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| アルミニウム | |||||||||||||||||||||||||
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| 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) | |||||||||||||||||||||||||
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| 周期表におけるアルミニウム | |||||||||||||||||||||||||
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| 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 | [ね] 3s 2 3p 1 | ||||||||||||||||||||||||
| 殻あたりの電子数 | 2、8、3 | ||||||||||||||||||||||||
| 物理的特性 | |||||||||||||||||||||||||
| STPでの フェーズ | 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/cm3 [ 5] | ||||||||||||||||||||||||
| 液体の場合（ mp） | 2.375グラム/ cm3 | ||||||||||||||||||||||||
| 融解熱 | 10.71 kJ/モル | ||||||||||||||||||||||||
| 気化熱 | 284 kJ/モル | ||||||||||||||||||||||||
| モル熱容量 | 24.20 J/(モル·K) | ||||||||||||||||||||||||
蒸気圧
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| 原子特性 | |||||||||||||||||||||||||
| 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 |
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| 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 | ||||||||||||||||||||||||
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| その他のプロパティ | |||||||||||||||||||||||||
| 自然発生 | 原始的な | ||||||||||||||||||||||||
| 結晶構造 | 面心立方(fcc) ( cF4 ) | ||||||||||||||||||||||||
| 格子定数 |  | ||||||||||||||||||||||||
| 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℃時） | ||||||||||||||||||||||||
| 磁気秩序 | 常磁性体[12] | ||||||||||||||||||||||||
| モル磁化率 | +16.5 × 10 −6 cm 3 /モル | ||||||||||||||||||||||||
| ヤング率 | 70GPa | ||||||||||||||||||||||||
| せん断弾性係数 | 26GPa | ||||||||||||||||||||||||
| 体積弾性率 | 76GPa | ||||||||||||||||||||||||
| 音速の 細い棒 | (ロール) 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「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 | |||||||||||||||||||||||||
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アルミニウム（北米英語ではaluminum）は化学元素であり、記号はAl、原子番号は 13です。アルミニウムの密度は他の一般的な金属よりも低く、鋼鉄の約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。アルミニウムは、色と光の反射率の高さの両方において銀に似ています。アルミニウムは柔らかく、非磁性で、延性があります。アルミニウムには安定同位体である27 Alが1つあり、非常に豊富に存在するため、宇宙で12番目に多い元素となっています。26 Alは放射能があるため、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遷移後金属である。この族では一般的であるように、アルミニウムは主に +3 の酸化状態で化合物を形成する。アルミニウム陽イオンAl 3+は小さく、電荷が高い。そのため、分極力がより強く、アルミニウムによって形成される結合はより共有結合的な性質を持つ。アルミニウムは酸素と親和性が高いため、自然界ではその酸化物が一般的に存在する。アルミニウムは地球上では主にマントルではなく地殻の岩石中に存在し、酸素とケイ素に次いで3 番目に豊富な元素であり、自由金属として存在することは事実上ない。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る。
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・ホールが独立して開発したホール・エルー法によって一般にはるかに利用しやすくなり、アルミニウムの大量生産により、産業や日常生活で広く使用されるようになりました。第一次および第二次世界大戦では、アルミニウムは航空にとって重要な戦略資源でした。1954年には、アルミニウムは銅を上回り、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。
アルミニウム塩は環境中に広く存在しているにもかかわらず、それを代謝する生物は知られていないが、このアルミニウムは植物や動物によく許容される。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興味深く、研究が進められている。
身体的特徴
同位体
アルミニウム同位体のうち、27
アル
は安定している。この状況は、原子番号が奇数の元素によく見られる。[b]これは唯一の原始的なアルミニウム同位体であり、つまり、地球の形成以来、現在の形で地球上に存在してきた唯一の同位体である。したがって、これは単核元素であり、その標準原子量は同位体のそれと実質的に同じである。このため、アルミニウムは核磁気共鳴（NMR）に非常に有用であり、その唯一の安定同位体は高いNMR感度を有する。[16]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い。[c]
アルミニウムの他の同位体はすべて放射性です。これらの中で最も安定しているのは26 Alです。太陽系が形成された星間物質には安定した27 Alとともに存在し、恒星内元素合成によっても生成されましたが、半減期はわずか 717,000 年であるため、惑星の形成以来、検出可能な量は残っていません。[17]しかし、微量の26 Al は、宇宙線陽子による破砕によって大気中のアルゴンから生成されます。 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。[18]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、 45億5千万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。[19]
アルミニウムの残りの同位体は質量数が21から43の範囲にあり、半減期はすべて1時間未満です。3つの準安定状態が知られており、いずれも半減期は1分未満です。[15]
電子殻
アルミニウム原子は 13 個の電子を持ち、[ Ne ] 3s 2 3p 1の電子配置で配置されており、[20] 3 つの電子が安定した希ガス配置を超えています。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を合わせた値は、4 番目のイオン化エネルギーのみよりもはるかに低くなります。[21]このような電子配置は、同じグループの他のよく特徴付けられたメンバーであるホウ素、ガリウム、インジウム、およびタリウムと共有されており、ニホニウムにも期待されています。アルミニウムは、多くの化学反応でその最外殻電子 3 つを放棄することができます (以下を参照)。アルミニウムの電気陰性度は 1.61 (ポーリングスケール) です。[22]
自由アルミニウム原子の半径は143 pmである。[23]最外殻電子3個を除去すると、半径は4配位原子では39 pm、6配位原子では53.5 pmに縮小する。[23]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）原子の最外殻電子が提供する金属結合によって束縛された面心立方結晶系を形成するため、アルミニウムは（これらの条件下では）金属である。 [24]この結晶系は鉛や銅など他の多くの金属と共有されており、アルミニウムの単位格子のサイズは他の金属のものと同程度である。[24]しかし、このシステムは同じグループの他の元素と共有されていません。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に最密ではない珍しい構造を持っています。アルミニウムの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原因であると考えられます。[25]
バルク
アルミニウム金属は、表面の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、近紫外線と遠赤外線に対してすべての金属ミラーの中で最も反射率が高いです。また、可視スペクトルの光に対して最も反射率が高く、この点では銀とほぼ同等であるため、この2つは似ています。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表面が摩耗します。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と、 これを防ぐことができます。
アルミニウムの密度は2.70 g/cm 3 で、鋼鉄の約1/3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その軽さで簡単に識別できます。[28]アルミニウムが他のほとんどの金属と比較して密度が低いのは、その原子核がはるかに軽いためであり、単位格子のサイズの違いはこの差を補うものではありません。より軽い金属は1族と2族の金属のみであり、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）。[29]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他の多くの用途では、低密度がこれを補っています。[30]
純アルミニウムは非常に柔らかく、強度に欠ける。ほとんどの用途では、強度と硬度が高いさまざまなアルミニウム合金が代わりに使用されている。 [31]純アルミニウムの降伏強度は7～11 MPaであるのに対し、アルミニウム合金の降伏強度は200 MPaから600 MPaの範囲である。[32]アルミニウムは延性があり、伸び率は50～70%で、[33]展性があるため、簡単に引き抜きや押し出しができる。[34]また、機械加工や鋳造も容易である。[34]
アルミニウムは優れた熱伝導性と電気伝導性を持ち、熱伝導性と電気伝導性は銅の約60%である一方、密度は銅の30%しかありません。 [35]アルミニウムは超伝導が可能で、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。[36]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。[37]ただし、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。[38]
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る。より重い第13族同族元素と同様に金属結合に利用できる電子が少ないため、遷移後金属の特徴的な物理的特性を持ち、予想よりも長い原子間距離を持つ。[25]さらに、Al 3+は小さく高電荷の陽イオンであるため、分極が強く、アルミニウム化合物の結合は共有結合に向かう傾向がある。[39]この挙動はベリリウム（Be 2+ ）の挙動と似ており、この2つは対角関係の例を示している。[40]
アルミニウムの価電子殻の下にある核は、前述の希ガスの核であるが、より重い同族元素であるガリウム、インジウム、タリウム、ニホニウムの核も、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-サブシェルを含む。したがって、アルミニウムのより重い同族元素とは異なり、アルミニウムの内部電子は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グループ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。[39] [e]アルミニウムは、同じグループの半金属ホウ素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）、どちらもルイス酸として振舞い、容易に付加物を形成する。[41]さらに、ホウ素化学の主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。[42]
アルミニウムは酸素との化学的親和性が高く、テルミット反応の還元剤としての使用に適しています。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。しかし、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）を形成します[43]。この層は、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。 [39] [44]アルミニウムは一般に耐腐食性があるため、微粉末の形で銀色の反射率を保持する数少ない金属の1つであり、銀色の塗料の重要な成分となっています。[45]アルミニウムは不動態化されているため、酸化酸に侵されません。このため、アルミニウムは硝酸、濃硫酸、および一部の有機酸などの試薬の保管に使用できます。 [46]
熱い濃塩酸中では、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中では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。[47] 王水もアルミニウムを溶解する。[46]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腐食されるため、家庭用配管はアルミニウム製ではない。[47]アルミニウムの酸化層は、アマルガム化による水銀との接触や、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。[39]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、[32]特に異種金属が存在する場合、アルミニウムの耐食性は水性塩によって大幅に低下する。[25]
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、周期表のあらゆるグループの金属を含む幅広い金属間化合物も形成します。[39]
無機化合物
アルミニウム含有鉱物や商業的に重要なアルミニウム化合物を含む化合物の大部分は、アルミニウムの酸化状態が3+である。このような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)の化合物のほとんどすべては無色である。[39]
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。[16]このような溶液は酸性であり、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の沈殿物が形成される。沈殿物は水中の浮遊粒子上で核形成し、それらを除去するため、水の浄化に役立つ。pH をさらに上げると、水酸化物が再び溶解してアルミネート[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融合する。[39] Al(OH) 3のこの挙動は両性と呼ばれ、不溶性水酸化物を形成し、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つは、弱酸を含むアルミニウム塩が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ことである。たとえば、硫化アルミニウムは硫化水素を生成する。しかし、炭酸アルミニウムなどの一部の塩は水溶液中に存在しても不安定であり、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」を加熱して作ることはできない。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、加熱してもそれらを切断してAl–Cl結合を形成するには不十分である。[39]
- 2[Al(H 2 O) 6 ]Cl 3 アルミニウム2酸素3 + 6 HCl + 9 H 2酸素
4 つの三ハロゲン化物はすべてよく知られている。3 つのより重い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および不溶性、ならびに高い生成熱を説明できる。各アルミニウム原子は 6 つのフッ素原子に囲まれて歪んだ八面体配置になっており、各フッ素原子は 2 つの八面体の頂点で共有されている。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する。[f] AlF 3 は1,290 °C (2,354 °F) で融解し、700 °C (1,300 °F) で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る。[49]
より重いハロゲン化物では、配位数はより低くなります。その他の三ハロゲン化物は、四面体の4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、融点の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 6二量体に変わります。より高温では、BCl 3の構造に似た三方平面AlCl 3モノマーに解離しやすくなります。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。[49]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によって製造されます。三ハロゲン化アルミニウムは、多くの付加化合物または錯体を形成します。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があります。また、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ための試薬（トランスハロゲン化反応）としてもよく使用されます。[49]
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る。[50]自然界では鉱物コランダム、α-アルミナとして見つかる。 [51] γ-アルミナ相も存在する。[16]その結晶形であるコランダムは非常に硬く（モース硬度9）、融点が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あるため、研磨剤（歯磨き粉など）や耐火物、セラミックスによく使用され、アルミニウムの電解生産の出発物質でもある。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ある。[16] 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、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。[16]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、それ自体が非常に有用です。スピネル（MgAl 2 O 4）、Na-β-アルミナ（NaAl 11 O 17）、三カルシウムアルミネート（Ca 3 Al 2 O 6 、ポートランドセメントの重要な鉱物相）などのいくつかの混合酸化物相も非常に有用です。[16]
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 )、およびテルル化物(Al 2 Te 3 ) のみです。これら 3 つは、約 1,000 °C (1,800 °F) で元素を直接反応させることによって生成され、水中で急速に完全に加水分解されて、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小さな原子であるため、これらは 4 配位四面体アルミニウムであり、ウルツ鉱に関連した構造を持つさまざまな多形を持ち、可能な金属サイトの 3 分の 2 が整然とした (α) またはランダムな (β) 形式で占有されています。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、残りの半分が三方両錐五配位という珍しい高温六方型もあります。[52]
ニクタイドには、アルミニウム窒化物（AlN）、アルミニウムリン化物（AlP）、アルミニウムヒ素化物（AlAs）、アルミニウムアンチモン化物（AlSb）の4種類が知られている。これらはすべて、シリコンやゲルマニウムと等電子的なIII-V族半導体であり、AlNを除いてすべて閃亜鉛鉱構造をとっている。4種類とも、構成元素の高温（場合によっては高圧）直接反応によって生成できる。[52]
アルミニウムは他のほとんどの金属（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、一定の割合で固定された金属を一緒に加熱し、その後徐々に冷却して焼きなましを行います。それらの結合は主に金属的であり、結晶構造は主にパッキングの効率に依存します。[53]
より低い酸化状態の化合物はほとんどない。アルミニウム(I)化合物はいくつか存在する。AlF、AlCl、AlBr、およびAlIは、それぞれの三ハロゲン化物をアルミニウムとともに加熱すると気相で存在し、極低温でも存在する。 [49]アルミニウムモノヨウ化物の安定した誘導体は、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およびAl 2 Sも存在するが、非常に不安定である。[54]非常に単純なアルミニウム(II)化合物は、Al金属と酸化剤の反応で呼び出されたり観察されたりしている。たとえば、一酸化アルミニウム、AlOは、爆発後の気相で[55]および恒星の吸収スペクトルで検出されている。[56]より徹底的に調査されているのは、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。[57]
有機アルミニウム化合物および関連水素化物
実験式AlR 3およびAlR 1.5 Cl 1.5の化合物は多種多様に存在する。[58]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。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。ホウ素類似体とは異なり、二量体を形成することが多いが、分岐鎖アルキル（例：Pr i、Bu i、Me 3 CCH 2）ではこの傾向は減少する。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。[59] [60]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架橋するアルキル基との二量化によって形成された四面体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・ツィーグラーが発見し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形成する「成長反応」、およびエチレンおよびプロペンの低圧重合に主に使用されています。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あります。 [59]
工業的に最も重要なアルミニウム水素化物は、有機化学で還元剤として使用される水素化アルミニウムリチウム（LiAlH 4 ）です。これは、水素化リチウムと三塩化アルミニウムから生成できます。[61]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はあまり重要ではありません。これは、式（BH 3）2の二量体である対応する水素化ホウ素とは対照的に、式（AlH 3）nのポリマーです。[61]
自然発生
空間
太陽系におけるアルミニウムの粒子当たりの存在量は3.15 ppm（百万分の一）である。[62] [h]アルミニウムは全元素の中で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。[62]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超新星と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。この融合により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は、進化した星の水素燃焼殻で少量生成され、そこで26 Mgが自由陽子を捕獲できる。[63]基本的に、現在存在するアルミニウムはすべて27 Alである。26 Alは、 27 Alに比べて0.005%存在していたが、半減期が728,000年と短すぎるため、元の原子核は生き残れず、26 Alは絶滅した。[63] 27 Alとは異なり、 26 Alの主な発生源は水素燃焼であり、 25 Mgの原子核が自由陽子を捕らえた後に核種が出現する。しかし、微量に存在する26 Alは、星間ガスで最も一般的なガンマ線放出源である。[63]元の26 Alがまだ存在していれば、天の川銀河のガンマ線マップはより明るくなるはずである。 [63]
地球
地球全体では、アルミニウムの質量比は約1.59%（質量比で7番目に多い）である。[64]アルミニウムは、宇宙全体よりも地殻に多く存在する。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るのに対し、反応性の低い金属は核に沈むためである。[63]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% [33]）であり、すべての元素の中で3番目に豊富（酸素とケイ素に次ぐ）である。[65]地殻の多くのケイ酸塩にはアルミニウムが含まれている。[66]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ない。[67]アルミニウムは海水にも2μg/kgの濃度で存在する。[33]
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存在します。[68] Al 2 O 3に含まれるクロムや鉄などの不純物は、それぞれ宝石の ルビーやサファイアを生み出します。[69] 自然界のアルミニウム金属は極めて稀で、特定の火山の内部など、酸素のフガシティーが低い環境でのみ微量相として見つかります。 [70]自然界のアルミニウムは、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じた可能性があります。[71]
アルミニウムは一般的で広く存在する元素ですが、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源というわけではありません。金属アルミニウムのほぼすべては鉱石ボーキサイト （ AlO x (OH) 3–2 x ）から生産されます。ボーキサイトは、熱帯気候条件で鉄分とシリカ分の少ない岩盤の風化生成物として発生します。 [72] 2017年には、ボーキサイトの大部分がオーストラリア、中国、ギニア、インドで採掘されました。[73]
歴史
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。ギリシャの歴史家ヘロドトスによるミョウバンの最初の記録は、紀元前5世紀に遡ります。[74]古代人は染色媒染剤として、また都市防衛のためにミョウバンを使用していたことが知られています。[74]十字軍の後、ヨーロッパの織物産業に欠かせない商品であったミョウバンは、[75]国際貿易の対象となり、[76] 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。[77]
ミョウバンの性質は不明のままだった。1530年頃、スイスの医師パラケルススは、ミョウバンはミョウバンの土の塩であると示唆した。 [78] 1595年、ドイツの医師で化学者のアンドレアス・リビウスは、実験的にこれを確認した。[79] 1722年、ドイツの化学者フリードリヒ・ホフマンは、ミョウバンのベースは別の土であるという彼の考えを発表した。[80] 1754年、ドイツの化学者アンドレアス・ジギスムント・マルクグラフは、粘土を硫酸で煮沸し、その後にカリを加えることでアルミナを合成した。[80]
アルミニウムを生産する試みは1760年に遡る。[81]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。[82] [83] [84]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。[85] [86] 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、アルミニウムを特定しなかった。[87]（この矛盾の理由は1921年に初めて発見された。）[88]彼は同じ年に無水塩化アルミニウムとカリウムを混合する同様の実験を行い、アルミニウムの粉末を生成した。[84] 1845年に彼は金属の小片を作り、この金属のいくつかの物理的性質を記述しました。[88]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。[89]
ヴェーラーの方法ではアルミニウムを大量に生産できなかったため、この金属は希少なままで、そのコストは金を上回った。[87]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。[90]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便利で安価だった。[91]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はサンプルごとに特性が異なっていた。[92]アルミニウムは電気伝導性があるため、1885年に完成したワシントン記念塔の蓋に使用された。当時世界で最も高い建物であったこの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。[93]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。 [94]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。[95]
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、ホイル、その他の日用品に広く使われるようになった。アルミニウムは他の金属と硬くて軽い合金を形成できるため、当時はさまざまな用途に使われていた。[96]第一次世界大戦中、主要国政府は軽くて丈夫な機体のために大量のアルミニウムの出荷を要求した。 [97]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った。[98] [99] [100]
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った。[101] 1954年、アルミニウムの生産量は銅を上回り[i]、歴史的には鉄に次ぐ第2位の生産量となり[104] 、非鉄金属の中で最も多く生産された。20世紀半ばには、アルミニウムは土木材料として登場し、基礎工事と内装仕上げの両方で建築用途に使用され[105]、航空機と陸上装甲車のエンジンの両方で軍事工学でますます使用されるようになった。[106] 1957年に打ち上げられた 地球初の人工衛星は、2つの別々のアルミニウム半球を結合したもので、その後のすべての宇宙船はある程度アルミニウムを使用している。[95]アルミ缶は1956年に発明され、1958年に飲料の保管に使用された。 [107]
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、年間生産量が初めて10万トンを超えたのは1916年、1941年には100万トン、1971年には1000万トンに達した。 [102] 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。 [95]生産量は増加し続け、2013年にはアルミニウムの年間生産量が5000万トンを超えた。[102]
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。[102]抽出および処理コストは、技術の進歩と経済規模に応じて低下した。しかし、低品位で品質の悪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、アルミニウムの純コストが増加した。[108]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。[109]生産は、工業国から生産がより安価な国に移った。[110] 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。[111] BRIC諸国の一次生産と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。[112]中国は、豊富な資源、安価なエネルギー、政府の景気刺激策により、世界の生産量の特に大きなシェアを蓄積しています。[113]また、消費シェアは1972年の2％から2010年には40％に増加しました。[114]米国、西ヨーロッパ、日本では、アルミニウムのほとんどは輸送、エンジニアリング、建設、梱包に消費されました。[115] 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レベルに急騰しました。[116]
語源
アルミニウムとアルミニウムという名前は、アルミニウムの天然酸化物であるアルミナ[j]の旧称であるalumineという単語に由来しています。[118]アルミンはフランス語から借用され、そのフランス語は、アルミニウムが採取された鉱物であるミョウバンの古典ラテン語名であるalumenから派生しました。 [119]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。[120]
起源
金属を単離することを目的とした多くの実験を行った英国の化学者ハンフリー・デービーが、この元素に名前を付けた人物として知られています。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alumiumであり、これはデービーが1808年に王立協会哲学会報に発表した電気化学の研究に関する論文で提案したものです。[121]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、当時はラテン語に由来する名前を付けるのが慣例であったため、この名前は普遍的に採用されませんでした。この名前はフランス、ドイツ、スウェーデンの同時代の化学者によって批判され、彼らは金属は単離される酸化物アルミナにちなんで名付けられるべきだと主張しました。[122]英語の名前alum はラテン語から直接来ていませんが、alumine / alumina は明らかにラテン語のalumenに由来しています（alumen は変化してalumin-に変化します）。
一例としては、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書いた「化学命名法に関するエッセイ」（1811年7月）がある。この論文では、ミョウバンから合成される元素にアルミニウムという名前が与えられている。 [123] [k]（同じ雑誌の別の記事でも、サファイアの元となる酸化物である金属、つまりアルミニウムと同じ金属について言及している。）[125] 1811年1月の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前が可能性のあるものとして言及されている。[126]翌年、デービーは化学の教科書を出版し、その中ではaluminumという綴りを使った。[127]それ以来、両方の綴りが共存している。現在では、それらの使用は地域的であり、aluminumは米国とカナダで主流であり、aluminiumは英語圏のその他の地域で普及している。[128]
スペル
1812年、イギリスの科学者トーマス・ヤング[129]はデービーの本の匿名の書評を書き、その中でアルミニウムの代わりに「あまり古典的ではない響き」を持つアルミニウムという名称を提案した。 [130]この名称は存続した。英国では-umの綴りが時折使われていたが、アメリカの科学用語では最初から-iumが使われていた。 [131] 19世紀には世界中のほとんどの科学者が-iumを使用していた。 [128]そして、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た。[l] 1828年、アメリカの辞書編集者ノア・ウェブスターは、自身のアメリカ英語辞典にアルミニウムの綴りだけを収録した。[132] 1830年代には、-umの綴りが米国で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ていた。[131] 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の綴りを使用していたにもかかわらず、金属を製造する新しい電解法の広告チラシで-umの綴りを使用しました。この綴りが誤って導入されたのか意図的であったのかは不明ですが、ホールは、高貴な金属の名前であるプラチナに似ているため、導入以来aluminumを好んでいました。 [133] 1890年までに、両方の綴りが米国で一般的になり、-iumの綴りの方がわずかに一般的でした。1895年までに状況は逆転し、1900年までにaluminumはaluminiumの2倍になりました。次の10年間で、-umの綴りが米国での使用を支配しました。1925年、アメリカ化学会はこの綴りを採用しました。[128]
国際純正応用化学連合（IUPAC）は、 1990年にアルミニウムを元素の標準国際名として採用しました。 [134] 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。 [134]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。[135] IUPACの公式出版物では、-iumの綴りが主に使用されており、適切な場合は両方が記載されています。[m]
生産と精製
アルミニウムの生産は、地中からボーキサイト岩石を採掘することから始まります。ボーキサイトはバイエル法で処理され、アルミナに変換され、次にホール・エルー法で処理されて、最終的なアルミニウムが作られます。
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。[138]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。[139] 2023年現在、世界最大のアルミニウム生産国は中国、ロシア、インド、カナダ、アラブ首長国連邦であり、[137]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。
国際資源パネルの「社会における金属の蓄積」報告書によると、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の蓄積量は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））にあります。[140]
バイエル法
ボーキサイトはバイエル法によってアルミナに変換される。ボーキサイトは均一な組成になるように混合され、粉砕される。得られたスラリーは水酸化ナトリウムの熱い溶液と混合され、その後、混合物は大気圧よりはるかに高い圧力で消化容器で処理され、ボーキサイト中の水酸化アルミニウムが溶解し、不純物は比較的溶けにくい化合物に変換される。[141]
Al(OH) 3 + Na + + OH − → Na + + [Al(OH) 4 ] −
この反応後、スラリーは大気圧の沸点以上の温度になる。圧力を下げながら蒸気を除去して冷却する。ボーキサイト残渣を溶液から分離し、廃棄する。固形物のない溶液に、水酸化アルミニウムの小さな結晶を播種する。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さな結晶は播種剤として収集され、粗い粒子は加熱によりアルミナに変換される。余分な溶液は蒸発によって除去され、（必要に応じて）精製されてリサイクルされる。[141]
ホール・エルー過程
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（950〜980℃（1,740〜1,800℉））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。液体アルミニウムは溶液の底に沈み、取り出され、通常はアルミニウムビレットと呼ばれる大きなブロックに鋳造され、さらに処理されます。[46]
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、プロセス時に焼成されるか、または事前に焼成される。前者は、ソーダーベルグ陽極とも呼ばれ、電力効率が低く、焼成中に放出される煙を回収するのにコストがかかるため、陰極を事前に焼成するための電力、エネルギー、および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る。陽極用の炭素は、アルミニウムも電解液も灰で汚染されないように、できれば純粋であるべきである。炭素は腐食に対して耐性があるにもかかわらず、生産されるアルミニウム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る。陰極は無煙炭で作られているが、不純物の浸出は非常に遅いため、高純度である必要はない。陰極は、生産されるアルミニウム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る。陰極が故障すると、通常、セルは2～6年後に使用停止となる。[46]
ホール・エルー法では純度99%以上のアルミニウムが生産される。フープス法ではさらに精製することができる。この方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する。得られたアルミニウムの純度は99.99%である。[46] [142]
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。アルミニウム生産は、米国で生成される電力の約5％を消費します。[134]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、どれも経済的に実現可能ではありませんでした。[46]
リサイクル
リサイクルによる金属の回収は、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、飲料缶のアルミニウムの使用が増えたことで、一般の人々の関心が高まった。[143]リサイクルにはスクラップの溶解が含まれるが、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％しか必要としない。ただし、かなりの部分（投入材料の最大15％）がドロス（灰のような酸化物）として失われる。[144]アルミニウムスタック溶解炉はドロスを大幅に少なく生成し、その値は1％未満であると報告されている。[145]
一次アルミニウム生産および二次リサイクル作業から生じるホワイトドロスには、工業的に抽出できる有用な量のアルミニウムがまだ含まれています。このプロセスでは、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、[146] 、 硫化水素、および大量のアンモニアなどのガス混合物を放出します。[147]これらの困難にもかかわらず、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ます。[148]。水素製造の可能性も検討され、研究されています。[149] [150]
アプリケーション
金属
2016年のアルミニウムの世界生産量は5,880万トンで、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。[151] [152]
アルミニウムはほとんどの場合合金化されており、特に焼き入れすると機械的性質が著しく向上します。たとえば、一般的なアルミホイルや飲料缶は、92%～99%のアルミニウムの合金です。[153]主な合金化剤は銅、亜鉛、マグネシウム、マンガン、シリコン（例：ジュラルミン）で、他の金属は重量比で数パーセントのレベルです。[154]アルミニウムは、鍛造品でも鋳造品でも、マンガン、シリコン、マグネシウム、銅、亜鉛などと合金化されています。[155]
アルミニウムの主な用途は以下の通りである。[156]
- 輸送手段（自動車、航空機、トラック、鉄道車両、船舶、自転車、宇宙船など）。アルミニウムは密度が低いため使用されます。
- 包装（缶、ホイル、フレームなど）。アルミニウムは無毒（下記参照）、非吸着性、破片防止性があるため使用されます。
- 建築および建設（窓、ドア、サイディング、建物のワイヤー、シース、屋根など）。スチールは安価なので、軽量性、耐腐食性、またはエンジニアリング機能が重要な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持ち、腐食に強いため使用されます。
- 調理器具から家具まで、幅広い家庭用品。低密度、美しい外観、加工のしやすさ、耐久性がアルミニウム使用の重要な要素です。
- 機械・装置（加工装置、パイプ、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。[141]非常に硬い材料（モース硬度9）であるため、[157]アルミナは研磨剤として広く使用されています。[158]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役立ちます。 [159]酸化アルミニウムは、工業プロセスの触媒としてよく使用されます。[141]たとえば、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プロセスです。[160] [161]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。 [162]もう一つの主な用途は、乾燥剤または吸収剤としてです。[141] [163]
アルミニウムの硫酸塩には、工業的、商業的な用途がいくつかある。硫酸アルミニウム（水和物）は、年間数百万トン規模で生産されている。[164]約3分の2が水処理に消費される。[164]次の主な用途は製紙である。[164]また、染色、種子の漬物、鉱油の脱臭、皮なめし、その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。[164]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から、その使用は大幅に減少した。[164]無水塩化アルミニウムは、化学産業、石油化学産業、染色産業、およびさまざまな無機化合物と有機化合物の合成において触媒として使用される。[164]アルミニウムヒドロキシクロリドは、水の浄化、製紙産業、制汗剤として使用されます。[164] 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。[164]
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、
- 酢酸アルミニウム溶液は収斂剤として使用される。[165]
- リン酸アルミニウムは、ガラス、セラミック、パルプ、紙製品、化粧品、塗料、ワニス、歯科用セメントの製造に使用されます。[166]
- 水酸化アルミニウムは制酸剤や媒染剤として使用され、また、水の浄化、ガラスや陶磁器の製造、布地の防水にも使用されます。[167] [168]
- 水素化アルミニウムリチウムは有機化学で使われる強力な還元剤です。[169] [170]
- 有機アルミニウムはルイス酸や助触媒として使用される。 [171]
- メチルアルミノキサンは、ポリエチレンなどのビニルポリマーを製造するためのチーグラー・ナッタ オレフィン 重合の助触媒である。[172]
- 水性アルミニウムイオン（水性硫酸アルミニウムなど）は、Gyrodactylus salarisなどの魚類寄生虫の治療に使用されます。[173]
- 多くのワクチンでは、特定のアルミニウム塩が免疫アジュバント（免疫応答ブースター）として機能し、ワクチン中のタンパク質が免疫刺激剤として十分な効力を発揮できるようにします。[174] 2004年まで、ワクチンに使用されるアジュバントのほとんどにはアルミニウムアジュバントが含まれていました。[175]
生物学
アルミニウムは地殻中に広く存在しているが、生物学的な役割は知られていない。[46] 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。[177] 硫酸アルミニウムのLD 50は6207 mg/kg（経口、マウス）で、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。[178] [n] 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、[181] 2014年の多元素毒性レビューでは、体重1kgあたり40mg/日以下のアルミニウムの有害な影響は見つからなかった。[178]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、血流に入ったわずかな部分のほとんどは尿として排泄される。[182]それでも、一部のアルミニウムは血液脳関門を通過し、アルツハイマー病患者の脳に優先的に留まる。[183] [184] 1989年に発表された証拠によると、アルツハイマー病患者の場合、アルミニウムは静電的にタンパク質を 架橋し、上側頭回の遺伝子の発現を抑制する可能性があることが示されています。[185]
効果
アルミニウムは、稀ではあるが、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、中枢神経系の変性を引き起こす可能性がある。腎不全の人は特にリスクが高い。[178]胃酸過多の抑制を目的とした水和ケイ酸アルミニウムの慢性摂取は、アルミニウムが腸の内容物に結合し、鉄や亜鉛などの他の金属の排泄を増加させる可能性がある。十分に高い用量（> 50 g /日）を摂取すると貧血を引き起こす可能性がある。[178]
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って硫酸アルミニウムで汚染された。2013年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た。[186]
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[187]、 40年以上にわたる研究で、2018年現在[アップデート]、因果関係を示す良い証拠は見つかりませんでした。[188] [189]
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けるエストロゲン関連遺伝子の発現を増加させる。 [190]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。[191]少数の人々[192]はアルミニウムに対する接触アレルギーがあり、アルミニウムを含む製品に触れると、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、またはその他の症状を経験する。[193]
アルミニウム粉末やアルミニウム溶接煙にさらされると、肺線維症を引き起こす可能性があります。[194]微細なアルミニウム粉末は発火または爆発する可能性があり、職場での別の危険をもたらします。[195] [196]
曝露経路
アルミニウムの主な摂取源は食物である。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る。 [178]しかし、食物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る。[197]アルミニウムへのヒトの経口摂取の主な摂取源には、食物（食品添加物、食品および飲料の包装、調理器具に使用されているため）、飲料水（自治体の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/抗潰瘍剤および緩衝アスピリン製剤）などがある。[198]ヨーロッパ人の食事摂取量は平均で0.2～1.5 mg/kg/週だが、2.3 mg/kg/週に達することもある。[178]アルミニウムの高摂取レベルは、主に鉱山労働者、アルミニウム生産労働者、透析患者に限られている。[199]
制酸剤、制汗剤、ワクチン、化粧品の摂取はアルミニウムへの曝露の可能性のある経路である。 [200]アルミニウムを含む酸性の食品や液体の摂取はアルミニウムの吸収を促進し、[201]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。[202]
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からアルミニウムを排出するのを助けるために投与されることがある。[203] [204]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、注意して適用する必要がある。[203]
環境への影響
鉱山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では少量のアルミニウムが環境に放出されます。[182]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、アルミニウムの小さな粒子は長期間空気中に残ります。[182]
酸性雨は、自然源からアルミニウムを動員する主な自然要因であり[178]、アルミニウムの環境影響の主な原因である。[205]しかし、塩水と淡水にアルミニウムが存在する主な要因は、アルミニウムを空気中に放出する産業プロセスである。[178]
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、鰓に沈殿し[206] 、血漿と血リンパイオンの喪失を引き起こし、浸透圧調節障害を引き起こします。[205]アルミニウムの有機錯体は、実際にはめったに起こらないものの、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。[205]
アルミニウムは酸性土壌で植物の成長を低下させる主な要因である。pH中性の土壌では一般に植物の成長に無害であるが、酸性土壌では有毒なAl 3+ 陽イオンの濃度が増加し、根の成長と機能を阻害する。[207] [208] [209] [210] 小麦はアルミニウムに対する耐性を発達させ、有害なアルミニウム陽イオンに結合する有機化合物を放出する。ソルガムも同様の耐性メカニズムを持つと考えられている。[211]
アルミニウム生産は、生産プロセスの各段階で環境に対する独自の課題を抱えています。主な課題は温室効果ガスの排出です。[199]これらのガスは、製錬所の電力消費と処理の副産物から発生します。これらのガスの中で最も強力なのは、製錬プロセスから発生するパーフルオロカーボンです。 [199]放出された二酸化硫黄は、酸性雨の主な前駆物質の1つです。[199]
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。[212] [213] 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。[214] [215] [216]緑膿菌とCladosporium resinae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よく検出され、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。[217]
参照
- アルミニウム粒子
- アルミニウム接合
- アルミニウム空気電池
- 耐腐食性やその他の特性を持つアルミニウムめっき鋼
- ディスプレイ装置用アルミニウムスクリーン
- 熱を反射するアルミ加工布
- 熱を反射するアルミマイラー
- パネルエッジの汚れ
- 量子時計
注記
- ^デイビーが1812年に書いた書面での 「アルミニウム」という単語の使用は、他の著者による「アルミニウム」の使用に先行していました。しかし、デイビーは元素に名前を付けた人物としてよく言及されます。彼はアルミニウムに名前を付けた最初の人物であり、 1808年に「alumium」を使用しました。他の著者はその名前を受け入れず、代わりに「アルミニウム」を選択しました。詳細については以下を参照してください。
- ^ 奇数の原子番号を持つ元素は2つ以上の安定同位体を持たない。偶数の元素は複数の安定同位体を持ち、スズ（元素番号50）はすべての元素の中で最も多くの安定同位体を持ち、10個である。唯一の例外はベリリウムで、これは偶数番号であるが安定同位体は1つしかない。[15]詳細については、偶数と奇数の原子核を参照。
- ^ 他のほとんどの金属は標準原子量が大きい。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及ぼします（下記参照）
- ^ 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。[26]両面とも可視光の反射量は同程度ですが、光沢面は可視光のはるかに多くの部分を鏡面反射するのに対し、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優れた反射体（約86%）として、また中赤外線と遠赤外線の優れた反射体（最大97%）として機能します。[27]
- ^ 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、スカンジウム、イットリウム、ランタン、およびアクチニウムのそれらとよりよく一致しており、アルミニウムと同様に希ガス核の外側に3つの価電子を持っています。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、ガリウムの最初の追加されたdサブシェルとその結果生じるdブロックの収縮、およびタリウムの最初の追加されたfサブシェルとその結果生じるランタニドの収縮によって中断されます。[39]
- ^ Al-F結合は他のM-F結合と種類が大きく異なるわけではないため、これらは[AlF 6 ] 3−複合アニオンとはみなされない。 [49]
- ^ 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で発生します。さらに大きな違いはCO 2とSiO 2の間で発生します。[49]
- ^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。
- ^ USGSによるアルミニウム [102]と銅[103]の生産量の年間統計を比較する。
- ^ 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。[117]
- ^ 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。ベルセリウスはそれらをナトリウムとカリウムと呼んだ。ベルセリウスの提案は1814年に[124]、 1文字または2文字の化学記号のシステムを提案し、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の記号が付けられている。
- ^ 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。
- ^ 例えば、2013年11月-12月号のChemistry Internationalを参照。（いくつかの）元素の表では、この元素は「アルミニウム（aluminum）」として記載されている。[136]
- ^ アルミニウム自体は発がん性はないが、国際がん研究機関が指摘しているように、ソーデルバーグのアルミニウム生産は多環芳香族炭化水素への曝露によるものと考えられる[179] 。 [180]
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著者らは、ベリーズ（中央アメリカ）で発見された劣化したコンパクト ディスクから、
Geotrichum
型の分節分生菌を分離しました。...本論文では、この菌によって生成される H
2
O
2生成細胞外酸化酵素の精製と特性評価について報告します。この酵素は、
P. eryngii
AAO と
P. simplicissimum
VAOの両方と触媒特性を共有しています
。
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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。
外部リンク
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Wikiversity からのリソース
- ビデオ周期表のアルミニウム（ノッティンガム大学）
- アルミニウムの毒性プロファイル (PDF) (2008 年 9 月) –米国保健福祉省、公衆衛生局、毒性物質および疾病登録局による 357 ページのレポート
- CDCの国立労働安全衛生研究所が発行したNIOSHの化学物質危険物ポケットガイドにおけるアルミニウムの項目（最終更新日2019年10月30日）
- 世界の商品市場におけるアルミニウム先物の現在および過去の価格（1998年～現在）
- 短編映画「アルミニウム」はインターネットアーカイブで無料で視聴およびダウンロードできます。