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アルミニウムとは?

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B

Al

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13Al
周期表



外見



アルミニウムのスペクトル線
一般特性
名称, 記号, 番号 アルミニウム, Al, 13
分類 貧金属
, 周期, ブロック 13, 3, p
原子量 26.9815386(13)
電子配置 [Ne] 3s 3p
電子殻 2, 8, 3(画像)
物理特性
固体
密度(室温付近) 2.70 g/cm
融点での液体密度 2.375 g/cm
融点 933.47 K, 660.32 °C, 1220.58 °F
沸点 2792 K, 2519 °C, 4566 °F
融解熱 10.71 kJ/mol
蒸発熱 294.0 kJ/mol
熱容量 (25 °C) 24.200 J/(mol・K)
蒸気圧
圧力 (Pa) | 1 | 10 | 100 | 1 k | 10 k | 100 k
温度 (K) | 1482 | 1632 | 1817 | 2054 | 2364 | 2790

原子特性
酸化数 3, 2, 1
(両性酸化物)
電気陰性度 1.61(ポーリングの値)
イオン化エネルギー 第1: 577.5 kJ/mol
第2: 1816.7 kJ/mol
第3: 2744.8 kJ/mol
原子半径 143 pm
共有結合半径 121±4 pm
ファンデルワールス半径 184 pm
その他
結晶構造 面心立方格子構造
磁性 常磁性
電気抵抗率 (20 °C) 28.2 nΩ・m
熱伝導率 (300 K) 237 W/(m・K)
熱膨張率 (25 °C) 23.1 µm/(m・K)
音の伝わる速さ
(微細ロッド) (r.t.) (rolled) 5,000 m/s
ヤング率 70 GPa
剛性率 26 GPa
体積弾性率 76 GPa
ポアソン比 0.35
モース硬度 2.75
ビッカース硬度 167 MPa
ブリネル硬度 245 MPa
CAS登録番号 7429-90-5
主な同位体
詳細はアルミニウムの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP
Al | trace | 7.17×10 y | β | 1.17 | Mg
ε | - | Mg
γ | 1.8086 | Al | 100 % | 中性子14個で安定


アルミニウム(: aluminium [ˌæljʊˈmɪniəm]aluminum, [əˈljuːmɪnəm])は、原子番号13の元素である。軽銀(けいぎん)、礬素(ばんそ)ともいう。元素記号Al原子量26.98。

名称

軽銀(けいぎん)、礬素(ばんそ)とも呼ばれる。軽銀は、軽いことと、外見が銀に似ていることにちなむ。礬素は、ミョウバン(明礬)にちなむ。

アルミニウムは、化合物のミョウバン(明礬、: alum [ˈæləm])にちなむ。

アルミと略すことも多い。

単体の性質

単体は銀白色の金属で、常温常圧で高い熱伝導性電気伝導性を持ち、加工性がよく、実用金属としては軽量であるため、広く用いられている。熱力学的に酸化されやすい金属ではあるが、空気中では表面にできた酸化皮膜により内部が保護されるため高い耐食性を持つ。

単体は常温常圧では良好な熱伝導性電気伝導性を持つ。融点660.32 ℃、沸点2,519 ℃(別の報告もある)。密度は2.7 g/cmで、金属としては軽量である。常温では面心立方格子構造がもっとも安定となる。アルカリに侵されやすいが、空気中では表面酸化アルミニウムAl2O3の膜ができ、内部は侵されにくくなる。この保護現象は酸化物イオンOのイオン半径(124 pm)とアルミニウムの原子半径(143 pm)が近く、アルミニウムイオンAl(68 pm)が酸化物の表面構造の隙間にすっぽり収まることが深く関係している。また濃硝酸に対しても表面に酸化被膜を生じ反応の進行は停止する(不動態)。陽極酸化による酸化被膜はアルマイトとも呼ばれる。

化学的性質

アルミニウムは両性金属で、にも塩基にも溶解する。塩基性の水溶液では、以下の反応によって還元されて水素を発生する。

6OH-+2Al+6H2O6OH-+2Al(OH)3+3H2{\displaystyle {\ce {6OH^- + 2Al + 6H2O -> 6OH^- + 2Al(OH)3 + 3H2}}}

ただし、生成する水酸化アルミニウム溶解度積([Al][OH])は1.92×10であり、ほとんどに溶解しない。したがって、薄い塩基では皮膜が発生して反応が止まる。しかし、強塩基条件では水酸化アルミニウムが次式によって水溶性のアルミン酸を形成するため、反応は表面のみでなく内部まで進行する。

OH-+Al(OH)3+2H2O[Al(OH)4(H2O)2]-{\displaystyle {\ce {OH^- + Al(OH)3 + 2H2O -> [Al(OH)4 (H2O)2]^-}}}

したがってアルミニウムと強塩基水溶液との反応はこれらの式を合わせて以下のようになる。

2Al+10H2O+2OH-2[Al(OH)4(H2O)2]-+3H2{\displaystyle {\ce {2Al + 10H2O + 2OH^- -> 2[Al(OH)4(H2O)2]^- + 3H2}}}

機械的性質

アルミニウムはの約35パーセントの比重であり、密度は2.70 g/cmと低く金属の中でも軽量な方に属し、展性に富む。純アルミニウムは強度は低いが、ジュラルミンなどのアルミニウム合金はその軽量さ、加工のしやすさを活かしつつ強度を飛躍的に改善しているためさまざまな製品に採用され、産業界で幅広く利用されている(「#用途」を参照)。

アルミニウム合金は軟などと違い、応力がかかったときの変形に降伏現象を示さない。それは侵入型固溶体である炭素によるコットレル雰囲気を持つ合金とは違い、アルミニウム合金には置換型固溶体合金が多いことに起因する。よって、構造設計などの計算を行う場合には、材料力学では降伏点の代わりに「0.2 %耐力」が代わりに用いられる。「0.2 %耐力」とは、応力をかけた際の永久ひずみが0.2パーセントになるときの応力である。こういった特性のために、アルミは押し出し成形摩擦攪拌接合に向いている。

生産

アルミニウムの原料となるボーキサイト。赤い色をしているのは、中に含まれている分のためである

アルミニウムは、鉱石のボーキサイトを原料としてホール・エルー法で生産されるのが一般的である。ボーキサイトを水酸化ナトリウムで処理し、アルミナ(酸化アルミニウム)を取り出したあと、氷晶石(ヘキサフルオロアルミン酸ナトリウム、Na3AlF6)とともに溶融し電気分解を行う。

したがって、アルミニウムを作るには大量の電力が消費されることから「電気の缶詰」と呼ばれることもある。ちなみに、ホール・エルー法での純度は約98パーセントであるため、より高純度なアルミニウムを得るには三層電解法を使う。

アルミニウム1トンを生産するために消費される、材料および電力は以下の通りである。なお、1トンあたりの電力使用量はで1,200 kWh亜鉛で4,000 kWhであり、アルミニウムの精錬には銅の約11倍、亜鉛の約3.5倍の電力が必要となる計算になる。

電力価格が高いためコスト競争に弱い日本国内のアルミニウム精錬事業は、オイルショック後採算困難になり、大部分は国外に拠点が移った。日本国内で原石(ボーキサイト)から製品まで一貫生産を行っていたのは、自前の水力発電所により自家発電を行っているため、低価格の電力が入手可能な日本軽金属(蒲原製造所・静岡市清水区)のみであったが、設備の老朽化と採算性の理由で2014年3月で閉鎖となった。昭和電工社長の鈴木治雄は、座談会において「日本で製錬を行うのは、北海道サトウキビを作るようなもの」と述べており、いかに日本で精錬した場合のコストが高いかを比喩的に表現している。

ボーキサイトからアルミニウムを精練するのに比し、アルミニウム屑からリサイクルして地金を作る方がコストやエネルギーが少なく済む。そのため、回収された空き缶などをリサイクル原料とし、電気炉などを用いる形態で再生するケースは徐々に増えている。

アルミニウム屑を溶解するにあたっても、融点が約660 ℃となどの主要金属の中では低い方で、少ないエネルギーで行うことができる。ボーキサイトからアルミニウム地金を生産するのに比べ、アルミ缶からアルミニウム地金を生産するのはわずか3パーセントの電力消費で済む。

こうした利点があるため、アルミニウムは日本国内においてもっともリサイクル化が進んでいる金属であり、アルミ缶のリサイクル率は94.7パーセント(平成24年度)にも達する。こうしたことから、アルミニウムはしばしば「リサイクルの優等生」や「リサイクルの王様」と表現される。

【順位】
【国】
アルミニウム
生産量
(万トン)
— |  世界合計 | 4930
1 |  中国 | 2330
2 |  ロシア | 350
3 |  カナダ | 294
4 |  アラブ首長国連邦 | 240
5 |  インド | 210
6 |  アメリカ合衆国 | 172
7 |  オーストラリア | 168
8 | ノルウェー | 120
9 |  ブラジル | 96
10 |  バーレーン | 93
11 |  アイスランド | 81
12 | 南アフリカ共和国 | 73.5
13 |  カタール | 61
14 |  モザンビーク | 56
15 |  サウジアラビア | 50
15 |  ドイツ | 50
16 |  アルゼンチン | 42.5
— |  その他 | 444

アルミニウムの生産量は2014年時点で4,930万トンに及ぶ。中国が約40パーセントを生産し、これにロシアカナダを加えた3か国で生産量の過半数を占める。中国、ロシアはボーキサイト原産国でもある。ほかのボーキサイト原産国であるアメリカオーストラリアブラジルインドも世界生産量のシェア10位以内に含まれる。一方で、ボーキサイトの世界4位の生産国であるギニアや同第5位のジャマイカでまったくアルミニウムが生産されていないように、ボーキサイトの生産とアルミニウムの精練工場との間にはそれほど強い関連性はない。

これに対し、電力供給とアルミニウム精錬工場との間には強い相関性がある。アルミニウムは精錬に非常に多くの電力を消費するため、ボーキサイトからの精練は電力の安い国で行われる傾向が強い。アラブ首長国連邦カタールは豊富な石油を元にした火力発電で、またカナダノルウェーは地形を生かした水力発電で、アイスランドは水力発電と地熱発電によっていずれも電力が安価であるため、アルミニウムの大生産国となっている。14位のモザンビークは、カボラバッサダムの豊富な電力に目をつけたBHPグループ三菱商事が精錬会社としてモザール社を設立し、2000年に工場が稼働し始めたことで大生産国となった。ここで精錬されたアルミニウムはモザンビークの総輸出額の50パーセントを占め、モザンビークの基幹産業として同国の経済成長を支えている。

アルミニウムの消費量も中国が飛び抜けて多く、2014年には2,406万トンを消費して、全世界生産量5,005万トンのほぼ半分を消費している。消費量は次いで米国が多く、さらにドイツ、日本と続く。

アルミニウム生産企業としては、カナダリオ・ティント・アルキャン、ロシアのルサール(ロシア・アルミニウム)、アメリカのアルコア、中国の中国アルミニウムなどが特に大きな生産企業である。日本国内ではすでに精練は行われていないが、圧延や加工に関しては地金を海外から輸入したうえで盛んに行われており、日本軽金属UACJ神戸製鋼などがおもなメーカーとなっている。

電力を必要としない生産方法

アルミニウムは電気分解以外の手法でも製造が可能である。たとえばアルミナを2,000 ℃以下で炭素と反応させ、炭化アルミニウムを生成させる。これを2,200 ℃以上の高温部へ移動させ、今度はアルミナと反応させて金属アルミニウムと一酸化炭素に分離させる。

化学式としては以下の通りである。

2Al2O3+9CAl4C3+6CO{\displaystyle {\ce {{2Al2O3}+ 9C -> {Al4C3}+ 6CO}}}
Al4C3+Al2O36Al+3CO{\displaystyle {\ce {{Al4C3}+ Al2O3 -> {6Al}+ 3CO}}}

2つ目の反応では逆反応が起こらないように過剰な炭素が必要である。生成されたアルミニウムは一部揮発して反応ガス成分に含まれるが、大半はスラグの上層に液体で単離する。

一方、アルミニウムの純度を上げる精錬工程は、電力を消費する三層電解法に代わり電力を使用しない分別結晶法を採用することが可能である。粗製アルミニウム金属を融解し、これを局所的に冷却すると、純度の高いアルミニウムが初晶として晶出する。シリコン単結晶の引き上げ処理と原理的には同じである。この方法によって得られる精製アルミニウムの純度は99.98 - 99.996パーセントであり、三層電解法に迫る純度を得られる。

古い時代の生産方法

現代では行われていないがアルミニウムの値段が金と同じと言われていた古い時代には塩化アルミニウムを金属カリウムで還元するテルミット反応でアルミニウムを製造していた。

4 AlCl3+3 KAl+3 KAlCl4{\displaystyle \mathrm {4\ AlCl_{3}+3\ K\rightarrow Al+3\ KAlCl_{4}} }

後に金属カリウムよりもコストが安い金属ナトリウムで還元する方法が発明されると大幅にコストダウンした電気分解による金属ナトリウムの製造コストが下がるのに合わせてコストダウンが進んだ。

 AlCl3+3 NaAl+3 NalCl{\displaystyle \mathrm {\ AlCl_{3}+3\ Na\rightarrow Al+3\ NalCl} }

用途

アルミホイル
アルミホイル製のカップ

アルミ箔アルミサッシ一円硬貨などアルミニウムを使用した日用品は数多く、非常に生活に身近な金属である。天然には化合物のかたちで広く分布し、ケイ素酸素とともに地殻を形成するおもな元素のひとつである。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・
出典:wikipedia
2020/11/26 14:59

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