Aluminiumverbindungen

Aluminiumverbindungen sind die chemischen Verbindungen des metallischen Elements Aluminium. Viele Aluminiumverbindungen kommen als Minerale natürlich vor. Aluminium ist nach Silicium und Sauerstoff das dritthäufigste und damit das häufigste metallische Element der Erdkruste; dementsprechend treten auch Aluminiumverbindungen, z. B. die Alumosilicate, häufig auf.

In fast allen seiner Verbindungen ist Aluminium dreiwertig und der elektropositive Partner. Alle natürlich vorkommenden Aluminiumverbindungen und alle käuflichen Aluminiumverbindungen sind solche mit dem Oxidationszustand +3. Im dreifach positiv geladenen Aluminiumion Al³⁺ hat das Ion die Elektronenkonfiguration des Neons mit 10 Elektronen. Der Ionenradius ist sehr klein – Al³⁺ kann zu den kleinsten Ionen überhaupt gezählt werden,[1] da die Verbindungen des noch etwas kleineren B³⁺ und der noch höher geladene Ionen (wie Si⁴⁺ oder Ti⁴⁺) eher kovalent als ionisch sind. Al³⁺ gehört im HSAB-Konzept zu den harten Lewis-Säuren und geht demnach besonders stabile Verbindungen mit den harten Lewis-Basen Fluorid F⁻ und Oxid O²⁻ ein. In vielen Verbindungen hat Aluminium(III) entweder die Koordinationszahl vier oder sechs. Bei der Koordinationszahl sechs tritt oft die oktaedrische Koordination auf, bei der Koordinationszahl vier die tetraedrische, z. B. in den Alumosilicaten.

Verbindungen des dreiwertigen Aluminiums sind zumeist farblos. Zu den Ausnahmen zählen auch Verbindungen, die zum Nachweis des Aluminiumions genutzt werden: das cobalthaltige Thénards Blau, die fluoreszierende Verbindung mit Morin und der Farblacke des Alizarin S und des Aluminons. Die Farblosigkeit der meisten Aluminiumverbindungen kann mit der abgeschlossenen Neon-Elektronenschale des Al³⁺ erklärt werden, die sich kaum an Elektronenübergängen beteiligt.

Verbindungen des dreiwertigen Aluminiums

Übersicht über wichtige binäre Verbindungen

binäre Verbindungen des Aluminiums
Wasserstoff	Kohlenstoffgruppe Gruppe 14 (IVA)	Stickstoffgruppe Gruppe 15 (VA)	Chalkogene Gruppe 16 (VIA)	Halogene Gruppe 17 (VIIA)
Aluminiumwasserstoff (Alan)
	Aluminiumcarbid Al₄C₃	Aluminiumnitrid AlN	Aluminiumoxid Al₂O₃	Aluminiumfluorid AlF₃
		Aluminiumphosphid AlP	Aluminiumsulfid Al₂S₃	Aluminiumchlorid AlCl₃
		Aluminiumarsenid AlAs	Aluminiumselenid Al₂Se₃	Aluminiumbromid AlBr₃
		Aluminiumantimonid AlSb	Aluminiumtellurid Al₂Te₃	Aluminiumiodid AlI₃

Oxide, Hydroxide, Silicate

Das Aluminiumoxid Al₂O₃ kommt in verschiedenen Formen natürlich vor: α-Al₂O₃ als Korund oder Saphir und – durch Chrom rot gefärbt – als Rubin. γ-Al₂O₃ wird Tonerde genannt. Auch das Oxid-Hydroxid AlO(OH) kommt häufig als Böhmit γ-AlOOH oder seltener als Diaspor α-AlOOH natürlich vor, das Aluminiumhydroxid Al(OH)₃ als Bayerit, Gibbsit (Hydrargillit) γ-Al(OH)₃ und Nordstrandit. Für die Aluminiumgewinnung wird vor allem vom Aluminiumerz Bauxit ausgegangen, das Gibbsit, Böhmit und Diaspor enthält. Im Kaolinit Al₂(OH)₄[Si₂O₅] treten abwechselnd Silikatschichten [Si₂O₅]_x²⁻ mit tetraedrisch koordiniertem Si(IV) und Oktaederschichten mit sechsfach und oktaedrisch koordiniertem Al³⁺ auf.[2] Im häufig vorkommenden Schichtsilikat Pyrophyllit Al₂(OH)₂[Si₂O₅]₂ ist die Al-Oktaederschicht auf beiden Seiten mit Tetraederschichten verknüpft.

In Alumosilikaten, z. B. in Glimmern (z. B. Muskovit K Al₂ [AlSi₃O₁₀(OH)₂]), Sillimanit, Mullit, Feldspäten (z. B. Kalifeldspat K[AlSi₃O₈]) und Zeolithen ist Silicium teilweise durch Al³⁺ ersetzt.[3] Wie das Silicium ist dabei auch das Aluminiumion tetraedrisch von Oxidionen umgeben.

Halogenide und verwandte Verbindungen

Struktur der Aluminiumhalogenid-Dimere Al₂Cl₆(l,g), Al₂Br₆ und Al₂I₆

Im Aluminiumfluorid bilden die Fluoridionen verzerrte F6-Oktaeder um das Aluminiumion, wobei jedes Fluoridion mit zwei Aluminiumionen verknüpft ist, so dass eine dreidimensional vernetzte Struktur aufgebaut wird. Aluminiumchlorid bildet dagegen eine Schichtstruktur. Es sublimiert bei 180 °C und liegt in der Gasphase als Dimer Cl₂AlCl₂AlCl₂ vor. Im Aluminiumbromid und im Aluminiumiodid treten solche dimere Moleküle Al₂Br₆ und Al₂I₆ mit der Koordinationszahl vier auch im festen Zustand auf.

Wasserfreies Aluminiumchlorid dient als Katalysator bei der Friedel-Crafts-Alkylierung und der Friedel-Crafts-Acylierung.

Halogenidokomplexe

Eine technisch wichtige Komplexverbindung ist das Natriumhexafluoroaluminat Na₃AlF₆, das bei der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung im Hall-Héroult-Prozess als Elektrolytbestandteil dient, das aber auch als seltenes Mineral Kryolith in der Natur vorkommt.

Weitere Aluminium(III)-salze

Das Aluminiumsulfat Al₂(SO₄)₃, das in der Natur als eher seltenes Mineral Alunogen vorkommt, wird in der Wasseraufbereitung als Flockungsmittel genutzt. Zu den verschiedenen Aluminiumphosphaten zählt das Aluminiumorthophosphat AlPO₄ und das Aluminiummetaphosphat Al(PO₃)₃. Das Aluminiumstearat wird als Verdickungsmittel genutzt.

Sucralfat, das Aluminium-Salz von Saccharosesulfat, dient als Medikament, z. B. zur Behandlung von Zwölffingerdarmgeschwüren.

Aluminiumhydride

Das auch Alan genannten Aluminiumhydrid (AlH₃)_x hat eine polymere Struktur und ist kaum löslich. Es zerfällt oberhalb von 100 °C in die Elemente. Als Reduktionsmittel, vor allem in der organischen Chemie, sind Lithiumaluminiumhydrid LiAlH₄ (Lithiumalanat) und Natriumaluminiumhydrid NaAlH₄ (Natriumalanat) von Bedeutung. Mit ihnen lassen sich Carbonylverbindungen reduzieren. Von ihnen leiten sich substituierte Hydride ab, Lithiumtriethoxyaluminiumhydrid LiAl(OEt)₃H wird z. B. als mildes Reduktionsmittel genutzt.[4]

Aluminiumorganische Verbindungen

Unter den aluminiumorganischen Verbindungen finden sich wichtige Katalysatoren, z. B. das Tebbe-Reagenz, das Methylaluminoxan und die Ziegler-Natta-Katalysatoren.

Aluminiumcarbid und Aluminiumnitrid

Aluminiumcarbid Al₄C₃ reagiert mit Wasser unter Bildung von Methan. Das einzige Nitrid des Aluminiums ist das Aluminiumnitrid AlN; es lässt sich aus den Elementen darstellen.

Aluminiumverbindungen der Oxidationsstufen +1 und +2

Aluminium(II)-Verbindungen

Bei hohen Temperaturen kann sich aus Aluminium und Al₂O₃ das Aluminium(II)-oxid AlO bilden.

Aluminium(I)-Verbindungen

Reduziert man Dämpfe der Aluminium(III)-halogenide AlF₃, AlCl₃ und AlBr₃ bei hohen Temperaturen mit Aluminium, können die Aluminium(I)-halogenide Aluminium(I)-fluorid AlF, Aluminium(I)-chlorid AlCl, Aluminium(I)-Bromid AlBr und Aluminium(I)-Iodid AlI erhalten werden. Sie entstehen auch bei 1000 °C aus flüssigem Aluminium und Halogenwasserstoff. Vom Aluminium(I)-Iodid AlI existiert ein Addukt mit Triethylamin, Al₄I₄(NEt₃)₄. Bei hohen Temperaturen kann auch Aluminium(I)-oxid erhalten werden.

Legierungen des Aluminiums

Einige Legierungen des Aluminiums haben eine definierte Stöchiometrie, z. B. die des Lithiums mit der Zusammensetzung LiAl, und können daher als intermetallische Verbindungen aufgefasst werden. Gegenüber Lithium ist Al der elektronegative Partner.

Einzelnachweise

Ionic Radii (in Picometers) of the Most Common Oxidation States
A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 965–966.
A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 969.
https://www.acros.com/myBrochure/brochure_aluminum_v5.pdf

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[1] Ionic Radii (in Picometers) of the Most Common Oxidation States

[2] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 965–966.

[3] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 969.

[4] ttps://www.acros.com/myBrochure/brochure_aluminum_v5.pdf