アルミニウム

アルミニウム、  13 Al
光沢のある表面にある銀色の金属の長方形の部分
アルミニウム
発音
別名アルミニウム（米国、カナダ）
外観シルバーグレーメタリック
標準原子量 A r °(Al)
  • 26.981 5384 ± 0.000 0003 [2]
  • 26.982 ± 0.001  （要約）[3]
周期表におけるアルミニウム
水素ヘリウム
リチウムベリリウムボロン炭素窒素酸素フッ素ネオン
ナトリウムマグネシウムアルミニウムシリコンリン硫黄塩素アルゴン
カリウムカルシウムスカンジウムチタンバナジウムクロムマンガン鉄コバルトニッケル銅亜鉛ガリウムゲルマニウム砒素セレン臭素クリプトン
ルビジウムストロンチウムイットリウムジルコニウムニオブモリブデンテクネチウムルテニウムロジウムパラジウム銀カドミウムインジウム錫アンチモンテルルヨウ素キセノン
セシウムバリウムランタンセリウムプラセオジムネオジムプロメチウムサマリウムユーロピウムガドリニウムテルビウムジスプロシウムホルミウムエルビウムツリウムイッテルビウムルテチウムハフニウムタンタルタングステンレニウムオスミウムイリジウム白金金水銀（元素）タリウム鉛ビスマスポロニウムアスタチンラドン
フランシウムラジウムアクチニウムトリウムプロトアクチニウムウランネプツニウムプルトニウムアメリシウムキュリウムバークリウムカリホルニウムアインシュタイニウムフェルミウムメンデレビウムノーベリウムローレンシウムラザホージウムドブニウムシーボーギウムボーリウムハッシウムマイトネリウムダルムシュタットレントゲンコペルニシウムニホニウムフレロビウムモスコビウムリバモリウムテネシンオガネソン
B
↑
アル
↓
ガ
マグネシウム←アルミニウム→シリコン
原子番号 （Z）13
グループ13族（ホウ素族）
期間期間3
ブロック  pブロック
電子配置[ネ] 3s 2 3p 1
殻あたりの電子数2、8、3
物理的特性
STPでの 位相固体
融点933.47  K (660.32 °C、1220.58 °F)
沸点2743 [4]  K (2470 °C, 4478 °F)
密度（20℃）2.699 g/cm 3 [5]
液体の場合（  mp）2.375 g/cm 3
融解熱10.71  kJ/モル
蒸発熱284 kJ/モル
モル熱容量24.20 J/(モル·K)
蒸気圧
P （パ）1101001キロ1万10万
T （K）で 148216321817205423642790
原子の性質
酸化状態共通: +3
−2、[6] −1、[7] 0、[8] +1、[9] [10] +2 [11]
電気陰性度ポーリングスケール：1.61
イオン化エネルギー
  • 1位: 577.5 kJ/mol
  • 2位: 1816.7 kJ/モル
  • 3位: 2744.8 kJ/mol
  • （もっと）
原子半径経験的： 午後143時
共有結合半径121±4時
ファンデルワールス半径午後184時
スペクトル範囲における色の線
アルミニウムのスペクトル線
その他の特性
自然発生原始的な
結晶構造面心立方格子（fcc）（cF4）
格子定数
アルミニウムの面心立方結晶構造
a  = 404.93 pm (20℃) [5]
熱膨張22.87 × 10 −6 /K（20℃）[5]
熱伝導率237 W/(m⋅K)
電気抵抗率26.5 nΩ⋅m（20℃）
磁気秩序常磁性[12]
モル磁化率+16.5 × 10 −6  cm 3 /モル
ヤング率70万気圧
せん断弾性率26GPa
体積弾性率76 GPa
音速の 細い棒（圧延）5000 m/s（ 室温で）
ポアソン比0.35
モース硬度2.75
ビッカース硬度160～350MPa
ブリネル硬度160～550MPa
CAS番号7429-90-5
歴史
ネーミングアルミンの旧称である「alumine」から
予測アントワーヌ・ラヴォアジエ（1782）
発見ハンス・クリスチャン・エルステッド（1824）
命名者ハンフリー・デイビー（1812 [a]）
アルミニウムの同位体
主な同位体[13]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
26アルトレース7.17 × 10 5 年β +26mg​
27アル100%安定した
 カテゴリー: アルミニウム
|参考文献

アルミニウム（英連邦および推奨される IUPAC 名）またはaluminum（北米英語）は化学元素であり、記号は Al、原子番号は 13 です。密度は他の一般的な金属よりも低く、鋼の約 3 分の 1 です。アルミニウムは酸素との親和性が高く、空気に触れると表面に酸化物の保護層を形成します。見た目は銀に似ており、色も光をよく反射します。柔らかく、非磁性で、延性があります。安定同位体は27 Al で、非常に豊富に存在するため、アルミニウムは宇宙で 12 番目に豊富な元素となっています。26 Alの放射能により、放射年代測定に使用されます。

化学的には、アルミニウムはホウ素族の後遷移金属です。この族では一般的ですが、アルミニウムは主に +3 の酸化状態で化合物を形成します。アルミニウム陽イオンAl 3+は小さく、電荷が非常に高いため、分極力が強く、アルミニウムによって形成される結合は共有結合の性質が強くなります。アルミニウムは酸素と強い親和性を持つため、自然界では酸化物としてよく見られます。アルミニウムは地球上では主に地殻の岩石中に存在し、マントルではなく、酸素とケイ素に次いで3 番目に豊富な元素です。また、自由金属として存在することは事実上ありません。アルミニウムは、アルミニウム鉱物を豊富に含む堆積岩であるボーキサイトを採掘することによって工業的に得られます。

アルミニウムの発見は、1825年にデンマークの物理学者ハンス・クリスチャン・エルステッドによって発表されました。アルミニウムの最初の工業生産は、1856年にフランスの化学者アンリ・エティエンヌ・サント＝クレール・ドヴィルによって開始されました。アルミニウムは、1886年にフランス人技師ポール・エルーとアメリカ人技師チャールズ・マーティン・ホールが独立に開発したホール・エルー法によって一般にかなり利用しやすくなり、アルミニウムの大量生産により工業や日常生活で広く使用されるようになりました。1954年には、アルミニウムは銅を抜いて最も生産量の多い非鉄金属になりました。21世紀には、アルミニウムの大部分は米国、西ヨーロッパ、日本で輸送、エンジニアリング、建設、梱包に消費されました。アルミニウムの標準原子量は他の多くの金属と比較して低く、[b]密度が低いことがその用途の多くを可能にしています。

アルミニウム塩は環境中に広く存在するにもかかわらず、それを代謝する生物は知られていない。しかし、アルミニウムは植物や動物にとって良好な耐容性を示す。これらの塩は豊富に存在するため、その生物学的役割の可能性は関心を集めており、研究が進められている。

身体的特徴

同位体

アルミニウムは安定同位体27 Alを1つだけ持ち、これは天然に存在する元素のほぼすべてを構成する。これは原子番号が奇数の元素に共通する。[c]したがって、アルミニウムは標準原子量において単核種元素であり、標準原子量は同位体によって完全に決定される。アルミニウムは核磁気共鳴（NMR）において有用である。なぜなら、その唯一の安定同位体（四極子）は高いNMR感度を有するからである。[15]

アルミニウムの他の同位体はすべて放射性です。最も安定しているのは26 Alで、半減期は 717,000 年です。太陽系が形成された星間物質（恒星内元素合成によっても生成されたと考えられている）には、安定した27 Al とともに存在していましたが、惑星形成以降の時間を生き延びたのは検出可能な量ではありませんでした。しかし、微量の26 Al は、宇宙線の電離放射線によって引き起こされる大気中のアルゴンの崩壊によって今でも生成されています。 26 Al と10 Beの比率は、10 5～ 10 6年のタイムスケールでの地質学的プロセス 、特に輸送、堆積、堆積物の貯蔵、埋没時間、浸食の放射年代測定に使用されています。[16]隕石科学者の多くは、 26Alの崩壊によって放出されたエネルギーが、45億5000万年前に形成されたいくつかの小惑星の溶融と分化の原因であると考えています。 [17]

質量数が20から43までのアルミニウムの他の既知の同位体はすべて半減期が7分未満であり、検出された4つの準安定状態も同様である。[18]

電子殻

アルミニウム原子は13個の電子を持ち、電子配置は[ Ne ] 3s 2 3p 1 [19]であり、3個の電子は安定した希ガス配置から外れている。したがって、アルミニウムの最初の3つのイオン化エネルギーの合計は、4番目のイオン化エネルギーのみよりもはるかに低い。[20]このような電子配置は、同じグループの他のよく特徴づけられた元素、すなわちホウ素、ガリウム、インジウム、タリウムと共有されており、ニトロニウムにも期待される。アルミニウムは多くの化学反応において、その最外殻電子3個を放棄することができる（下記参照）。アルミニウムの電気陰性度は、ポーリングスケールで1.61である。[21]

M. Tunes & S. Pogatscher、Montanuniversität Leoben 2019 著作権なし =)
高解像度STEM - [001]ゾーン軸に沿って見たAl原子のHAADF顕微鏡写真。

自由アルミニウム原子の原子半径は143  pmである。[22]最外殻電子 3 つを除去すると、半径は4 配位原子の場合は 39 pm に、6 配位原子の場合は 53.5 pm に縮小する。[22]標準温度および圧力では、アルミニウム原子は (他の元素の原子の影響を受けていない場合)原子の最外殻電子による金属結合で束縛された面心立方結晶系を形成する。したがって、アルミニウムは (この条件下では) 金属である。[23]この結晶系は鉛や銅など他の多くの金属に共通しており、アルミニウムの単位格子のサイズはこれらの他の金属の単位格子のサイズに匹敵する。[23]しかし、この系は同じグループの他の元素とは異なっています。ホウ素はイオン化エネルギーが高すぎて金属化できず、タリウムは六方最密構造を持ち、ガリウムとインジウムはアルミニウムやタリウムのような最密構造ではない特殊な構造を持っています。アルミニウムにおいて金属結合に利用できる電子が少ないことが、アルミニウムが柔らかく、融点と電気抵抗が低い理由であると考えられます。[24]

バルク

アルミニウムインゴット
科学的な詳細がエッチングされた、アルミニウム、鉄、銅の 3つの1.0 ポンド (0.454 kg)の地金インゴット。

アルミニウム金属は、表面粗さに応じて銀白色から鈍い灰色まで外観が異なります。[d]アルミニウムミラーは、紫外線、可視光線（銀と同等）、[27]および遠赤外線領域の光に対して高い反射率を発揮します。[28]アルミニウムは太陽光の反射にも優れていますが、空気中で長時間太陽光にさらされると金属の反射率が低下する可能性があります。[29]この現象は、アルミニウムを陽極酸化処理して表面に酸化物の保護層を追加することで防ぐことができます。 [30]

アルミニウムの密度は2.70 g/cm 3で、鋼鉄の約3分の1であり、他の一般的な金属よりもはるかに低いため、アルミニウム部品は軽量であるため簡単に識別できます。[31]アルミニウムが他のほとんどの金属に比べて密度が低いのは、その単位格子サイズが核子の数に比例して比較的大きいためです。アルミニウムより軽い金属は1族と2族の金属のみで、ベリリウムとマグネシウムは反応性が高すぎて構造用途に使用できません（ベリリウムは非常に有毒です）。[32]アルミニウムは鋼鉄ほど強くも硬くもありませんが、航空宇宙産業や軽量で比較的高い強度が重要な多くの用途では、低密度がこれを補っています。 [33]

純アルミニウムは非常に柔らかく、強度が不足しています。そのため、ほとんどの用途では、より高い強度と硬度を持つ様々なアルミニウム合金が代わりに使用されています。[34]純アルミニウムの降伏強度は7～11 MPaですが、アルミニウム合金の降伏強度は200 MPaから600 MPaの範囲です。[35]アルミニウムは延性があり、伸び率は50～70%です。[36]また、展性があるため、簡単に引抜加工や押し出し加工ができます。[37]また、機械加工や鋳造も容易です。[37]

アルミニウムは優れた熱伝導性と電気伝導性を持ち、同じ電流を銅に流すのに必要なアルミニウムの量は、銅の半分の重量で済みます。[38]アルミニウムは超伝導性があり、超伝導臨界温度は1.2ケルビン、臨界磁場は約100ガウス（10ミリテスラ）です。[39]アルミニウムは常磁性体であるため、静磁場の影響をほとんど受けません。[40]しかし、電気伝導性が高いため、渦電流の誘導により交流磁場の影響を強く受けます。[41]

化学

アルミニウムは遷移前金属と遷移後金属の特性を兼ね備えています。より重い第13族元素と同様に、金属結合に利用可能な電子が少ないため、遷移後金属特有の物理的性質を持ち、予想よりも長い原子間距離を持ちます。[24]さらに、Al 3+は小さく高電荷の陽イオンであるため、強い分極を示し、アルミニウム化合物における結合は共有結合に傾きます。[42]この挙動はベリリウム（Be 2+ ）の挙動と似ており、対角関係の例を示しています。[43]

アルミニウムの価電子殻の下の電子の中心核は、前述の希ガスの電子の中心核であるが、より重い第 13 族元素であるガリウム、インジウム、タリウム、ニオブの電子の中心核にも、満たされた d サブシェルと、場合によっては満たされた f サブシェルが含まれる。したがって、アルミニウムの内部電子は、より重い第 13 族元素とは異なり、価電子をほぼ完全に遮蔽する。そのため、アルミニウムはその族の中で最も電気陽性の金属であり、その水酸化物は実際、ガリウムの水酸化物よりも塩基性が高い。[42] [e]アルミニウムは、同じ族のホウ素(半金属)とも若干の類似点がある。AlX 3化合物はBX 3化合物と価電子が等しく(同じ価電子構造を持つ)、両方ともルイス酸として振舞い、容易に付加物を形成する。[44]さらに、ホウ素化学の主要なモチーフの一つは規則的な二十面体構造であり、アルミニウムはAl-Zn-Mgクラスを含む多くの二十面体準結晶合金の重要な部分を形成します。[45]

アルミニウムは酸素との化学的親和性が高く、テルミット反応における還元剤として適しています。アルミニウムの微粉末は液体酸素と接触すると爆発的に反応しますが、通常の条件下では、アルミニウムは薄い酸化物層（室温で約5nm）[46]を形成し、酸素、水、または希酸によるさらなる腐食から金属を保護します。このプロセスは不動態化と呼ばれます[42] [47] 。アルミニウムは不動態化されているため、酸化性酸の影響を受けません。そのため、アルミニウムは硝酸、濃硫酸、一部の有機酸などの試薬の保管に使用することができます[48] 。

高温の濃塩酸中では、アルミニウムは水と反応して水素を発生し、室温では水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムの水溶液と反応してアルミン酸塩を形成する。これらの条件下では保護的不動態化はごくわずかである。[49] 王水もアルミニウムを溶解する。[48]アルミニウムは、一般的な塩化ナトリウムなどの溶解した塩化物によっても腐食される。 [50]アルミニウム上の酸化層は、アマルガム化による水銀との接触、または一部の電気陽性金属の塩との接触によっても破壊される。[42]そのため、最も強力なアルミニウム合金でも、合金銅とのガルバニック反応により耐食性が低下し、 [51]また、特に異種金属が存在する場合の水性塩によってアルミニウムの耐食性が大幅に低下する。[24]

アルミニウムは加熱するとほとんどの非金属と反応し、窒化アルミニウム（AlN）、硫化アルミニウム（Al 2 S 3）、ハロゲン化アルミニウム（AlX 3 ）などの化合物を形成します。また、周期表のあらゆる族の金属を含む幅広い金属間化合物も形成します。 [42]

無機化合物

アルミニウム化合物の大部分、すなわちアルミニウム含有鉱物および商業的に重要なアルミニウム化合物はすべて、アルミニウムの酸化状態が3+である。これらの化合物の配位数は様々であるが、一般的にAl 3+は6配位または4配位である。アルミニウム(III)の化合物はほぼすべて無色である。[42]

pHの関数としてのアルミニウム加水分解。配位水分子は省略されている。[52]

水溶液中では、Al 3+は六価アクアカチオン [Al(H 2 O) 6 ] 3+として存在し、そのK aはおよそ10 −5である。[15]このような溶液は酸性である。なぜなら、このカチオンがプロトン供与体として作用し、徐々に加水分解して水酸化アルミニウムAl(OH) 3の沈殿物を形成するからである。この沈殿物は水中の浮遊粒子を核として生成し、それらを除去するため、水の浄化に有用である。pHをさらに上昇させると、水酸化物は再び溶解し、アルミン酸塩[Al(H 2 O) 2 (OH) 4 ] −が形成される。

水酸化アルミニウムは塩とアルミン酸塩の両方を形成し、酸とアルカリに溶解するほか、酸性および塩基性酸化物と溶融する。[42] Al(OH) 3のこの挙動は両性と呼ばれ、不溶性の水酸化物を形成し、その水和種もプロトンを供与できる弱塩基性カチオンの特徴である。この効果の 1 つとして、弱酸を含むアルミニウム塩は水中で加水分解されて、水和水酸化物と対応する非金属水素化物になる。たとえば、硫化アルミニウムからは硫化水素が生成される。ただし、炭酸アルミニウムなど一部の塩は水溶液中に存在しても不安定である。ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩などの強酸を含む塩では、不完全な加水分解しか起こらない。同様の理由から、無水アルミニウム塩は「水和物」を加熱しても生成できない。水和塩化アルミニウムは実際にはAlCl 3 ·6H 2 Oではなく[Al(H 2 O) 6 ]Cl 3であり、Al–O結合は非常に強いため、加熱しても切断してAl–Cl結合を形成するには不十分である。代わりに、以下の反応が観察される：[42]

2[Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 熱→ Al 2 O 3 + 6 HCl + 9 H 2 O

4種類の三ハロゲン化物はすべてよく知られています。より重い3種類の三ハロゲン化物の構造とは異なり、フッ化アルミニウム（AlF 3）は6配位アルミニウムを特徴としており、これがその不揮発性と不溶性、そして高い生成熱を説明しています。各アルミニウム原子は6つのフッ素原子に囲まれ、歪んだ八面体配置を形成し、各フッ素原子は2つの八面体の頂点で共有されています。このような{AlF 6 }ユニットは、氷晶石、Na 3 AlF 6などの複合フッ化物にも存在します。[f] AlF 3 は1,290 °C（2,354 °F）で融解し、700 °C（1,300 °F）での酸化アルミニウムとフッ化水素ガスの反応によって生成されます。[53]

より重いハロゲン化物ほど、配位数は低くなります。その他の三ハロゲン化物は、四面体四配位アルミニウム中心を持つ二量体またはポリマーです。 [g] 三塩化アルミニウム（AlCl 3）は、融点192.4 °C（378 °F）以下では層状のポリマー構造をとりますが、融解するとAl 2 Cl 6二量体に変化します。高温になると、BCl 3の構造に似た三方平面状のAlCl 3モノマーに解離が進みます。三臭化アルミニウムと三ヨウ化アルミニウムは、3つの相すべてでAl 2 X 6二量体を形成するため、相変化によってそれほど大きな特性の変化は見られません。[53]これらの物質は、アルミニウムをハロゲンで処理することで生成されます。三ハロゲン化アルミニウムは、多くの付加化合物や錯体を形成します。ルイス酸性であるため、フリーデル・クラフツ反応の触媒として有用です。三塩化アルミニウムは、アントラキノンやスチレンの製造など、この反応を伴う主要な工業用途を有しています。また、三塩化アルミニウムは、他の多くのアルミニウム化合物の前駆体として、また非金属フッ化物を対応する塩化物に変換する試薬（トランスハロゲン化反応）としても広く使用されています。[53]

アルミニウムは化学式Al 2 O 3で表される安定した酸化物を形成し、一般にアルミナと呼ばれます。[54]自然界では鉱物コランダムのα-アルミナ相として存在します。 [55 ] γ-アルミナ相も存在します。[15]結晶形態のコランダムは非常に硬く（モース硬度9）、融点は2,045℃（3,713℉）と高く、揮発性が非常に低く、化学的に不活性で、優れた電気絶縁体です。耐火物として研磨剤（サンドペーパーなど）やセラミックスによく使用されます。また、アルミニウムの電解生産の出発物質でもあります。サファイアとルビーは微量の他の金属が混入した不純なコランダムです。[15]

2つの主要な酸化物-水酸化物AlO(OH)は、ベーマイトとダイアスポアです。3つの主要な三水酸化物、バイヤライト、ギブサイト、ノルドストランダイトがあり、それぞれ結晶構造（多形）が異なります。他の多くの中間体や関連構造も知られています。[15]これらのAl-O-OH系のほとんどは、酸と塩基を使用したさまざまな湿式プロセスによって鉱石から生成されます。水酸化物を加熱するとコランダムが形成されます。これらの材料はアルミニウムの製造に非常に重要であり、それ自体が極めて有用です。スピネル（MgAl 2 O 4）、Na-β-アルミナ（NaAl 11 O 17）、およびポートランドセメントの重要な鉱物相であるアルミン酸三カルシウム（Ca 3 Al 2 O 6 ）などのいくつかの混合酸化物相も非常に有用です。[15]

通常の条件下で安定なカルコゲニドは、硫化アルミニウム（Al 2 S 3）、セレン化物（Al 2 Se 3）、テルル化物（Al 2 Te 3 ）のみです。これら3つはいずれも、約1,000 °C（1,800 °F）で元素同士が直接反応することで生成され、水中で急速に加水分解されて水酸化アルミニウムとそれぞれの水素カルコゲニドを生成します。アルミニウムはこれらのカルコゲンに比べて原子サイズが小さいため、これらのカルコゲンは4配位四面体アルミニウムであり、ウルツ鉱型に関連する構造を持つ様々な多形体を有し、金属サイト全体の3分の2が規則的（α）またはランダム（β）に占有されています。硫化物にはγ-アルミナに関連するγ型と、アルミニウム原子の半分が四面体四配位、残りの半分が三方双錐五配位の珍しい高温六方型もあります。[56]

ニクタイドとしては、窒化アルミニウム（AlN）、リン化アルミニウム（AlP）、ヒ化アルミニウム（AlAs）、アンチモン化アルミニウム（AlSb）の4種類が知られています。これらはすべて、シリコンおよびゲルマニウムと等電子的なIII-V族半導体であり、AlNを除くすべてが閃亜鉛鉱型構造を有しています。これら4種類はすべて、構成元素を高温（場合によっては高圧）で直接反応させることによって生成できます。[56]

アルミニウムは、ほとんどの他の金属（ほとんどのアルカリ金属と第13族金属を除く）と合金化しやすく、他の金属との150種類以上の金属間化合物が知られています。製造には、特定の割合で固定された金属を加熱し、その後、徐冷および焼鈍処理を行います。これらの金属間化合物における結合は主に金属結合であり、結晶構造は主に充填効率に依存します。[57]

より低い酸化状態を持つ化合物はほとんどない。そのいくつかはアルミニウム(I)化合物である。AlF、AlCl、AlBr、AlIは、それぞれの三ハロゲン化物をアルミニウムと共に加熱すると気相で存在し、また極低温でも存在する。[53]アルミニウムモノヨウ化物の安定な誘導体は、トリエチルアミンと形成される環状付加物、Al 4 I 4 (NEt 3 ) 4 である。Al 2 OとAl 2 Sも存在するが、非常に不安定である。[58]非常に単純なアルミニウム(II)化合物は、アルミニウム金属と酸化剤の反応で示唆または観察されている。例えば、一酸化アルミニウムAlOは、爆発後の気相中[59]や恒星の吸収スペクトルで検出されている。[60]より徹底的に研究されているのは、Al–Al結合を含み、Rが大きな有機配位子である式R 4 Al 2の化合物である。[61]

5配位炭素を特徴とする化合物、トリメチルアルミニウムの構造。

実験式AlR 3およびAlR 1.5 Cl 1.5の化合物は多種存在する。[62]アルミニウムトリアルキルおよびトリアリールは、反応性があり、揮発性で、無色の液体または低融点の固体である。これらは空気中で自然発火し、水と反応するため、取り扱いには注意が必要である。これらはホウ素類似体とは異なり、しばしば二量体を形成するが、この傾向は分岐鎖アルキル（例：Pr i、Bu i、Me 3 CCH 2）では減少する。例えば、トリイソブチルアルミニウムは、モノマーと二量体の平衡混合物として存在する。[63] [64]トリメチルアルミニウム（Al 2 Me 6 ）などのこれらの二量体は通常、両方のアルミニウム原子間をいくつかのアルキル基が架橋して二量化によって形成される四面体Al中心を特徴とする。これらは硬酸であり、配位子と容易に反応して付加物を形成する。産業界では、カール・ツィーグラーによって発見されたアルケン挿入反応、特に長鎖非分岐第一級アルケンおよびアルコールを生成する「成長反応」、そしてエチレンおよびプロペンの低圧重合において、主に利用されています。また、 Al–N結合を含む複素環式およびクラスター有機アルミニウム化合物もいくつか存在します。 [63]

工業的に最も重要なアルミニウム水素化物は、水素化アルミニウムリチウム（LiAlH 4 ）であり、有機化学において還元剤として用いられます。これは、水素化リチウムと三塩化アルミニウムから製造できます。[65]最も単純な水素化物である水素化アルミニウムまたはアラン（AlH 3）nで表されるポリマーであり、対応する水素化ホウ素が式（BH 3）2で表される二量体であるのとは対照的です。[65]

自然発生

空間

太陽系におけるアルミニウムの粒子あたりの存在量は、3.15 ppm（百万分率）である。[66] [h]これはすべての元素の中で12番目に多く、奇数原子番号を持つ元素の中では水素と窒素に次いで3番目に多い。[66]アルミニウムの唯一の安定同位体である27 Al は、宇宙で18番目に多い原子核である。これは、後にタイプ II 超新星になる大質量星での炭素の融合後にほぼ完全に生成される。この融合で26 Mg が生成され、これが自由陽子と中性子を捕獲してアルミニウムになる。 27 Alの少量は、進化した星の水素燃焼殻で生成され、そこで26 Mg が自由陽子を捕獲できる。[67]現在存在するアルミニウムは基本的にすべて27 Al である。26 Alは初期太陽系に27 Alに比べて0.005%存在していましたが、半減期が72万8000年と短すぎるため、元の原子核は生き残れず、26 Alは絶滅しました。[67] 27 Alとは異なり、 26 Alの主な発生源は水素の燃焼であり、 25 Mgの原子核が自由陽子を捕獲した後に核種が出現します。しかし、微量に存在する26 Alは、星間ガス中で最も一般的なガンマ線放出源です。[67]もし元の26 Alがまだ存在していたら、天の川銀河のガンマ線マップはより明るくなっていたでしょう。 [67]

地球

ボーキサイトは主要なアルミニウム鉱石です。赤褐色は鉄酸化物鉱物が含まれているためです。

地球全体では、アルミニウムが質量の約1.59%含まれています（質量比で7番目に豊富です）。[68]アルミニウムは、宇宙全体よりも地殻に多く含まれています。これは、アルミニウムが酸化物を形成しやすく、岩石に結合して地殻に留まり、反応性の低い金属が核に沈むためです。[67]地殻では、アルミニウムは最も豊富な金属元素（質量比8.23% [69]）であり、すべての元素の中で3番目に豊富です（酸素とケイ素に次いで）。[70]地殻の多くのケイ酸塩にはアルミニウムが含まれています。[71]対照的に、地球のマントルには、質量比でわずか2.38%のアルミニウムしか含まれていません。 [ 72]アルミニウムは海水にも0.41 μg/kgの濃度で存在します。[73]

アルミニウムは酸素との親和性が強いため、元素状態で見つかることはほとんどなく、酸化物やケイ酸塩の形で見つかります。地殻で最も一般的な鉱物群である長石は、アルミノケイ酸塩です。アルミニウムは、緑柱石、氷晶石、ガーネット、スピネル、トルコ石などの鉱物にも含まれています。[74]アルミナの不純物から宝石が作られます。例えば、クロムからはルビーが、鉄からはサファイアが作られます。[75] 自然に存在するアルミニウムは極めて稀で、特定の火山の内部など、酸素のフガシティが低い環境では微量相としてしか見つかりません。 [76]自然に存在するアルミニウムは、南シナ海の北東大陸斜面の冷水湧出帯で報告されています。これらの鉱床は、テトラヒドロキソアルミネート Al(OH) 4 −の細菌による還元によって生成された可能性があります。[77]

アルミニウムは広く普及している元素ですが、すべてのアルミニウム鉱物が経済的に採算の取れる金属資源であるわけではありません。金属アルミニウムのほぼすべては、ボーキサイト鉱石 （AlO x (OH) 3–2 x ）から生産されます。ボーキサイトは、熱帯気候条件下で鉄分とシリカ分が少ない岩盤の風化生成物として産出されます。[78] 2017年には、ボーキサイトの大部分はオーストラリア、中国、ギニア、インドで採掘されました。[79]

歴史

金属元素アルミニウムを初めて詳細に記述した化学者フリードリヒ・ヴェーラー

アルミニウムの歴史はミョウバンの使用によって形作られてきました。ミョウバンに関する最初の記録は、ギリシャの歴史家ヘロドトスによって記されたもので、紀元前5世紀に遡ります。[80]古代人は、染色の媒染剤として、また都市防衛のために木材の耐火コーティングとしてミョウバンを使用していたことが知られています。[81]十字軍の後、ヨーロッパの繊維産業に不可欠な商品であったミョウバンは、[82]国際貿易の対象となり、[83] 15世紀半ばまで東地中海からヨーロッパに輸入されていました。[84]

1530年頃、スイスの医師パラケルススがミョウバンはミョウバンの土の塩であると示唆するまで、ミョウバンの性質は不明でした。[85]ドイツの医師で化学者のアンドレアス・リバウィウスは1595年に実験的にこれを確認しました。[86]ドイツの化学者フリードリヒ・ホフマンは1722年にミョウバンのベースは別の土であるとの考えを発表しました。 [87]ドイツの化学者アンドレアス・ジギスムント・マルグラフは1754年に粘土を硫酸で煮沸し、その後にカリウムを加えることでアルミナを合成しました。[87]

アルミニウムを生産する試みは1760年に遡る。[88]しかし、最初の成功した試みは1824年にデンマークの物理学者で化学者のハンス・クリスチャン・エルステッドによって完了した。彼は無水塩化アルミニウムをカリウムアマルガムと反応させ、スズに似た金属の塊を生成した。[89] [90] [91]彼は1825年に結果を発表し、新しい金属のサンプルを実演した。[92] [93] 1827年、ドイツの化学者フリードリヒ・ヴェーラーはエルステッドの実験を繰り返したが、アルミニウムを確認できなかった。[94]（この矛盾の理由は1921年になって初めて発見された。）[95]彼は同年、無水塩化アルミニウムとカリウムを混合する（ヴェーラー法）同様の実験を行い、アルミニウムの粉末を生成した。[91] 1845年、彼はアルミニウムの小片を作製し、その物理的性質のいくつかを記述しました。[95]その後長年にわたり、ヴェーラーはアルミニウムの発見者として認められました。[96]

ロンドンのピカデリーサーカスにあるアンテロスの像は1893 年に作られ、アルミニウムで鋳造された最初の像の 1 つです。
製造用アルミニウムインゴット

ヴェーラーの方法で大量のアルミニウムを生産できなかったため、この金属は希少なままで、その価格は金を上回った。[94]アルミニウムの最初の工業生産は1856年にフランスの化学者アンリ・エティエンヌ・サント＝クレール・ドヴィルと仲間たちによって確立された。[97]ドヴィルは三塩化アルミニウムをナトリウムで還元できることを発見した。これはヴェーラーが使用したカリウムよりも簡便で安価だった。[98]当時でも、アルミニウムの純度はまだ高くなく、製造されたアルミニウムの特性はサンプルごとに異なっていた。[99]アルミニウムは電気伝導性があるため、1885年に完成した当時世界一高い建物であったワシントン記念塔の蓋に使用された。腐食しない金属製の蓋は避雷針の先端として機能することが意図されていた。

最初の工業的大規模生産方法は、1886年にフランスの技術者ポール・エルーとアメリカの技術者チャールズ・マーティン・ホールによって独立して開発され、現在ではホール・エルー法として知られています。[100]ホール・エルー法はアルミナを金属に変換します。オーストリアの化学者カール・ジョセフ・バイヤーは、 1889年にボーキサイトを精製してアルミナを生成する方法を発見しました。これは現在ではバイヤー法として知られています。 [101]現代のアルミニウム生産は、バイヤー法とホール・エルー法に基づいています。[102]

大規模生産によってアルミニウムの価格が下落したため、1890年代から20世紀初頭にかけて、アルミニウムは宝飾品、眼鏡のフレーム、光学機器、食器、箔など、日用品に広く使用されるようになりました。アルミニウムは他の金属と硬く軽い合金を形成できるため、当時、様々な用途に利用されていました。[103]第一次世界大戦中、主要国政府は軽量で強固な航空機の機体製造のために大量のアルミニウムを要求しました。 [104]第二次世界大戦中、主要国政府による航空需要はさらに高まりました。[105] [106] [107]

20世紀初頭から1980年まで、アルミニウム産業はカルテル化が特徴で、アルミニウム企業は価格を高く安定させるために共謀していた。[108]最初のアルミニウムカルテルであるアルミニウム協会は、1901年にピッツバーグ・リダクション・カンパニー（1907年にアルコアに改名）とアルミニウム・インダストリーAGによって設立された。[109]ブリティッシュ・アルミニウム・カンパニー、プロデュイ・チミック・ダレ・エ・ドゥ・ラ・カマルグ、ソシエテ・エレクトロ・メタルルジック・ドゥ・フロジュもカルテルに参加した。[109]

20世紀半ばまでに、アルミニウムは日常生活の一部となり、家庭用品の必須部品となりました。[110] 1954年には、アルミニウムの生産量が銅の生産量を上回り、[i]歴史的には鉄に次いで2番目に生産量が多かったため、[113]非鉄金属の中で最も多く生産されていました。20世紀半ばには、アルミニウムは土木材料として登場し、基礎工事や内装仕上げの両方で建築用途に使用され、[114]軍事工学でも航空機や装甲車のエンジンに使用されるようになりました。[115] 1957年に打ち上げられた 地球初の人工衛星は、2つの独立したアルミニウム半球を結合した構造で、その後の宇宙船はすべてある程度アルミニウムを使用しています。[102]アルミ缶は1956年に発明され、1958年には飲料の保存容器として使用されました。[116]

1900年以降の世界のアルミニウム生産量

20世紀を通じて、アルミニウムの生産量は急速に増加した。1900年の世界のアルミニウム生産量は6,800トンであったが、1916年に初めて年間生産量が10万トンを超え、1941年には100万トン、1971年には1000万トンに達した。[111] 1970年代には、アルミニウムの需要増加により、アルミニウムは取引所商品となり、1978年には世界最古の工業用金属取引所であるロンドン金属取引所に上場された。 [102]生産量は増加を続け、2013年には年間アルミニウム生産量が5000万トンを超えた。[111]

アルミニウムの実質価格は、1900年の1トン当たり14,000ドルから1948年の2,340ドル（1998年米ドル）に下落した。[111]抽出および処理コストは技術の進歩と経済規模により低下した。しかし、品位の低い鉱床を開発する必要性や、急増する投入コスト（とりわけエネルギー）の使用により、アルミニウムの正味コストは上昇した。[117]実質価格は、エネルギーコストの上昇とともに、1970年代に上昇し始めた。[118]生産は、工業化国から生産がより安価な国へと移行した。[119] 20世紀後半の生産コストは、技術の進歩、エネルギー価格の低下、米ドルの為替レート、およびアルミナ価格により変化した。[120] BRIC諸国の一次生産および一次消費の合計シェアは、 21世紀の最初の10年間で大幅に増加した。[121]中国は、豊富な資源、安価なエネルギー、そして政府の景気刺激策のおかげで、世界の生産量の特に大きなシェアを蓄積しています。[122]また、消費量のシェアも1972年の2%から2010年には40%に増加しました。[123]米国、西ヨーロッパ、そして日本では、アルミニウムの大部分は輸送、エンジニアリング、建設、包装に消費されていました。[124] 2021年には、中国のエネルギー不足により電力コストが上昇したため、アルミニウムなどの工業用金属の価格は記録的な水準に迫っています。[125]

語源

アルミニウムとアルミニウムという名前は、アルミニウムの主な天然酸化物であるアルミナ[ j]の古い用語であるalumineという単語に由来しています。[127]アルミンはフランス語から借用され、フランス語は、それが採取された鉱物であるミョウバンの古典的なラテン語名であるalumenに由来しています。[ 128 ]ラテン語のalumenは、「苦い」または「ビール」を意味するインド・ヨーロッパ祖語の語根*alu-に由来しています。 [129]英語の名前alumはラテン語から直接来ていませんが、alumine / aluminaはラテン語のalumen（alumenは変化してalumin-に変化します）に由来しています。

命名と綴りの歴史

初期の提案（1808～1812年）

金属の単離を目的とした数々の実験を行ったイギリスの化学者ハンフリー・デービーが、この元素に命名した人物とされています。ミョウバンから単離された金属に最初に提案された名前は「アルミニウム（alumium） 」で、デービーは1808年に王立協会哲学会報に掲載された自身の電気化学研究に関する論文の中でこの名前を提案しました。[130]この名前は英語の「alum」とラテン語の接尾辞「-ium」から作られたようですが、当時は元素にラテン語由来の名前を付けるのが慣例であったため、この名前は広く採用されませんでした。

アルミニウムという名称は、フランス、ドイツ、スウェーデンの同時代の化学者らから批判され、金属は単離される酸化物であるアルミナにちなんで名付けられるべきだと主張した。[131]一例として、スウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスがフランス語で執筆したEssai sur la Nomenclature chimique （1811年7月）があり、その中でアルミニウムという名称はミョウバンから合成される元素に与えられている。[132] [k] （同じ雑誌の別の号に掲載された記事でも、サファイアの元となる酸化物である金属、すなわちアルミニウムと同じ金属に言及している。）[134] 1811年1月に発表された王立協会でのデービーの講義の要約では、アルミニウムという名称が候補として挙げられていた。[135]

1812年、デイビーは化学の教科書『化学哲学の原点』を出版し、その中で「アルミニウム」という綴りを使用しました。[136]

19世紀の綴りと用法

1897年のアメリカの広告。アルミニウムのスペルが特徴。

1812年、イギリスの科学者トーマス・ヤング[137]はデイビーの著書の匿名の書評の中で、アルミニウムではなく「 aluminium 」という名称を提案した。これは「あまり古典的な響きではない」と考えたためである[138] 。この名称はその後も存続した。イギリスでは-umの綴りが時折使われていたものの、アメリカの科学用語では最初から-iumが用いられた[139] 。

フランス語では当初からaluminiumという綴りが使われてきた。 [140]しかし、イギリスとドイツでは当初、デイビーのaluminumという綴りが使われていた。ヴェーラーが1827年にヴェーラー法に関する論文を発表し、その中でaluminiumという綴りを使用したことで、イギリスとドイツでこの綴りが広く採用されるようになった。ただし、リチャーズが「愛国的」と評した少数のイギリスの化学者の中には「外国の技術革新を嫌う」者もおり、彼らは時折aluminiumという綴りを使っていた。[140]

19世紀には世界中のほとんどの科学者が-iumを使用していました。 [141]そして、それはフランス語、ドイツ語、オランダ語など他のいくつかのヨーロッパ言語にも定着しました。[m]

1828 年、アメリカの辞書編集者ノア・ウェブスターは、自著『アメリカ英語辞典』に「aluminum」という綴りだけを記載した。[142] 1830 年代、米国では-umという綴りが使われるようになり、1860 年代までには、科学分野以外ではより一般的な綴りになった。 [139] 1892 年、ホールは、 1886 年から 1903 年の間に申請したすべての特許で常に-iumという綴りを使っていたにもかかわらず、金属を生産する新しい電解法の広告ビラでは-umという綴りを使った。この綴りが誤って導入されたか意図的であったかは不明であるが、ホールは導入以来、高貴な金属の名前である「プラチナ」に似ていることから、 aluminumを好んで使っていた。 [143] 1890 年までには、米国では両方の綴りが一般的1900 年までに、aluminum はaluminumの 2 倍の普及率となり、次の 10 年間で-um の綴りがアメリカでの使用法を支配しました。

20世紀の標準化と地域的な使用

1925年にアメリカ化学会がこの綴りを採用した。[141]

国際純正応用化学連合（IUPAC）は、1990年に元素の標準国際名称としてアルミニウムを採用しました。[144] 1993年には、アルミニウムを許容可能な異形として認めました。 [144]最新の2005年版のIUPAC無機化学命名法でも、この綴りが認められています。[145] IUPACの公式出版物では、-iumの綴りが主に使用されており、適切な場合は両方を記載しています。[n]

それ以来、両方の綴りは共存している。現在、その使用法は地域によって異なっており、アメリカ合衆国とカナダでは「aluminum」が主流である一方、英語圏の他の地域では「aluminium」が主流となっている。 [141]

その他の提案された名前

ドイツの物理学者ルートヴィヒ・ヴィルヘルム・ギルバートは、著書『物理学年報』の中で、アルミナを意味するドイツ語「Thonerde」[o]にちなんで「Thonerde-metall」という名称を提案したが、この名称はドイツでも全く普及しなかった。[140]アメリカの化学者ジョセフ・W・リチャーズ[p]は1891年、粘土を意味するフランス語「argille」 [q]に由来する「argillium」という語がスウェーデン語で1回だけ出現することを発見した。[140]

生産と精製

2024年の世界最大のアルミニウム生産国[147]
国生産量
（千
トン）
 中国43,000
 インド4,200
 ロシア3,800
 カナダ3,300
 アラブ首長国連邦2,700
 バーレーン1,600
 オーストラリア1,500
 ノルウェー1,300
 ブラジル1,100
 マレーシア870
 アイスランド780
 アメリカ合衆国670
その他の国6,800
合計7万2000

アルミニウムの生産は、地中からボーキサイトを採掘することから始まります。ボーキサイトはバイヤー法によって処理され、アルミナに変換されます。その後、ホール・エルー法によって処理され、最終的なアルミニウムが完成します。

アルミニウムの生産はエネルギーを大量に消費するため、生産者は電力が豊富で安価な場所に製錬所を置く傾向があります。[148]アルミニウム1キログラムの生産には石油エネルギー換算で7キログラムが必要ですが、鉄鋼の場合は1.5キログラム、プラスチックの場合は2キログラムです。[149] 2024年現在、世界最大のアルミニウム生産国は中国、インド、ロシア、カナダ、アラブ首長国連邦であり、[147]中国は世界シェアの55%以上を占め、圧倒的なトップのアルミニウム生産国です。

国際資源パネル（IRP）の報告書「社会における金属貯蔵量」によると、社会（自動車、建物、電子機器など）で使用されているアルミニウムの一人当たりの世界貯蔵量は80kg（180ポンド）です。その多くは、発展途上国（一人当たり35kg（77ポンド））ではなく、先進国（一人当たり350～500kg（770～1,100ポンド））に集中しています。[150]

バイエル法

ボーキサイトはバイヤー法によってアルミナに変換されます。ボーキサイトは均一な組成になるように混合され、その後細かく粉砕されます。得られたスラリーは熱水酸化ナトリウム溶液と混合されます。その後、この混合物は大気圧よりもかなり高い圧力で蒸解槽で処理され、ボーキサイト中の水酸化アルミニウムが溶解すると同時に、不純物は比較的難溶性の化合物に変換されます。[151]

Al(OH) 3 + Na + + OH − → Na + + [Al(OH) 4 ] −

この反応後、スラリーは大気圧沸点以上の温度となる。圧力を下げながら蒸気を除去することで冷却する。ボーキサイト残渣は溶液から分離され、廃棄される。固形物を含まない溶液に、水酸化アルミニウムの小結晶をシードとして添加する。これにより、[Al(OH) 4 ] −イオンが水酸化アルミニウムに分解される。アルミニウムの約半分が沈殿した後、混合物は分級機に送られる。水酸化アルミニウムの小結晶はシード剤として回収され、粗粒子は加熱によってアルミナに変換される。余剰溶液は蒸発除去され、必要に応じて精製され、再利用される。[151]

ホール・エルー過程

アルミニウムの押し出しビレット

アルミナからアルミニウムへの変換は、ホール・エルー法によって行われます。このエネルギー集約型のプロセスでは、氷晶石（Na 3 AlF 6）とフッ化カルシウムの溶融混合物（940～970℃（1,720～1,780°F））中のアルミナ溶液を電気分解して金属アルミニウムを生成します。液体のアルミニウムは溶液の底に沈み、そこから抜き出され、通常はアルミニウムビレットと呼ばれる大きな塊に鋳造され、その後の加工に使用されます。[48]

電解セルの陽極は、フッ化物腐食に対して最も耐性のある材料である炭素で作られており、工程で焼成されるか、または事前に焼成されます。前者はゼーダーベルグ陽極とも呼ばれますが、電力効率が低く、焼成中に発生する煙の回収にコストがかかります。そのため、陰極を事前に焼成するための電力、エネルギー、労力を節約できるにもかかわらず、事前焼成陽極に置き換えられています。陽極用の炭素は、アルミニウムや電解液が灰で汚染されないように、できれば純粋である必要があります。炭素は腐食に対して耐性がありますが、それでも製造されたアルミニウム1キログラムあたり0.4～0.5キログラムの割合で消費されます。陰極は無煙炭で作られていますが、不純物の浸出は非常に遅いため、高い純度は必要ありません。陰極は、製造されたアルミニウム1キログラムあたり0.02～0.04キログラムの割合で消費されます。通常、陰極が故障してから2～6年後にセルは終了されます。[48]

ホール・エルー法は純度99%以上のアルミニウムを生産します。フープス法では、さらに純度を高めることができます。この法では、溶融アルミニウムをナトリウム、バリウム、フッ化アルミニウムの電解液で電気分解します。得られるアルミニウムの純度は99.99%です。[48] [152]

電力は、製錬所の所在地に応じて、アルミニウム生産コストの約20～40%を占めています。アルミニウム生産には、米国で生産される電力の約5%が消費されています。[144]このため、ホール・エルー法の代替法が研究されてきましたが、いずれも経済的に実現可能という結論には至っていません。[48]

リサイクル

リサイクル可能なゴミ用の一般的なゴミ箱と、リサイクル不可能なゴミ用のゴミ箱。黄色い蓋のゴミ箱には「アルミニウム」と表示されています。ギリシャ、ロードス島。

リサイクルによる金属回収は、アルミニウム産業の重要な課題となっている。1960年代後半まで、リサイクルは目立たない活動であったが、アルミニウム製飲料缶の使用増加によって一般の注目を集めるようになった。[153]リサイクルにはスクラップの溶解が含まれるが、このプロセスに必要なエネルギーは鉱石からアルミニウムを生産するのに必要なエネルギーのわずか5%に過ぎない。ただし、投入材料のかなりの部分（最大15%）はドロス（灰状の酸化物）として失われる。[154]アルミニウムスタック溶解炉ではドロスの発生量が大幅に少なく、その値は1%未満と報告されている。[155]

一次アルミニウム生産および二次リサイクル工程から生じるホワイトドロスには、工業的に抽出可能な量のアルミニウムが依然として含まれています。この工程では、アルミニウムビレットと非常に複雑な廃棄物が生成されます。この廃棄物は管理が困難です。水と反応して、アセチレン[156] 、硫化水素、そして大量のアンモニア[157]などのガス混合物を放出します。これらの困難にもかかわらず、この廃棄物はアスファルトやコンクリートの充填材として使用されています。[158]水素製造への可能性も検討され、研究されてきました。[159] [160]

アプリケーション

アルミボディのオースチン A40 スポーツ（1951年頃）

金属

2016年のアルミニウムの世界生産量は5,880万トンでした。[古い統計]これは鉄（12億3,100万トン）を除く他のどの金属よりも生産量が多かったです。 [161] [162]

アルミニウムはほぼ常に合金化されており、特に焼き戻し処理を施すことで機械的特性が著しく向上します。例えば、一般的なアルミホイルや飲料缶は、92%から99%のアルミニウム合金です。[163]鍛造アルミニウムと鋳造アルミニウムの主な合金元素は、銅、亜鉛、マグネシウム、マンガン、シリコン（例えば、ジュラルミン）で、その他の金属は重量比で数パーセント程度含まれています。[164] [165]

アルミ缶

アルミニウムの主な用途は以下のとおりです。[166]

  • 輸送機器（自動車、航空機、トラック、鉄道車両、船舶、自転車、宇宙船など）。アルミニウムは、その低密度[167]、耐久性、耐腐食性のために使用されています。
  • 包装材（缶、アルミ箔、フレームなど）。アルミニウムは無毒（下記参照）、非吸着性、そして破片が飛び散りにくいという特徴があるため使用されます。
  • 建築・建設（窓、ドア、サイディング、ワイヤー、シース、屋根など）。鉄鋼は安価なため、軽量性、耐腐食性、あるいはエンジニアリング上の特性が重視される場合はアルミニウムが使用されます。
  • 電気関連の用途（導体合金、モーター、発電機、変圧器、コンデンサーなど）。アルミニウムは比較的安価で、導電性が高く、十分な機械的強度と低密度を有し、耐腐食性があるため使用されます。
  • 調理器具から家具まで、幅広い家庭用品に使用されています。低密度、美しい外観、加工の容易さ、そして耐久性が、アルミニウムの使用における重要な要素です。アルミニウムは、熱しやすく冷めやすく、コスト効率が高いため、調理器具、鍋、皿、その他の調理器具に最適な素材です[168]。そのため、ファーストフード店だけでなく家庭のキッチンでも使用されています。
  • 機械設備（加工設備、配管、工具）。アルミニウムは、耐腐食性、非自然発火性、機械的強度に優れているため使用されます。

化合物

酸化アルミニウムの大部分（約90％）は金属アルミニウムに変換されます。[151]アルミナは非常に硬い材料（モース硬度9）であるため、[169]研磨剤として広く使用されています。[170]化学的に非常に不活性であるため、高圧ナトリウムランプなどの反応性の高い環境で有用です。[171]酸化アルミニウムは、工業プロセスの触媒として一般的に使用されています。[151]例えば、製油所で硫化水素を硫黄に変換したり、アミンをアルキル化したりするクラウス法などです。[172] [173]多くの工業用触媒はアルミナに担持されており、高価な触媒材料が不活性アルミナの表面に分散していることを意味します。[174]もう一つの主な用途は、乾燥剤または吸収剤としてです。[151] [175]

基板上へのアルミナのレーザー蒸着

アルミニウムの硫酸塩は、工業的および商業的に利用されている。硫酸アルミニウム（水和物の形態）は、年間数百万トン規模で生産されている。[176]約3分の2が水処理に消費される。[176]次の主要な用途は紙の製造である。[176]また、染色、種子の酢漬け、鉱油の脱臭、皮なめし、および他のアルミニウム化合物の製造における媒染剤としても使用される。 [176]アンモニウムミョウバンとカリウムミョウバンの2種類のミョウバンは、以前は媒染剤として、また皮なめしに使用されていたが、高純度の硫酸アルミニウムが利用可能になって以来、その使用は大幅に減少した。[176]無水塩化アルミニウムは、化学および石油化学産業、染色産業、およびさまざまな無機および有機化合物の合成における触媒として使用される。[176]水酸化アルミニウムは、水の浄化、製紙産業、制汗剤として使用されます。[176] アルミン酸ナトリウムは、水処理やセメントの凝固促進剤として使用されます。[176]

多くのアルミニウム化合物にはニッチな用途があります。たとえば、次のとおりです。

生物学

人間の皮膚によるアルミニウムの吸収の模式図。[188]

アルミニウムは地殻中に広く存在するにもかかわらず、生物学的な役割は知られていない。 [ 48] pH 6～9（ほとんどの天然水に該当）では、アルミニウムは水酸化物として水から沈殿するため、利用できない。このように挙動するほとんどの元素は生物学的役割を持たず、有毒である。[189] 硫酸アルミニウムのLD 50は6207 mg/kg（経口、マウス）であり、これは70 kg（150ポンド）のマウスの場合、435グラム（約1ポンド）に相当する。

毒性

アルミニウムは、米国保健福祉省によって非発がん性物質に分類されている。[190] [r] 1988年に発表されたレビューでは、アルミニウムへの通常の曝露が健康な成人にリスクをもたらすという証拠はほとんどないと述べられており、[193] 2014年の多元素毒性学レビューでは、体重1kgあたり40mg/日以下のアルミニウムの摂取による有害な影響は見つからなかった。[190]摂取されたアルミニウムのほとんどは便として体外に排出され、血流に入ったアルミニウムは尿として排泄される。[194]

効果

アルミニウムは、まれではあるが、ビタミンD抵抗性骨軟化症、エリスロポエチン抵抗性小球性貧血、および中枢神経系の異常を引き起こす可能性がある。特に腎不全患者はリスクが高い。[190]含水ケイ酸アルミニウム（胃酸過多抑制用）を慢性的に摂取すると、アルミニウムが腸内容物に結合し、鉄や亜鉛などの他の金属の排泄が増加する可能性がある。また、1日50g以上を摂取すると貧血を引き起こす可能性がある。[190]

人体に吸収されるアルミニウムの主な形態は5つあります。遊離溶媒和三価陽イオン（Al 3+ (aq)）、低分子量中性可溶性錯体（LMW-Al 0 (aq)）、高分子量中性可溶性錯体（HMW-Al 0 (aq)）、低分子量荷電可溶性錯体（LMW-Al(L) n +/− (aq)）、ナノおよびマイクロ粒子（Al(L) n(s) ）です。これらは、細胞膜または細胞上皮／内皮を介して、5つの主要な経路によって輸送されます。（1）傍細胞、（2）経細胞、（3）能動輸送、（4）チャネル、（5）吸着または受容体を介したエンドサイトーシスです。[188]

1988年のキャメルフォード水質汚染事故では、キャメルフォードの住民の飲料水が数週間にわたり硫酸アルミニウムに汚染されました。2013年に発表されたこの事故に関する最終報告書では、これが長期的な健康問題を引き起こした可能性は低いと結論付けられました。[195]

アルミニウムはアルツハイマー病の原因となる可能性があると疑われてきましたが[196]、40年以上にわたる研究で、2018年現在、因果関係を示す確かな証拠は見つかりませんでした。[197] [198]

アルミニウムは、実験室で培養されたヒト乳がん細胞において、エストロゲン関連遺伝子の発現を増加させる。 [199]非常に高用量のアルミニウムは、血液脳関門の機能変化と関連している。[200]ごく一部の人々[201]はアルミニウムに対する接触アレルギーを有し、アルミニウムを含む製品との接触により、かゆみを伴う赤い発疹、頭痛、筋肉痛、関節痛、記憶力の低下、不眠症、うつ病、喘息、過敏性腸症候群などの症状を経験する。[202]

アルミニウム粉末やアルミニウム溶接煙への曝露は肺線維症を引き起こす可能性があります。[203]微細なアルミニウム粉末は発火したり爆発したりする可能性があり、職場における別の危険をもたらします。[204] [205]

曝露経路

食品はアルミニウムの主な摂取源です。飲料水には固形食品よりも多くのアルミニウムが含まれています。[190]しかし、食品に含まれるアルミニウムは水に含まれるアルミニウムよりも多く吸収される可能性があります。[206]人間がアルミニウムを経口摂取する主な摂取源としては、食品（食品添加物、食品・飲料の包装、調理器具に使用されているため）、飲料水（水道水処理に使用されているため）、アルミニウム含有医薬品（特に制酸剤・抗潰瘍剤や緩衝アスピリン製剤）などがあります。[207]ヨーロッパ人の食事からの摂取量は平均0.2～1.5 mg/kg/週ですが、2.3 mg/kg/週に達することもあります。[190]アルミニウムの摂取量が高い職業は、配管工、石工、電気工、機械工、外科医に限られています。[208]

制酸剤、制汗剤、ワクチン、化粧品の摂取もアルミニウムへの曝露経路となる可能性がある。 [209]酸性の食品やアルミニウムを含む液体の摂取はアルミニウムの吸収を促進し、[210]マルトールは神経組織や骨組織へのアルミニウムの蓄積を増加させることが示されている。[211]

処理

大量のアルミニウムを突然摂取した疑いがある場合、唯一の治療法はデフェロキサミンメシル酸塩であり、これはキレート療法によって体内のアルミニウムを排出するために投与されることがあります。[212] [213]しかし、これは体内のアルミニウム濃度だけでなく、銅や鉄などの他の金属の濃度も低下させるため、注意して使用する必要があります。[212]

環境への影響

ドイツ、シュターデにある「ボーキサイト尾鉱」貯蔵施設。アルミニウム産業は年間約7,000万トンのこの廃棄物を排出している。

鉱山現場の近くでは高濃度のアルミニウムが発生し、石炭火力発電所や焼却炉からは少量のアルミニウムが環境に放出されます。[194]空気中のアルミニウムは雨によって洗い流されるか、通常は沈殿しますが、小さなアルミニウム粒子は長期間空気中に残留します。[194]

酸性降水は、天然源からアルミニウムを動員する主な自然要因であり[190]、アルミニウムの環境影響の主な原因でもある。[214]しかし、塩水や淡水にアルミニウムが存在する主な要因は、アルミニウムを大気中に放出する産業プロセスである。[190]

水中では、水が酸性の場合、アルミニウムは魚などの鰓呼吸動物に対して毒性物質として作用し、鰓に沈殿することがあります[215]。その結果、血漿と体液のイオンが失われ、浸透圧調節障害を引き起こします[214] 。アルミニウムの有機錯体は、実際にはめったに起こりませんが、哺乳類や鳥類に容易に吸収され、代謝を妨げる可能性があります[214] 。

アルミニウムは、酸性土壌における植物の生育を阻害する主要な要因です。pH中性の土壌では、アルミニウムは一般的に植物の生育に無害ですが、酸性土壌では有毒なAl3 +カチオン濃度が増加し、根の生育と機能を阻害します。[216] [217] [218] [219] 小麦はアルミニウムに対する耐性を獲得し、有害なアルミニウムカチオンと結合する有機化合物を放出します。ソルガムも同様の耐性機構を持つと考えられています。[220]

アルミニウム生産は、生産工程の各段階において、環境に対する独自の課題を抱えています。最大の課題は温室効果ガスの排出です。これらのガスは、製錬所の電力消費と処理工程の副産物に起因します。[221]これらのガスの中で最も強力なのは、製錬工程から排出されるパーフルオロカーボン、すなわちCF 4とC 2 F 6です。[222]

金属アルミニウムの生分解は極めて稀で、アルミニウムを腐食させる生物のほとんどはアルミニウムを直接攻撃したり消費したりするのではなく、腐食性廃棄物を生成します。[223] [224] Geotrichum candidumという菌はコンパクトディスク内のアルミニウムを消費することができます。[225] [226] [227]緑膿菌とクラドスポリウム・レジンエという菌は、灯油ベースの燃料（航空ガソリンではない）を使用する航空機の燃料タンクで一般的に検出されており、実験室培養によってアルミニウムを分解することができます。[228]

参照

注記

  1. ^デイビーが1812年に 「アルミニウム」という語を記した文献は、他の著者が「アルミニウム」という語を用いたのに先行する。しかし、デイビーは元素に命名した人物としてしばしば言及される。彼はアルミニウムという名称を初めて考案した人物であり、 1808年に「alumium」という語を用いた。他の著者はその名称を受け入れず、代わりに「アルミニウム」を選択した。詳細は下記を参照。
  2. ^ 他の金属のほとんどは、より大きな標準原子量を持っています。例えば、鉄の標準原子量は55.845 ; 銅63.546 ; 鉛207.2 . [3]これは要素の特性に影響を与えます（下記参照）
  3. ^ 奇数原子番号の元素は2つ以上の安定同位体を持たないが、酸素から鉛までの偶数元素（原子番号8から82）はすべて2つ以上の安定同位体を持つ。[14]詳細については、偶数と奇数の原子核を参照。
  4. ^ アルミホイルの両面は光沢が異なり、片面は光沢があり、もう片面は光沢がありません。この違いは、アルミホイルの製造工程で光沢のない面の表面に生じる小さな機械的損傷によるものです。[25]両面とも可視光の反射量は同程度ですが、光沢面は可視光の鏡面反射率がはるかに高いのに対し、光沢のない面はほぼ完全に光を拡散します。アルミホイルの両面は、可視光の良好な反射率（約86%）と、中赤外線および遠赤外線の優れた反射率（最大97%）を備えています。[26]
  5. ^ 実際、アルミニウムの電気陽性挙動、酸素に対する高い親和性、および非常に負の標準電極電位はすべて、アルミニウムと同様に希ガスコアの外側に3つの価電子を持つスカンジウム、イットリウム、ランタン、アクチニウムの挙動とより一致しています。この系列は連続的な傾向を示していますが、13族の傾向はガリウムの最初のdサブシェルの追加とそれに伴うdブロックの収縮、およびタリウムの最初のfサブシェルの追加とそれに伴うランタノイドの収縮によって中断されます。[42]
  6. ^ Al-F結合の種類は他のM-F結合と大きく変わらないため、これらは[AlF 6 ] 3-複合アニオンとはみなされない。 [53]
  7. ^ フッ化物とより重いハロゲン化物との間のこのような配位の違いは珍しいことではなく、例えばSn IVとBi IIIで起こります。さらに大きな違いはCO 2とSiO 2の間で起こります。[53]
  8. ^ 情報源中の元素含有量は、粒子当たりの表記ではなく、シリコンに対する相対値で記載されている。シリコン10 6部あたりの全元素含有量の合計は2.6682 × 10である。10部品;アルミニウムは8.410 × 104つの部分。
  9. ^ USGSによるアルミニウム[111]と銅[112]の生産量の年間統計を比較する。
  10. ^ alumineという綴りはフランス語に由来し、aluminaという綴りはラテン語に由来する。[126]
  11. ^ デイビーは他にもいくつかの元素を発見しており、その中には英語の「ソーダ」と「ポタッシュ」にちなんで「ナトリウム」と「カリウム」と名付けた元素も含まれている。ベルセリウスはこれらを「ナトリウム（natrium）」と「カリウム（kalium）」と呼んだ。ベルセリウスの提案は1814年に[133]、 1文字または2文字の化学記号の体系を提案することで拡張され、これは現在まで使用されている。ナトリウムとカリウムは、ラテン語名にちなんでそれぞれNaとKという記号で表される。
  12. ^ ヴェーラーは1824年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスの論文をスウェーデン語から翻訳した際に、アルミニウムという言葉を使用していた。[140]
  13. ^ スペイン語やイタリア語など一部のヨーロッパ言語では、金属の名前を形成するためにラテン語の-um / -iumとは異なる接尾辞を使用し、ポーランド語やチェコ語など一部の言語では元素の名前に異なる基底を使用し、ロシア語やギリシャ語など一部の言語ではラテン文字をまったく使用しません。
  14. ^ 例えば、2013年11-12月号のChemistry Internationalの元素表では、この元素は「アルミニウム（aluminum）」と記載されています。[146]
  15. ^ 歴史的な綴りで、現在は「Tonerde」と綴られる
  16. ^ 電気化学協会の創設者であり、後に会長となった
  17. ^ 現在では「argile」と綴られる
  18. ^ アルミニウム自体は発がん性がありませんが、国際がん研究機関が指摘しているように、ゼーダーバーグ社のアルミニウム生産は多環芳香族炭化水素への曝露が原因である可能性が高いです。 [ 192 ]

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    カリウムはアルミニウムとグルシンに作用して暗灰色の自然発火性物質を生成し、これは燃えて鮮やかな火花を散らし、アルカリと土を残した。これを水に投入すると、水は激しく分解した。この実験の結果は、アルミニウムとグルシンと呼べるものの存在を完全に決定づけるものではない。

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さらに読む

  • ミミ・シェラー『アルミニウムの夢：光のモダニティの創造』マサチューセッツ州ケンブリッジ：マサチューセッツ工科大学出版局、2014年。
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