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Der Aluminiumgehalt in Meerwasser
variiert sehr stark von etwa 0,013-5 ppb. Der atlantische Ozean enthält
außerdem wesentlich mehr Aluminium als der Pazifik. Flusswasser hat im
Allgemeinen eine Aluminiumkonzentration von 400 ppb.
In natürlichen Gewässern gelöst kommt Aluminium unter sauren Bedingungen vor
allem als Al3+(aq) und unter neutralen oder alkalischen
Bedingungen vor allem als Al(OH)4- (aq) vor.
Außerdem gibt es noch die Formen AlOH2+(aq) und
Al(OH)3(aq).
Aluminiummetall bildet an seiner Oberfläche schnell eine mikrometerdicke
Schicht Aluminiumoxid, die vor der Reaktion mit Wasser schützt. Bei
Zerstörung dieses Films treten Reaktionen auf, bei denen sich
hochentzündliches Wasserstoffgas bildet.
Aluminiumchlorid ist in Wasser hydrolysierend und bildet an der Luft
Nebel, weil bei der Reaktion mit Wasserdampf Salzsäuretropfen entstehen.
Auch Aluminiumionen anderer Verbindungen gehen eine Hydrolyse ein, die
fortschreiten kann, bis das Kation keine Ladung mehr hat, und
schließlich in der Bildung von wiederum unlöslichem Hydroxid endet. Der
Beginn so einer Hydrolyse sieht aus wie folgt:
Al3+(aq) + 6H2O(l) <-> [Al(H2O)6]3+(aq)
etc.
Die in der Natur hauptsächlich vorkommenden Aluminiumverbindungen
Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid sind in Wasser unlöslich.
Aluminiumoxid kann im Wasser übrigens dennoch sowohl als Base (2Al2O3(s)
+ 6H+(aq) -> Al3+(aq) + 3H2O(l)), als
auch als Säure (2Al2O3(s) + 2OH-(aq) ->
AlO2-(aq) + H2O (l)) fungieren.
Ein Beispiel für eine wasserlösliche Aluminiumverbindung ist
Aluminiumsulfat, welches eine Wasserlöslichkeit von 370 g/L besitzt.
Löslichkeit
und wie diese beeinflusst werden kann
Aluminium wird in der Natur bei der Verwitterung von Mineralien, wie
etwa den Feldspaten Orthoklas, Anorthit oder Albit, Glimmer und Bauxit
frei und gelangt so unter anderem in Tonmineralien. Auch in einigen
Edelsteinen, wie Rubin oder Saphir, unreinen Formen von Korund, einem
der härtesten bekannten Stoffe, kommt dieses Element vor.
Die Aluminiumproduktion wird inzwischen nur noch übertroffen durch die
Herstellung von Eisen und Stahl. Zudem wird ein großer Teil des
Aluminiums recycelt, was gut möglich ist. Es wird beispielsweise für
Fensterrahmen, Türgriffe, Autokarosserien, Flugzeugteile (das Verhältnis
von Gewicht und Stärke ist sehr günstig), Motoren, Kabel oder Kanister
verwendet. Da es ein guter Reflektor ist, wird Aluminium etwa für Sonnenspiegel
und wärmereflektierende Decken genutzt. Es wird so zu Blechen, Drähten
und Legierungen verarbeitet.
Aluminiumsalze werden oft Wasser hinzugefügt, um Fällungsreaktionen
auszulösen und so beispielsweise Phosphat zu entfernen. Deswegen ist es
in Klärschlamm mit einem pH-Wert von 6,8-7,3 als Hydroxid zu finden.
Alaun wird als Dünger auf Teeplantagen verwendet. Andere
Aluminiumverbindungen sind bei der Papierproduktion von Nutzen, und
Legierungen wie Duraluminium werden eingesetzt, da sie viel stärker sind
als Aluminium selbst. Aluminiumschaum wird in Verkehrstunneln als
Schallschutz verwendet.
Weiter Beispiele für die Verwendung von Aluminiumverbindungen ist die
Nutzung von Aluminiumchlorid für Crackingprozesse, von Aluminiumoxid als
Schleifmittel oder zur Herstellung feuerfester Geräte, von
Aluminiumsulfat als Ausgangsprodukt für Papierleime, Gerbstoffe, Beizen
und Füllstoff für synthetisches Gummi und von Aluminiumwasserstoff als
Reduktions- und Hydrierungsmittel.
Aluminium ist auch als Aerosol, vor allem in den oberen Lagen der Ozeane,
im Wasser zu finden. Dies geschieht, indem aluminiumhaltiger Staub ins
Wasser gelangt. Die Partikel werden hauptsächlich vom Land über
atmosphärischen Transport oder direkten Abfluss ins Wasser geleitet.
Im Allgemeinen steigt der gesamte Aluminiumgehalt mit der Tiefe des
Wassers.
Aluminium hat allerlei negative Effekte, sowohl auf das Leben an Land,
als im Wasser. Die normale Aluminiumkonzentration im Bodenwasser liegt
bei etwa 0,4 ppm, da es im Boden vor allem als unlösliches Hydroxid
vorhanden ist. Bei einem pH-Wert von unter 4,5 nimmt die Löslichkeit
stark zu, wobei die Aluminiumkonzentration auf über 5 ppm steigen kann.
Dies ist wiederum auch bei sehr hohen pH-Werten der Fall.
Gelöste Al3+-Ionen sind giftig für Pflanzen, da sie
Wurzelschäden verursachen und die Phosphataufnahme verringern. Sie gehen,
wie beschrieben, in Lösung, wenn der Boden zu sauer ist. Daher besteht
auch ein Zusammenhang zwischen beispielsweise saurem Regen und der
Aluminiumkonzentration im Boden. Bei zunehmender Nitratablagerung nimmt
der Aluminiumgehalt zu, wohingegen er bei größerer Oberfläche Heide und
Landwirtschaft abnimmt. Bei mehr Waldoberfläche nimmt er wiederum zu.
Obwohl Aluminium für Pflanzen nicht essentiell ist, hat es bei manchen
Sorten einen positiven Effekt auf das Wachstum. Zudem wird es von
allen Pflanzen aufgenommen, weil es im Boden weit verbreitet ist. Gräser
können Aluminium sogar bis zu einer Konzentration von mehr als 1% der
Trockenmasse akkumulieren.
Durch sauren Regen wird, durch die Lösung von Mineralien im Boden, auch
der Aluminiumgehalt in Flüssen und Seen erhöht, da diese auch ins Wasser
gespült werden.
Obwohl geringe Aluminiumkonzentrationen ein natürlicher Bestandteil von
Gewässern sind, ist bekannt, dass beispielsweise Aluminium aus
Bergbauabfällen schädliche Auswirkungen auf alle aquatischen Biozönosen
hat. Es gilt in sauren, ungepufferten Gewässern als fischtoxisch schon
ab einem Gehalt von 0,1 mg/L. Bei gleichzeitigem Elektrolytmangel wird
die Kiemenpermeabilität beeinflusst, und die oberflächlichen
Kiemenzellen werden geschädigt. Die Toxizität von Aluminium für Fische
ist vor allem bei pH-Werten von 5,0-5,5 vorhanden. Die Aluminiumionen
lagern sich auf den Kiemen ab, verstopfen diese mit Schleim und
behindern auf diese Weise die Atmung. Sinkt der pH-Wert stark, so nehmen
die Aluminiumionen Einfluss auf die Regulation der Kiemendurchlässigkeit
durch Calcium, was außerdem einen erhöhten Natriumverlust zur Folge hat.
Calcium und Aluminium wirken oft antagonistisch, doch auch durch Calcium
kann ein ernsthafter Verlust von Elektrolyten nicht verhindert werden,
der vor allem Jungtiere betrifft. Eine Aluminiumkonzentration von 1,5
mg/L hat sich als fatal herausgestellt für die Forelle und auch das
Wachstum von in Süßwasser lebenden Knochenfischen wird durch das
Vorhandensein dieses Elements beeinträchtigt.
Phytoplankton enthält circa 40-400 ppm Aluminium (trockenmassebezogen),
was auf einen Biokonzentrationsfaktor von etwa 104-105
gegenüber Meerwasser schließen lässt.
Was Landlebewesen angeht, so enthalten Mückenlarven etwa 7-33 ppm und
Springschwänze 36-424 ppm Aluminium, auf die Trockenmasse bezogen.
pH-Wert und Aluminiumgehalt beeinflussen gemeinsam die Sterblichkeit von
Larven.
Was die Toxizität von Aluminiumverbindungen angeht, so sind einige LD50-Werte,
die die Dosis eines Stoffes angeben, bei der die Hälfte einer
Population stirbt, für Ratten bekannt. Bei der oralen Einnahme von
Aluminiumchlorid liegt dieser Wert bei 420 mg/kg und bei
Aluminiumnitrat-Nonahydrat bei 3671 mg/kg. Die toxische Wirkung
resultiert unter anderem aus der Hemmung verschiedener Enzyme.
Natürlicherweise existiert nur ein einziges Aluminiumisotop, welches
nicht radioaktiv ist. Des weiteren gibt es noch acht instabile Isotope.
Die Gesamtkonzentration an Aluminium im menschlichen Körper liegt bei
etwa 9 ppm (Trockenmasse). In einzelnen Organen, vor allem Milz, Nieren
und Lunge, können sogar Konzentrationen bis zu 100 ppm (Feuchtmasse)
auftreten. Täglich nimmt der Mensch etwa 5 mg Aluminium ein, wovon
jedoch nur ein geringer Teil absorbiert wird, was seine akute Toxizität
sehr gering hält. Hierbei handelt es sich um etwa 10 μg pro Tag. In
dieser üblichen Menge gilt Aluminium als für den Menschen ungefährlich.
Vermutlich kann Silizium die Aluminiumaufnahme vermindern, wurde das
Element jedoch erst einmal aufgenommen, kann der Körper es nur schwierig
wieder entfernen.
Größere Mengen Aluminium haben hingegen sehr wohl Auswirkungen auf die
Gesundheit. So werden sie in Zusammenhang gebracht mit neuronalen
Schädigungen. Vor allem Menschen mit Nierenschäden sind anfällig für die
Giftigkeit von Aluminium. Auch ein Allergierisiko ist vorhanden.
Aluminium wirkt vermutlich weder mutagen noch krebserregend, es wird
jedoch ein Zusammenhang mit einem erhöhten Alzheimerrisiko vermutet. Da
die Aluminiumkonzentration im Gehirn mit dem Alter jedoch immer ansteigt,
ist auch dies nicht gewiss. Auch das Risiko auf Rachitis bei erhöhten
Aluminiumkonzentrationen im Körper scheint vorhanden zu sein.
Die Hauptbelastung mit Aluminium erfolgt über die Nahrung und das
Trinkwasser. Normen, die für letzteres üblich sind, liegen zwischen 50
und 200 μg/L. Aluminiumstaub kann Funktionsstörungen der Lunge
verursachen.
Aluminiummangelerkrankungen sind nicht bekannt.
Des weiteren kann Aluminiumchlorid Verätzungen, Schleimhautirritationen,
Schweißausbrüche, Atemnot oder Husten auslösen. Alaun hat eine
blutstillende Wirkung.
Aluminium kann mit Hilfe von
Ionenaustauschern oder
Koagulation und/oder Elektroflotation
aus dem Wasser entfernt werden.
Auch Aluminiumsalze selbst werden in de Wasserbehandlung gerne für
Fällungsreaktionen genutzt. So bewirken etwa Aluminiumsulfat und Kalk,
wenn man sie zu Schmutzwasser hinzugibt, dass sich Aluminiumhydroxid
bildet, welches Verunreinigungen besinken lässt und selbst so unlöslich
ist, dass nur etwa 0,05 ppm gelösten Aluminiums zurückbleiben. Dies
liegt unter der Grenze der Weltgesundheitsorganisation (WHO) von maximal
0,2 ppm Aluminium in Trinkwasser.
Die Trinkwassernormen von WHO, EU und Deutschland geben alle eine
maximale Aluminiumkonzentration von 0,2 mg/L vor.
Quellenangaben
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