 × 105 y | positron zerfall | 26 mg |
| 28Al | 2.245(5) min | Beta-Zerfall | 28Si |
Elektronen und Elektronenkonfiguration
Die Anzahl der Elektronen in einem elektrisch neutralen Atom entspricht der Anzahl der Protonen im Kern. Daher beträgt die Anzahl der Elektronen im neutralen Aluminiumatom 13. Jedes Elektron wird durch die elektrischen Felder beeinflusst, die durch die positive Kernladung und die anderen (Z – 1) negativen Elektronen im Atom erzeugt werden.
Da die Anzahl der Elektronen und ihre Anordnung für das chemische Verhalten von Atomen verantwortlich sind, identifiziert die Ordnungszahl die verschiedenen chemischen Elemente. Die Konfiguration dieser Elektronen folgt aus den Prinzipien der Quantenmechanik. Die Anzahl der Elektronen in den Elektronenschalen jedes Elements, insbesondere in der äußersten Valenzschale, ist der Hauptfaktor für die Bestimmung seines chemischen Bindungsverhaltens. Im Periodensystem sind die Elemente in der Reihenfolge der zunehmenden Ordnungszahl Z.
Elektronenkonfiguration von Aluminium ist 3s2 3p1.
Mögliche Oxidationsstufen sind -2; -1; +1; +2; +3.
Ein Aluminiumatom hat 13 Elektronen, angeordnet in einer Elektronenkonfiguration von 3s2 3p1, mit drei Elektronen jenseits einer stabilen Edelgaskonfiguration. Aluminium kann seine drei äußersten Elektronen in vielen chemischen Reaktionen relativ leicht abgeben (siehe unten). Die Elektronegativität von Aluminium beträgt 1,61 (Pauling-Skala). Die überwiegende Mehrheit der Verbindungen, einschließlich aller aluminiumhaltigen Mineralien und aller kommerziell bedeutsamen Aluminiumverbindungen, weist Aluminium in der Oxidationsstufe 3+ auf. Die Koordinationszahl solcher Verbindungen variiert, aber im Allgemeinen ist Al3 + entweder sechs- oder vierkoordinat. Fast alle Verbindungen des Aluminiums(III) sind farblos.
Häufigste Aluminiumlegierung
Im Allgemeinen werden Aluminiumlegierungen der Serie 6000 mit Magnesium und Silizium legiert. Legierung 6061 ist eine der weit verbreitetsten Legierungen in der 6000 Reihe. Es hat gute mechanische Eigenschaften, es ist leicht zu bearbeiten, es ist schweißbar und kann ausscheidungsgehärtet werden, jedoch nicht bis zu den hohen Festigkeiten, die 2000 und 7000 erreichen können. Es hat eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und eine sehr gute Schweißbarkeit, obwohl die Festigkeit in der Schweißzone verringert ist. Die mechanischen Eigenschaften von 6061 hängen groß vom Temperament oder von der Wärmebehandlung, des Materials ab. Im Vergleich zu Legierung 2024 wird 6061 leicht bearbeitet und bleibt beständig gegen Korrosion, selbst wenn die Oberfläche abgerieben wird.
Ein Proton ist eines der subatomaren Teilchen, aus denen Materie besteht. Im Universum sind Protonen reichlich vorhanden und machen etwa die Hälfte aller sichtbaren Materie aus. Es hat eine positive elektrische Ladung (+1e) und eine Ruhemasse von 1, 67262 × 10-27 kg (938, 272 MeV / c2) — geringfügig leichter als die des Neutrons, aber fast 1836-mal größer als die des Elektrons. Das Proton hat einen mittleren quadratischen Radius von etwa 0,87 × 10-15 m oder 0,87 fm und ist ein Spin– ½-Fermion.
Die Protonen existieren in den Kernen typischer Atome zusammen mit ihren neutralen Gegenstücken, den Neutronen. Neutronen und Protonen, allgemein Nukleonen genannt, sind im Atomkern miteinander verbunden, wo sie 99,9 Prozent der Atommasse ausmachen. Forschungen in der Hochenergieteilchenphysik im 20.Jahrhundert ergaben, dass weder das Neutron noch das Proton der kleinste Baustein der Materie sind.
Ein Neutron ist eines der subatomaren Teilchen, aus denen Materie besteht. Im Universum sind Neutronen reichlich vorhanden und machen mehr als die Hälfte aller sichtbaren Materie aus. Es hat keine elektrische Ladung und eine Ruhemasse von 1, 67493 × 10-27 kg — geringfügig größer als die des Protons, aber fast 1839-mal größer als die des Elektrons. Das Neutron hat einen mittleren quadratischen Radius von etwa 0,8 × 10-15 m oder 0,8 fm und ist ein Spin-½-Fermion.
Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich durch die Kernkraft gegenseitig anziehen, während sich Protonen aufgrund ihrer positiven Ladung über die elektrische Kraft gegenseitig abstoßen. Diese beiden Kräfte konkurrieren, was zu einer unterschiedlichen Stabilität der Kerne führt. Es gibt nur bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen, die stabile Kerne bilden.
Neutronen stabilisieren den Kern, weil sie sich gegenseitig und Protonen anziehen , was dazu beiträgt, die elektrische Abstoßung zwischen Protonen auszugleichen. Infolgedessen wird mit zunehmender Anzahl von Protonen ein zunehmendes Verhältnis von Neutronen zu Protonen benötigt, um einen stabilen Kern zu bilden. Wenn es zu viele oder zu wenige Neutronen für eine bestimmte Anzahl von Protonen gibt, Der resultierende Kern ist nicht stabil und es unterliegt radioaktivem Zerfall. Instabile Isotope zerfallen durch verschiedene radioaktive Zerfallswege, am häufigsten Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall, oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Arten des Zerfalls, wie spontane Spaltung oder Neutronenemission sind bekannt. Es sollte beachtet werden, dass alle diese Zerfallswege von der anschließenden Emission von Gammastrahlung begleitet sein können. Reine Alpha- oder Beta-Zerfälle sind sehr selten.
Das Periodensystem ist eine tabellarische Darstellung der chemischen Elemente, die auf der Grundlage ihrer Ordnungszahlen, Elektronenkonfigurationen und chemischen Eigenschaften organisiert sind. Die Elektronenkonfiguration ist die Verteilung der Elektronen eines Atoms oder Moleküls (oder einer anderen physikalischen Struktur) in Atom- oder Molekülorbitalen. Die Kenntnis der Elektronenkonfiguration verschiedener Atome ist nützlich, um die Struktur des Periodensystems der Elemente zu verstehen.
Jeder Feststoff, jede Flüssigkeit, jedes Gas und jedes Plasma besteht aus neutralen oder ionisierten Atomen. Die chemischen Eigenschaften des Atoms werden durch die Anzahl der Protonen bestimmt, und zwar durch die Anzahl und Anordnung der Elektronen. Die Konfiguration dieser Elektronen folgt aus den Prinzipien der Quantenmechanik. Die Anzahl der Elektronen in den Elektronenschalen jedes Elements, insbesondere in der äußersten Valenzschale, ist der Hauptfaktor für die Bestimmung seines chemischen Bindungsverhaltens.
Es ist das Pauli-Ausschlussprinzip, das erfordert, dass die Elektronen in einem Atom unterschiedliche Energieniveaus einnehmen, anstatt dass sie alle im Grundzustand kondensieren. Die Anordnung der Elektronen im Grundzustand von Multielektronenatomen beginnt mit dem niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) und bewegt sich von dort schrittweise die Energieskala hinauf, bis jedem der Elektronen des Atoms ein eindeutiger Satz von Quantenzahlen zugewiesen wurde. Diese Tatsache hat wichtige Auswirkungen auf den Aufbau des Periodensystems der Elemente.
In den ersten beiden Spalten auf der linken Seite des Periodensystems werden die s-Unterschalen belegt. Aus diesem Grund werden die ersten beiden Zeilen des Periodensystems mit dem s-Block bezeichnet. In ähnlicher Weise sind der p-Block die am weitesten rechts liegenden sechs Spalten des Periodensystems, der d-Block die mittleren 10 Spalten des Periodensystems, während der f-Block der 14-Säulen-Abschnitt ist, der normalerweise als vom Hauptkörper des Periodensystems getrennt dargestellt wird. Es könnte Teil des Hauptkörpers sein, aber dann wäre das Periodensystem ziemlich lang und umständlich.
Für Atome mit vielen Elektronen kann diese Notation langwierig werden und so wird eine abgekürzte Notation verwendet. Die Elektronenkonfiguration kann als Kernelektronen, äquivalent zum Edelgas der vorhergehenden Periode, und die Valenzelektronen (z. B. 6s2 für Barium) visualisiert werden.
Oxidationsstufen
Oxidationsstufen werden typischerweise durch ganze Zahlen dargestellt, die positiv, null oder negativ sein können. Die meisten Elemente haben mehr als eine mögliche Oxidationsstufe. Zum Beispiel hat Kohlenstoff neun mögliche ganzzahlige Oxidationsstufen von -4 bis +4.
Die aktuelle IUPAC-Goldbuchdefinition der Oxidationsstufe lautet:
„Oxidationsstufe eines Atoms ist die Ladung dieses Atoms nach ionischer Annäherung seiner heteronuklearen Bindungen …“
und der Begriff Oxidationszahl ist fast synonym. Ein Element, das nicht mit anderen Elementen kombiniert wird, hat eine Oxidationsstufe von 0. Oxidationsstufe 0 tritt für alle Elemente auf – es ist einfach das Element in seiner elementaren Form. Ein Atom eines Elements in einer Verbindung hat eine positive Oxidationsstufe, wenn Elektronen entfernt wurden. In ähnlicher Weise führt das Hinzufügen von Elektronen zu einer negativen Oxidationsstufe. Wir haben auch zwischen den möglichen und gemeinsamen Oxidationsstufen jedes Elements unterschieden. Zum Beispiel hat Silizium neun mögliche ganzzahlige Oxidationsstufen von -4 bis +4, aber nur -4, 0 und +4 sind gemeinsame Oxidationsstufen.
Zusammenfassung
| Element | Aluminium |
| Anzahl der Protonen | 13 |
| Anzahl der Neutronen (typische Isotope) | 27 |
| Anzahl der Elektronen | 13 |
| Elektronenkonfiguration | 3s2 3p1 |
| Oxidationsstufen | -2; -1; +1; +2; +3 |
