アルミニウム：歴史、特性、構造、入手、用途 - 化学

アルミニウムは、これは、低密度および硬度の軽金属で記号Aで表される（III A）周期表の13族に属する金属元素です。その両性の特性のために、それは一部の科学者によって半金属として分類されました。

それは延性があり、非常に展性のある金属です。そのため、ワイヤー、薄いアルミニウムシート、およびあらゆる種類のオブジェクトや図形の製造に使用されます。たとえば、合金の入った有名な缶や、食品やデザートを包むアルミホイルです。

くしゃくしゃにしたアルミホイルは、この金属で作られた最もシンプルで日常的なオブジェクトの1つです。出典：Pexels。

ミョウバン（水和硫酸カリウムアルミニウム）は、古くから医学や革のなめし、織物の染色の媒染剤として使用されてきました。したがって、その鉱物は永遠に知られています。

しかし、金属としてのアルミニウムは、1825年にØerstedによって非常に遅い時期に分離され、その結果、産業での使用を可能にする科学的活動が行われました。その当時、アルミニウムは鉄に次いで世界で最も生産量の多い金属でした。

アルミニウムは主に地殻の上部にあり、その重量の8％を占めています。これは、3番目に豊富な元素に相当し、そのシリカとケイ酸塩鉱物の酸素とシリコンを上回っています。

ボーキサイトは鉱物の集合体であり、その中には、アルミナ（酸化アルミニウム）、鉄、チタン、シリコンの金属酸化物があります。アルミニウム鉱業の主な天然資源です。

歴史

ミョウバン

メソポタミアでは、紀元前5000年。C.、彼らはすでにアルミニウム化合物を含んだ粘土を使ってセラミックを作りました。一方、4000年前、バビロニア人とエジプト人はいくつかの化合物にアルミニウムを使用していました。

ミョウバンに関する最初の文書は、紀元前5世紀にギリシャの歴史家であるヘロドトスによって作成されました。ミョウバンは、布地の染色の媒染剤として使用され、要塞の扉が設計された木材を火から保護するために使用されました。

同じように、1世紀のプリニー「エルダー」は、現在ミョウバンとして知られているミョウバンを、医学や媒染に使用される物質として指します。

16世紀以降、ミョウバンは革のなめしや紙のサイジングに使用されました。これは紙に一貫性を与え、書面での使用を可能にするゼラチン状の物質でした。

1767年に、スイスの化学者Torbern Bergmanがミョウバンの合成を達成しました。これを行うために、彼はムーナイトを硫酸で加熱し、次に溶液にカリを加えました。

アルミナの認識

1782年、フランスの化学者アントワーヌラヴォイジエは、アルミナ（Al ₂ O ₃）はある元素の酸化物であると指摘しました。酸素との親和性が高く、分離が困難でした。したがって、Lavoisierはアルミニウムの存在を予測しました。

その後、1807年、イギリスの化学者ハンフリーデービー卿がアルミナを電解しました。しかし、彼が使用した方法では、カリウムとナトリウムを含むアルミニウムの合金が製造されたため、金属を分離できませんでした。

Davyは、アルミナには金属ベースがあり、ミョウバンに使用される名前であるラテン語の「alumen」に基づいて、当初「alumium」と指定したとコメントしました。デービーは後にその名前を現在の英語名である「アルミニウム」に変更した。

1821年、ドイツの化学者Eilhard Mitscherlichは、アルミナの正しい式であるAl ₂ O ₃を発見することができました。

隔離

その同じ年、フランスの地質学者ピエールベルティエは、レボー地域のフランスの赤みを帯びた粘土岩の堆積物でアルミニウム鉱物を発見しました。ベルティエは鉱物をボーキサイトに指定しました。この鉱物は現在、アルミニウムの主な供給源です。

1825年、デンマークの化学者ハンスクリスチャンØerstedは、想定されるアルミニウムから金属棒を製造しました。彼はそれを「色と輝きが錫のように見える金属片」と表現しました。Øerstedは、塩化アルミニウム、AlCl ₃をカリウムアマルガムで還元することでこれを達成することができました。

しかし、研究者は純粋なアルミニウムではなく、アルミニウムとカリウムの合金を入手したと考えられていました。

1827年、ドイツの化学者フリードリヒヴェーラーは、約30グラムのアルミニウム材料をなんとか製造しました。その後、18年間の調査の結果、1845年にWöehlerは、金属の光沢と灰色がかった色で、ピンの頭のサイズの小球を製造しました。

ヴェーラーは、色、比重、延性、安定性など、金属のいくつかの特性についても説明しました。

鉱工業生産

1855年、フランスの化学者、アンリサントクレールデヴィルはヴェーラーの方法を改善しました。このために、彼はフローとして氷晶石（Na ₃ AlF ₆）を使用して、金属ナトリウムによる塩化アルミニウムまたは塩化ナトリウムアルミニウムの還元を使用しました。

これにより、フランスのルーアンでアルミニウムの工業生産が可能になり、1855年から1890年の間に200トンのアルミニウムの生産が達成されました。

1886年、フランス人エンジニアのポールエロールとアメリカ人学生のチャールズホールが独自にアルミニウムの製造方法を作成しました。この方法は、直流を使用して、溶融氷晶石中の酸化アルミニウムの電解還元から成ります。

この方法は効率的でしたが、必要な電力が大きいため、生産コストが高くなるという問題がありました。エウルトはこの問題をノイハウゼン（スイス）に設立し、ライン滝を発電機として利用することでこの問題を解決しました。

ホールは当初ピッツバーグ（米国）に定住しましたが、後に彼の産業をナイアガラの滝の近くに移転しました。

最後に、1889年にカールジョセフバイヤーはアルミナの製造方法を作成しました。これは、アルカリ溶液で密閉容器内のボーキサイトを加熱することから成ります。加熱プロセス中に、アルミナ画分は生理食塩水中に回収されます。

物理的及び化学的性質

外見

アルミ金属製バケツ。出典：Carsten Niehaus

金属光沢のあるシルバーグレーソリッド（上の画像）。柔らかい金属ですが、少量のシリコンと鉄で硬化します。さらに、最大4ミクロンの厚さのアルミニウムシートを製造できるため、延性と展性が非常に高いという特徴があります。

原子量

26,981 u

原子番号（Z）

融点

660.32ºC

沸点

2,470ºC

密度

周囲温度：2.70 g / mL

融点（液体）：2.375 g / mL

その密度は他の金属の密度に比べてかなり低いです。そのため、アルミニウムは非常に軽量です。

融合熱

10.71 kJ / mol

気化熱

284 kJ / mol

モルカロリー容量

24.20 J /（mol K）

電気陰性

ポーリングスケールの1.61

イオン化エネルギー

-最初：577.5 kJ / mol

-2番目：1,816.7 kJ / mol

-3番目：2,744.8 kJ / mol

熱膨張

25ºCで23.1 µm /（mK）

熱伝導率

237 W /（m K）

アルミニウムの熱コンダクタンスは鋼の3倍です。

電気抵抗率

20ºCで26.5nΩm

その電気コンダクタンスは銅の2/3です。

磁気秩序

常磁性

硬度

Mohsスケールで2.75

反応性

空気にさらされたときため、アルミニウムは、アルミニウムの薄い層の腐食に対して耐性である₂ O ₃酸化物、金属内部の継続から、その表面の酸化防止に形成します。

酸性溶液では、水と反応して水素を形成します。アルカリ性溶液では、アルミン酸イオン（のAlO形成しながら、₂^-）。

希酸はそれを溶かすことはできませんが、濃塩酸の存在下では溶けます。ただし、アルミニウムは濃硝酸に耐性がありますが、水酸化物に侵されて水素とアルミン酸イオンを生成します。

粉末アルミニウムは、酸素と二酸化炭素の存在下で焼却され、酸化アルミニウムと炭化アルミニウムを形成します。塩化ナトリウム溶液中に存在する塩化物によって腐食する可能性があります。このため、パイプにアルミニウムを使用することはお勧めしません。

アルミニウムは280 belowC未満の温度で水によって酸化されます。

2 Al（s）+ 6 H ₂ O（g）=> 2Al（OH）₃（s）+ 3H ₂（g）+熱

構造と電子構成

アルミニウムは金属元素（一部はメタロイド染料を含む）であり、そのAl原子は金属結合のおかげで互いに相互作用します。この無指向性の力は、価電子によって支配されます。価電子は、すべての次元で結晶全体に散乱します。

アルミニウムの電子構成によれば、これらの価電子は次のとおりです。

3S ²の3p ¹

したがって、アルミニウムは3つの価電子を持つため、3価の金属です。3s軌道に2つ、3pに1つ。これらの軌道は重なり合って3sと3pの分子軌道を形成するため、互いに接近しているため、最終的に伝導帯が形成されます。

sバンドはいっぱいですが、pバンドはより多くの電子のために多くの空孔があります。そのため、アルミニウムは優れた電気伝導体です。

アルミニウムの金属結合、その原子の半径、およびその電子特性により、fcc（面心立方）結晶が定義されます。そのようなfcc結晶は明らかにアルミニウムの唯一の既知の同素体であるので、それで動作する高圧に確実に耐えます。

酸化数

アルミニウムの電子構成は、最大3つの電子を失う可能性があることをすぐに示しています。つまり、Al ³⁺カチオンを形成する傾向が高い。アルミニウムに由来する化合物にこのカチオンの存在が想定される場合、酸化数は+3と言われています。よく知られているように、これはアルミニウムで最も一般的です。

ただし、この金属には他にも考えられるがまれな酸化数があります。例：-2（Al ²^-）、^- 1（Al ^-）、+ 1（Al ⁺）および+2（Al ²⁺）。

たとえば、Al ₂ O ₃では、アルミニウムの酸化数は+3（Al ₂³⁺ O ₃^2-）です。ALIとのAlOにある間、+1（アル⁺ F ^-）と+2アルミニウム（Al ^{2 +} O ^2-）、それぞれ。ただし、通常の条件または状況では、Al（III）または+3が最も豊富な酸化数です。Al ³⁺はネオン希ガスと等電子であるためです。

それが学校の教科書では常に仮定されており、正当な理由により、アルミニウムは+3が唯一の数または酸化状態であることを前提としています。

見つけて入手する場所

アルミニウムは地球の地殻の外縁に集中しており、3番目の元素であり、酸素とシリコンにのみ追い越されています。アルミニウムは地球の地殻の8重量％を占めます。

それは火成岩、主にアルミノケイ酸塩、長石、長石、雲母に含まれています。ボーキサイトのように赤みがかった粘土でも。

-ボーキサイト

ボーキサイト鉱山。ソース：ユーザー：VargaA

ボーキサイトは、水和アルミナと不純物を含むミネラルの混合物です。酸化鉄、酸化チタン、シリカなど、以下の重量パーセント：

-at ₂ O ₃ 35から60までパーセント

-Fe ₂ O ₃ 10〜30％

-SiO ₂ 4-10％

-TiO ₂ 2-5％

- 構成のH ₂ O 12-30％。

アルミナは、ボーキサイト中に水和形態で2つのバリアントが含まれています。

-一水和物（Al ₂ O ₃・H ₂ O）、2つの結晶学的形態、ベーマイトとダイアスポア

-三水和物（Al ₂ O ₃・3H ₂ O）、ギブサイトに代表される。

ボーキサイトはアルミニウムの主な供給源であり、鉱山から得られるほとんどのアルミニウムを供給します。

-アルミニウム堆積物

改造の

主にボーキサイトは、Alの40〜50％により形成された₂ O ₃、Feを20％₂ O ₃のSiO及び3~10％₂。

水熱

アルナイト。

マグマ

閃長岩、霞石、灰長石（Al ₂ O _3の 20％）などの鉱物を含むアルミナ質岩。

変成

ケイ酸アルミニウム（アンダルサイト、シリマナイト、カイアナイト）。

Detritics

カオリンの堆積物とさまざまな粘土（32％Al ₂ O ₃）。

-ボーキサイトの利用

ボーキサイトは空の下で採掘されます。それが含まれている岩または粘土が収集されると、直径2 mmの粒子が得られるまで、ボールミルとバーミルで粉砕および粉砕されます。これらのプロセスでは、処理された材料は湿ったままです。

アルミナを得るには、1989年にバイエルによって作成されたプロセスに従います。汚染物質である鉄、チタン、シリコン酸化物は浮遊状態のままです。

汚染物質をデカントし、アルミナ三水和物を冷却および希釈することによりアルミン酸ナトリウムから沈殿させます。続いて、三水和アルミナを乾燥して、無水アルミナと水を得る。

-アルミナの電解

アルミニウムを得るには、通常、Hall-Héroult（1886）が作成した方法に従って、アルミナを電気分解します。このプロセスは、溶融アルミナを氷晶石に還元することから成ります。

酸素は炭素アノードに結合し、二酸化炭素として放出されます。一方、放出されたアルミニウムは、電解槽の底に堆積し、そこで蓄積します。

合金

アルミニウム合金は通常4つの数字で識別されます。

1xxx

コード1xxxは、純度99％のアルミニウムに対応します。

2xxx

コード2xxxは、アルミニウムと銅の合金に対応します。それらは航空宇宙車両で使用された強力な合金ですが、腐食により割れました。これらの合金はジュラルミンとして知られています。

3xxx

3xxxコードは、マンガンと少量のマグネシウムがアルミニウムに追加された合金を対象としています。彼らは非常に耐摩耗性に優れた合金であり、3003合金は台所用品の精巧な製造に使用され、3004は飲料缶に使用されています。

4xxx

4xxxコードは、アルミニウムにシリコンが追加された合金を表し、金属の融点を下げます。この合金は溶接ワイヤの製造に使用されます。Alloy 4043は、自動車や構造要素の溶接に使用されます。

5xxx

5xxxコードは、マグネシウムが主にアルミニウムに追加される合金をカバーしています。

それらは海水腐食に強い強い合金で、圧力容器やさまざまな海洋用途に使用されます。合金5182はソーダ缶の蓋を作るために使用されます。

6xxx

6xxxコードは、シリコンとマグネシウムがアルミニウムとの合金に追加されている合金をカバーしています。これらの合金は鋳造可能で、溶接可能で、耐腐食性があります。このシリーズで最も一般的な合金は、建築、自転車のフレーム、iPhone 6の構造に使用されています。

7xxx

7xxxコードは、アルミニウムに亜鉛が追加された合金を示します。Ergalとも呼ばれるこれらの合金は、航空機の構造に7050合金と7075合金を使用しており、破損に強く、硬度が高いです。

リスク

直接ばく露

アルミニウム粉末との接触は、皮膚と目の炎症を引き起こす可能性があります。アルミニウムに長時間さらされると、インフルエンザのような症状、頭痛、発熱、悪寒を引き起こす可能性があります。また、胸の痛みや圧迫感が生じることがあります。

微細なアルミニウム粉塵にさらされると、肺の瘢痕化（肺線維症）を引き起こし、咳や息切れの症状が現れます。OSHA は、8時間の労働日におけるアルミニウム粉塵への曝露に対して5 mg / m ^3の制限を確立しました。

アルミニウムへの職業曝露の生物学的許容値は、尿中のクレアチニン50 µg / gで確立されています。尿中のアルミニウム濃度が100 µg / gのクレアチニンを超えると、神経心理学テストのパフォーマンスが低下します。

乳癌

発汗抑制剤の消臭剤には、乳がんの発生に関連する塩酸塩として使用されています。しかしながら、とりわけ、塩酸アルミニウムの皮膚吸収はわずか0.01％であるため、この関係は明確には確立されていません。

神経毒性効果

アルミニウムは神経毒性があり、職業被ばくのある人々では、アルツハイマー病を含む神経学的疾患に関連しています。

アルツハイマー病患者の脳にはアルミニウムが高濃度で含まれています。しかし、それが病気の原因なのか、それが原因なのかは不明です。

神経毒性効果の存在は、透析患者で確認されています。この手順では、リン酸塩結合剤としてアルミニウム塩を使用し、血中に高濃度のアルミニウムを生成しました（> 100 µg / L血漿）。

影響を受けた患者は、見当識障害、記憶障害を示し、進行期には認知症を示しました。アルミニウムは神経毒性を説明しますが、それは脳では排除することが難しく、その機能に影響を与えるからです。

アルミインテーク

アルミニウムは多くの食品、特にお茶、スパイス、一般的には野菜に含まれています。欧州食品安全機関（EFSA）は、毎日1 mg / kg体重の食品中のアルミニウム摂取の許容限度を設定しました。

2008年、EFSAは食品中のアルミニウムの毎日の摂取量は1日あたり3〜10 mgの範囲であると推定しました。だけでなく、食品を調理するためのアルミニウム器具の使用。

用途

-金属のように

電気

アルミニウムは優れた導電体であるため、送電線、モーター、発電機、変圧器、コンデンサーの合金に使用されています。

建物

アルミニウムは、ドアや窓のフレーム、パーティション、フェンス、コーティング、断熱材、天井などの製造に使用されます。

輸送

アルミニウムは、自動車、飛行機、トラック、自転車、オートバイ、ボート、宇宙船、鉄道車両などの部品の製造に使用されます。

コンテナ

さまざまな種類の食品用のアルミ缶。出典：Pxhere。

アルミニウムは、飲料缶、ビール樽、トレーなどに使用されます。

ホーム

アルミバケツ。出典：Pexels。

アルミニウムは台所用品を作るために使用されます：鍋、フライパン、フライパン、包装紙。家具、ランプなどに加えて

反射力

アルミニウムは放射エネルギーを効率的に反射します。紫外線から赤外線まで。可視光におけるアルミニウムの反射力は約80％で、ランプのシェードとして使用できます。

さらに、アルミニウムは微粉の形でも銀の反射特性を保持しているため、銀塗料の製造に使用できます。

-アルミニウム化合物

アルミナ

金属アルミニウム、絶縁体、点火プラグの製造に使用されます。アルミナが加熱されると、それは水を吸収する多孔質構造を発達させ、ガスを乾燥させるために使用され、さまざまな化学反応における触媒の作用の座として機能します。

硫酸アルミニウム

製紙や表面フィラーとして使用されます。硫酸アルミニウムは、カリウムアルミニウムミョウバンを形成するのに役立ちます。これは、最も広く使用されているミョウバンであり、多数の用途があります。医薬品の製造、塗料、織物の染色用媒染剤など。

塩化アルミニウム

フリーデル・クラフツ反応で最も使用されている触媒です。これらは、芳香族ケトンとアントラキノンの調製に使用される合成有機反応です。水和塩化アルミニウムは、局所制汗剤および消臭剤として使用されます。

水酸化アルミニウム

それは防水布とアルミン酸塩の生産に使用されます。

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