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アルミニウム（またはアルミニウム）金属は天然の形では非常に稀であり、鉱石から精錬するプロセスは複雑であるため、人類の歴史のほとんどにおいて未知のままでした。しかし、ミョウバン化合物は紀元前5世紀から知られており、古代人によって染色に広く使用されていました。中世には、染色に使用されたため、国際貿易の商品となりました。ルネッサンスの科学者は、ミョウバンは新しい土の塩であると信じていました。啓蒙時代には、この土、アルミナは新しい金属の酸化物であることが確立されました。この金属の発見は、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、彼の研究はドイツの化学者フリードリヒ・ヴェーラーによって拡張されました。
アルミニウムは精製が難しく、実用化されることはまれでした。発見後すぐにアルミニウムの価格は金を上回りました。価格が下がったのは、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・ドヴィルが最初の工業生産を開始してからのことです。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・エルー法と、 1889年にオーストリアの化学者カール・ジョセフ・バイヤーが開発したバイヤー法によって、一般の人々にとってはるかに入手しやすくなりました。これらの方法は、現在までアルミニウム生産に使用されています。
アルミニウムの大量生産のためのこれらの方法の導入により、軽量で耐腐食性のある金属が産業や日常生活で広く使用されるようになりました。アルミニウムは工学や建設に使用され始めました。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。この金属の世界生産量は、1900年の6,800トンから1954年には2,810,000トンに増加し、アルミニウムは銅を抜いて最も生産される非鉄金属となりました。
20世紀後半には、アルミニウムは輸送や梱包に使用されるようになりました。アルミニウムの生産は環境への影響が懸念されるようになり、アルミニウムのリサイクルが広まりました。この金属は1970年代に交換商品になりました。生産は先進国から発展途上国に移り始め、2010年までに中国はアルミニウムの生産と消費の両方で特に大きなシェアを占めるようになりました。世界の生産量は増加し続け、2015年には58,500,000トンに達しました。アルミニウムの生産量は、他のすべての非鉄金属の生産量を合わせた量を上回っています。
初期の歴史
「今日、私はトルコ人に対する勝利をあなたにもたらします。彼らは毎年、羊毛を染めるミョウバンのためにキリスト教徒から30万ドゥカート以上を搾り取っています。これはラテン人の間ではごく少量しか見つかりません。[...] しかし、私はこの材料が豊富にあり、7つの世界を供給できるほどの7つの山を見つけました。労働者を雇い、炉を建て、鉱石を精錬するように命令すれば、ヨーロッパ全体にミョウバンを供給でき、トルコ人は利益をすべて失うでしょう。その代わりに、利益はあなたのものになります...」
アルミニウムの歴史は、その化合物であるミョウバンの使用によって形作られました。ミョウバンに関する最初の記録は、紀元前5世紀のギリシャの歴史家ヘロドトスによるものです。[2]古代人はそれを染色媒染剤、医療、化学製粉、敵の放火から要塞を守るための木材の耐火コーティングとして使用しました。[3]アルミニウムという金属は知られていませんでした。ローマの作家ペトロニウスは、小説「サテュリコン」で、珍しいガラスが皇帝に献上されたと述べています。そのガラスを舗道に投げた後、割れることはなく変形しただけでした。ハンマーを使って元の形に戻しました。発明者から、他に誰もこの材料の製造方法を知らないことを知った皇帝は、金の価格が下がらないように発明者を処刑しました。[4]この話のバリエーションは、ローマの歴史家大プリニウスの『博物誌』（彼はこの話が「真実というよりは頻繁な繰り返しによって広まった」と述べている）[5]とローマの歴史家カッシウス・ディオの『ローマ史』で簡単に言及されている。[4]いくつかの情報源は、このガラスがアルミニウムである可能性を示唆している。[a] [b]中国では、最初の金王朝（266-420）の治世中にアルミニウムを含む合金が製造された可能性がある。[c]
十字軍以降、明礬は国際貿易の商品となり、 [9]ヨーロッパの織物産業には欠かせないものとなった。[10]カトリックのヨーロッパでは小規模な明礬鉱山が操業されていたが、ほとんどの明礬は中東から来ていた。[11]明礬は15世紀半ば、オスマン帝国が輸出税を大幅に引き上げるまで、地中海を通じて取引され続けた。数年後、イタリアで大量の明礬が発見された。教皇ピウス2世は、明礬貿易の利益を利用してオスマン帝国との戦争を開始し、東からのすべての輸入を禁止した。[1]この新たに発見された明礬は、ヨーロッパの薬学で長い間重要な役割を果たしていたが、教皇政府が設定した高価格により、最終的には他の国々も独自の生産を開始し、16世紀にはヨーロッパの他の地域でも大規模な明礬採掘が行われるようになった。[12]
ミョウバンの性質を確立する
ミョウバンのベースの金属性が疑いなく証明される日が来ると予測するのは、それほど大胆なことではないと思う。
— フランスの化学者テオドール・バロン・デヌーヴィル、1760年パリ科学アカデミーにて[13]
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ルネッサンスの初めには、ミョウバンの性質は未だ不明であった。1530年頃、スイスの医師パラケルススはミョウバンを硫酸塩とは別のものとして認識し、土の塩であると示唆した。[14] 1595年、ドイツの医師で化学者のアンドレアス・リバウィウスは、ミョウバンと緑ビトリオールおよび青 ビトリオールは同じ酸だが土は異なるものから生成されたことを証明した。[15]彼は、ミョウバンを形成する未発見の土に「アルミナ」という名前を提案した。[14]ドイツの化学者ゲオルク・エルンスト・シュタールは1702年に、ミョウバンの未知の塩基は石灰またはチョークに似ていると述べたが、この誤った見解は半世紀にわたって多くの科学者に共有されていた。[16] 1722年、ドイツの化学者フリードリヒ・ホフマンは、ミョウバンの塩基は別の土であると示唆した。[16] 1728年、フランスの化学者エティエンヌ・ジョフロワ・サンティレールは、ミョウバンは未知の土と硫酸から生成されると主張した。[16]彼は土を燃やすとシリカが得られると誤って信じていた。[17]（ジョフロワの間違いは、1785年にドイツの化学者で薬剤師のヨハン・クリスチャン・ヴィーグレブによってようやく訂正された。彼は、当時の考えに反して、ミョウバンの土はシリカとアルカリから合成できないと断定した。）[18] フランスの化学者ジャン・ジェロは、粘土に含まれる土とミョウバンとアルカリの反応で生じる土が同一であることを証明した。[19]ドイツの化学者ヨハン・ハインリッヒ・ポットは、1746年にアルカリをミョウバンの溶液に注いで得られる沈殿物が石灰や白亜とは異なることを示した。[20]
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、粘土を硫酸で煮沸し、カリを加えることでミョウバン土を合成した。 [16]彼は硫酸に溶かしたこの新しい土の溶液にソーダ、カリ、またはアルカリを加えるとミョウバンができることに気づいた。[21]彼は乾燥すると酸に溶けることを発見したため、この土をアルカリ性であると説明した。マルグラフはまた、この土の塩として塩化物、硝酸塩、酢酸塩についても述べた。 [ 19 ] 1758年、フランスの化学者ピエール・マッケールは、アルミナ[d]が金属土に似ていると書いた。 [13] 1760年、フランスの化学者テオドール・バロン・デヌーヴィルは、アルミナが金属土であると確信していると述べた。[13 ]
1767年、スウェーデンの化学者トルベルン・ベルグマンは、硫酸で明礬石を煮沸し、その溶液にカリを加えることで明礬を合成した。彼はまた、カリウム硫酸塩と明礬土の反応生成物として明礬を合成し、明礬が複塩であることを実証した。 [14]スウェーデンのドイツ人薬化学者カール・ヴィルヘルム・シェーレは、 1776年に明礬とシリカはどちらも粘土に由来し、明礬にはケイ素が含まれていないことを実証した。 [22] 1782年の執筆で、フランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエは 、アルミナは酸素との親和性が極めて強いため、既知の還元剤では克服できない金属の酸化物であると考えた。[23]
スウェーデンの化学者イェンス・ヤコブ・ベルセリウスは1815年にアルミナの化学式AlO 3を提案した[24]。[25]正しい化学式Al 2 O 3は1821年にドイツの化学者アイハルト・ミッチェルリッヒによって確立され、これによりベルセリウスは金属の正しい原子量27を決定することができた。[25]
金属の分離
このアマルガムは空気中ですぐに分離し、不活性雰囲気中で蒸留すると、色と光沢が錫に似た金属の塊になります。
— デンマークの物理学者ハンス・クリスチャン・エルステッドが1825年にデンマーク王立科学文学アカデミーでアルミニウムの単離について説明した[26]
1760年、エヌーヴィル男爵はアルミナを金属に還元しようとしたが失敗した。彼は当時知られていた還元法をすべて試したと主張したが、その方法は未発表だった。おそらく彼はミョウバンを炭素または何らかの有機物と、フラックスとして塩またはソーダと混ぜ、木炭火で熱したのだろう。[13]オーストリアの化学者アントン・レオポルド・ルプレヒトとマッテオ・トンディは1790年に男爵の実験を繰り返し、温度を大幅に上げた。彼らは探していた金属だと信じた小さな金属粒子を発見したが、後に他の化学者による実験で、これらは木炭と骨灰の不純物からできたリン化鉄であることが判明した。ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートはその後、「もし金属の性質が明らかになる条件に置かれた土が存在するならば、もしそのような性質があったならば、それを還元するのに適した実験にさらされ、あらゆる方法で高温の火で大規模および小規模にテストされた土が存在するならば、その土は確かにアルミナであるが、誰もその金属化をまだ認識していない」とコメントした。 [27] 1794年にラヴォアジエ[28]、1795年にフランスの化学者ルイ・ベルナール・ギトン・ド・モルヴォーは、純酸素を供給した木炭の火でアルミナを溶かして白いエナメルを作ったが、金属は見つからなかった。[28] 1802年にアメリカの化学者ロバート・ヘアは、酸水素吹管でアルミナを溶かし、やはりエナメルを得たが、やはり金属は見つからなかった。[27]
1807年、イギリスの化学者ハンフリー・デービーはアルカリ電池でアルミナの電気分解に成功したが、得られた合金にはカリウムとナトリウムが含まれており、デービーはこれらから目的の金属を分離する手段がなかった。次に、アルミナをカリウムと一緒に加熱して酸化カリウムを生成したが、目的の金属を生成することができなかった。[27] 1808年、デービーはアルミナの電気分解に関する別の実験を行い、アルミナは電弧の中で分解して鉄と合金になった金属を形成することを明らかにしたが、この2つを分離することはできなかった。[29]最後に、鉄の上に金属を集めようとさらに別の電気分解実験を試みたが、やはり目的の金属を分離することはできなかった。[27]デービーは1808年にこの金属をalumium [30]、1812年にaluminumと名付けることを提案し、これが現代の名前の由来となった。 [29]他の科学者はaluminiumという綴りを使用していたが、前者の綴りはその後数十年間に米国で再び使用されるようになった。[31]
アメリカの化学者ベンジャミン・シリマンは1813年にヘアの実験を繰り返し、求めていた金属の小さな粒を得たが、それはほぼすぐに燃えた。[27]
1824年、デンマークの物理学者ハンス・クリスチャン・エルステッドは金属の生成を試みた。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。[26] [32] [33]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。1826年に彼は「アルミニウムは金属光沢があり、やや灰色がかっており、水を非常にゆっくりと分解する」と書いている。これは彼が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得たことを示唆している。[34]エルステッドは自分の発見をあまり重要視しなかった。[35]彼はデービーやベルセリウスを知っていたが、どちらにも知らせず、ヨーロッパの人々に知られていないデンマークの雑誌に自分の研究を発表した。[35]その結果、彼は元素の発見者として認められないことが多い。[36]いくつかの初期の情報源は、エルステッドがアルミニウムを単離しなかったと主張している。[37]
1825年、ベルセリウスは坩堝の中の氷晶石中の塩基塩のカリウム類似物を注意深く洗浄することで金属を単離しようとした。実験前に、彼はこの塩の化学式をK 3 AlF 6と正しく特定していた。彼は金属を発見しなかったが、彼の実験は成功に非常に近づき、後に何度も再現することに成功した。ベルセリウスの失敗はカリウムを過剰に使用したことで、溶液がアルカリ性になりすぎて、新たに形成されたアルミニウムがすべて溶解してしまった。[38]
ドイツの化学者フリードリヒ・ヴェーラーは1827年にエルステッドを訪れ、アルミニウムの研究を続ける明確な許可を得たが、エルステッドには「時間がなかった」。[35]ヴェーラーはエルステッドの実験を繰り返したが、アルミニウムは確認されなかった。（ヴェーラーは後にベルセリウスに「エルステッドがアルミニウムの塊だと思っていたものは、確かにアルミニウムを含むカリウムに他ならなかった」と書いている。）[39]彼は同様の実験を行い、無水塩化アルミニウムとカリウムを混ぜて、アルミニウムの粉末を作った。[33]これを聞いたエルステッドは、自分のアルミニウムにカリウムが含まれていたのではないかと示唆した。[35]ヴェーラーは研究を続け、1845年に金属の小片を作り、その物理的特性のいくつかを記述した。ヴェーラーの特性記述は、彼が不純なアルミニウムを手に入れたことを示している。[40]他の科学者もエルステッドの実験を再現することができず、[40]ヴェーラーが長年発見者として認められた。[41]エルステッドは発見の優先順位には関心がなかったが、[35] [e] デンマーク人の中には彼がアルミニウムを発見したことを実証しようとした者もいた。[35] 1921年、デンマークの化学者ヨハン・フォグは、エルステッドの実験とヴェーラーの実験の不一致の理由を発見した。フォグは、エルステッドの実験が成功したのは、大量の過剰な塩化アルミニウムとカリウム含有量の少ないアマルガムを使用したおかげだと実証した。[40] 1936年、アメリカのアルミニウム製造会社アルコアの科学者たちがその実験を再現することに成功した。[42]しかし、後の多くの情報源は、アルミニウムの発見と、比較的純粋な形でのアルミニウムの単離に成功したことを依然としてヴェーラーの功績としている。[43]
初期の工業生産
私が最初に考えたのは、この中間金属を手に入れたということであり、それを化学者の研究室から取り出して産業に投入する方法が見つかれば、人類の用途やニーズに応える場所が見つかるだろうということでした。
— アルミニウム、その特性、製造および応用の序文、 1859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・ドヴィルが書いた本[44]
ヴェーラーの方法では大量のアルミニウムを生産できなかったため、アルミニウムは珍しい金属のままであった。新しい方法が考案される前に、アルミニウムのコストは金のコストを上回っていた。1852年、アルミニウムは1オンスあたり34ドルで販売された。[45]比較すると、当時の金の価格は1オンスあたり19ドルであった。[46]
フランスの化学者アンリ・エティエンヌ・サント＝クレール・ドヴィルは、 1854年にパリ科学アカデミーでアルミニウムの工業的生産方法を発表しました。[47]塩化アルミニウムはナトリウムで還元することができ、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な金属でした。[48]ドヴィルはその金属のインゴットを生産することができました。[49] フランスのナポレオン3世はドヴィルにアルミニウム研究のために無制限の補助金を約束し、ドヴィルは合計で36,000フランスフランを使用しました。これは一般家庭の年間収入の20倍に相当します。 [50]ナポレオンのアルミニウムへの関心は、その軍事的利用の可能性にありました。彼はフランス軍の武器、ヘルメット、鎧、その他の装備が、この新しくて軽くて光沢のある金属で作られることを望んでいました。[50]金属がまだ一般に公開されていなかった頃、ナポレオンは晩餐会を開き、最も名誉ある客にはアルミニウムの食器を、他の客には金の食器を贈ったと伝えられている。[51]
1855年の万国博覧会で、12個の小さなアルミニウム塊が初めて公開されました。[50]この金属は「粘土からできた銀」（アルミニウムは見た目が銀に非常に似ている）として紹介され、この名前はすぐに広く使われるようになりました。[50]これは広く注目を集め、芸術、音楽、医学、料理、食器にアルミニウムを使用することが提案されました。[52]この金属は、チャールズ・ディケンズ、ニコライ・チェルニシェフスキー、ジュール・ヴェルヌといった当時の前衛作家の目に留まり、将来的にアルミニウムが使用されることを思い描いていました。[53]しかし、すべての注目が好意的なものだったわけではありません。新聞は「パリの博覧会は粘土から銀を作るというおとぎ話に終止符を打った」と書き、金属について語られていたことの多くは誇張されたか、あるいは事実と異なるものであり、展示された金属の量（約1キログラム）は予想されていた量とは対照的で、「世界をひっくり返すといわれた発見にしては多くない」と述べた。[50]全体として、博覧会は最終的に金属の商業化につながった。[53]その年、アルミニウムは1キログラムあたり300フォリントの価格で市場に投入された。[54] 1867年にパリで開催された次の博覧会では、アルミニウムのワイヤーとホイル、および低コストで耐腐食性が高く、望ましい機械的特性を持つ新しい合金であるアルミニウム青銅が来場者に発表された。[55]
製造業者は、鉄や青銅などのよく知られた（そして市場性のある）金属の生産から資源を転用して、新しい金属の実験をすることを望まなかった。さらに、生産されたアルミニウムはまだ純度が高くなく、サンプルごとに特性が異なっていた。このため、当初は新しい金属の生産に一般的に消極的だった。[50]ドゥヴィルとパートナーは、 1856年にルーアンの製錬所で世界初のアルミニウムの工業生産を確立した。 [47]ドゥヴィルの製錬所はその年ラ・グラシエールへ、次にナンテールへ、そして1857年にはサランドルへ移転した。ナンテールの工場では、純度98%のアルミニウムが1日あたり2キログラムの生産量が記録された。[ 56 ]もともと、生産はアンモニウムミョウバンの焼成から得られる純粋なアルミナの合成から始まった。 1858年、ドゥヴィルはボーキサイトを発見し、すぐにドゥヴィル法として知られるようになった技術を開発し、この鉱物をアルミナ生産の原料として利用した。[58] 1860年、ドゥヴィルはアルミニウム事業をアレー・エ・ラ・カマルグ社の創設者アンリ・メルルに売却した。この会社は数十年後にフランスのアルミニウム市場を独占した。[59]
デヴィルを含む一部の化学者は、氷晶石を原料鉱石として使用しようとしたが、ほとんど成功しなかった。[61]英国の技術者ウィリアム・ゲルハルトは、1856年にロンドンのバタシーに氷晶石を主原料とする工場を設立したが、技術的および財政的な困難により、3年で閉鎖を余儀なくされた。[57]英国の鉄工業者アイザック・ローシアン・ベルは、 1860年から1874年までアルミニウムを生産した。工場の開設の際、彼は独特で高価なアルミニウム製のシルクハットで群衆に手を振った。[62]この生産に関する統計は回収できないが、「非常に高いはずはない」。[63]デヴィルの生産量は、1860年には年間1メートルトン、1867年には1.7メートルトンに増加した。 1872年には1.8トンに達した。 [63]当時、アルミニウムの需要は低く、例えば、デヴィルの英国代理店によるアルミニウムの売上は1872年に15キログラムに相当した。[57]当時のアルミニウムは銀とよく比較された。銀と同様に、アルミニウムは宝石や美術品の製造に適していることがわかった。[55]アルミニウムの価格は着実に下落し、1859年には240 F、1862年には200 F、1867年には120 Fとなった。[64]
1880年代には、他の生産拠点も現れ始めた。イギリスの技術者ジェームズ・ファーン・ウェブスターは、1882年にナトリウム還元によるアルミニウムの工業生産を開始した。彼のアルミニウムはデビルのアルミニウムよりもはるかに純粋だった（デビルのアルミニウムは通常2%の不純物を含んでいたのに対し、ウェブスターは0.8%の不純物を含んでいた）。[65] 1884年の世界のアルミニウム生産量は3.6トンに及んだ。 [66] 1884年、アメリカの建築家ウィリアム・フリシュマスは、ナトリウム、アルミナ、アルミニウムの生産を単一の技術プロセスに統合した。これは、水中や時には空気中で燃焼するナトリウムを収集する必要があった以前の方法とは対照的であった。 [67]彼のアルミニウム生産コストは1ポンドあたり約16ドルだった（銀のコストは1ポンドあたり19ドル、フランスの価格は1ポンドあたり12ドルに相当する）。[68] 1885年、アルミニウム・マグネシウム工場がヘメリンゲンで生産を開始した。[69]その生産量はサリンドレス工場を大幅に上回ったが、工場は1888年に生産を停止した。[70] 1886年、アメリカ人技術者ハミルトン・カストナーは、ナトリウムのより安価な生産方法を考案し、アルミニウムの生産コストを1ポンドあたり8ドルに引き下げたが、ドゥヴィルのような大規模な工場を建設するのに十分な資本がなかった。[71] 1887年、彼はオールドベリーに工場を建設し、ウェブスターは近くに工場を建設し、カストナーのナトリウムを購入して独自のアルミニウム生産に使用した。[65] 1889年、ドイツの冶金学者カート・ネットは、ナトリウムで氷晶石を還元し、0.5～1.0％の不純物を含むアルミニウムを生産する方法を開発した。[72]
電解生産と商業化
私はその金属を狙っています。
— 伝えられるところによると、1880年にアメリカの学生チャールズ・マーティン・ホールは、化学の教授からアルミニウムの工業生産は人類にとって大きな利益となり、発見者にとっては富の源となるだろうと聞いた後、アルミニウムを発見したという[66]
アルミニウムは、1854年にドイツの化学者ロバート・ヴィルヘルム・ブンゼンとデヴィルによって電気分解によって初めて独立して生産された。当時の電力供給が非効率だったため、彼らの方法はアルミニウムの工業生産の基礎とはならなかった。状況が変わったのは、1870年にベルギーの技術者ゼノベ・テオフィル・グラムがダイナモを発明し、大量の電力を生産できるようになったときだけだった。 1889年にロシアの技術者ミハイル・ドリヴォ・ドブロヴォルスキーが三相電流を発明したことで、この電力を長距離送電することが可能になった。[74]ブンゼンは発見後すぐに他の分野に移り、一方デヴィルの研究はナポレオン3世の目に留まった。これが、ナポレオンの資金援助を受けたアルミニウム生産に関するデヴィルの研究が開始された理由である。デヴィルはすぐに当時の電解生産は非現実的であると認識し、化学的方法に移行し、その年の後半に結果を発表した。[66] [75]
電解槽は溶融塩との長時間の接触に耐えられず、腐食してしまうため、電解による大量生産は依然として困難であった。アルミニウム生産においてこの課題を克服する最初の試みは、1883年にアメリカの技術者チャールズ・ブラッドリーによってなされた。ブラッドリーはアルミニウム塩を内部で加熱した。最も温度が高いのは槽の内部で、最も低いのは塩が凝固して槽を保護する壁面であった。ブラッドリーはその後、特許権をアルフレッド・カウルズとユージン・カウルズ兄弟に売却し、兄弟はそれをロックポート、後にはストーク・アポン・トレントの製錬所で使用したが、その方法は純粋なアルミニウムではなく合金を生成するように修正された。[76]ブラッドリーは1883年に特許を申請したが、彼の広範囲にわたる文言のため、先行技術を含むとして却下された。必要な2年間の中断の後、彼は再申請した。特許庁がブラッドリーのアイデアが独創的であるかどうかを疑問視したため、このプロセスは6年間続いた。[77]ブラッドリーが特許を取得した当時、電解アルミニウムの生産はすでに数年間行われていました。[78]
最初の大規模生産方法は、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・ホールがそれぞれ独自に開発したもので、現在ではホール・エルー法として知られている。純粋なアルミナの電気分解は、その融点が非常に高いため非実用的である。エルーとホールの両者は、溶融した氷晶石の存在によって融点が大幅に下がることを認識していた。[g]エルーは4月にフランスで特許を取得し[80]、続いて他のヨーロッパ諸国でも特許を取得した。[81]彼は5月に米国特許も申請した。[80]特許を取得した後、エルーは自分の発明に関心を抱くことができなかった。専門家にアドバイスを求めたところ、アルミニウムの需要はないが、アルミニウム青銅の需要はあると言われた。サリンドルの工場は工程の改善を望んでいなかった。 1888年、エルーとその仲間はアルミニウム工業会社を設立し、ノイハウゼン・アム・ラインファルでアルミニウム青銅の工業生産を開始した。その後、パリにフランス電気鋳造会社が設立された。彼らはエルーを説得してフランスに帰国させ、彼の特許を買い取り、イゼール県の製錬所の所長に任命した。この製錬所では当初、アルミニウム青銅が大量に生産され、数か月後には純アルミニウムが生産された。[82] [83]
同じ頃、ホールはオバーリンの自宅で同じ方法でアルミニウムを生産していた。[85]彼は7月に特許を申請し、特許庁はホールにエルーの申請に対する「妨害」を通知した。カウルズ兄弟は法的支援を申し出た。その頃までに、ホールは最初の投資家のために商業的なプロセスを開発することに失敗し、ロックポートにあるカウルズの製錬所で実験することにした。彼は1年間実験したがあまり成功しなかったが、投資家の注目を集めた。[h]ホールは1888年にピッツバーグ還元会社を共同設立し、アルミニウムの生産を開始した。[87] ホールの特許は1889年に認められた。 [73] [i] 1889年、ホールの生産は内部加熱の原理を使用し始めた。[j] 1889年9月までに、ホールの生産量は1ポンドあたり0.65ドルのコストで385ポンド（175キログラム）に増加した。[90] 1890年になってもホールの会社は資本不足で配当金も支払っていなかったため、ホールは投資を呼び込むために株式の一部を売却しなければならなかった。[91]その年、パトリクロフトに新しい工場が建設された。[92]ロックポートの製錬所は競争に耐えられず、1892年までに閉鎖された。[93]
ホール・エルー法はアルミナを金属に変換する。オーストリアの化学者カール・ヨーゼフ・バイヤーは1888年にサンクトペテルブルクの繊維工場でボーキサイトを精製してアルミナを得る方法を発見し、同年後半に特許を取得した。[94]これは現在バイエル法として知られている。バイエルはボーキサイトをアルカリで焼結し、水で浸出した。溶液をかき混ぜて種付け剤を加えると、純粋な水酸化アルミニウムの沈殿物ができ、加熱するとアルミナに分解した。1892年、エラブガの化学工場で働いていたとき、アルミナ固体を分離した後に残ったアルカリにボーキサイトに含まれるアルミニウム成分が溶けていることを発見した。これはこの方法を産業的に利用する上で決定的な要素となった。彼は同年後半に特許を取得した。[94] [95]
1856年から1889年までにデヴィルの化学的方法を用いて生産された非合金アルミニウムの総量は200トンに相当した。[47] 1890年だけでも生産量は175トンであった。1893年には715トン、1898年には4,034トンに増加した。[70]価格は1889年に1ポンドあたり2ドル、1894年には1ポンドあたり0.5ドルに下落した。[96]
1889年末までに、電気分解によるアルミニウム生産の高純度化が達成された。[97] 1890年、イギリスに電気分解工場が開設されたため、ウェブスターの工場は廃れた。[67]ネットの主な利点である、得られるアルミニウムの高純度化は、電気分解アルミニウムに負け、彼の会社は翌年閉鎖された。[97]アレイ・エ・ラ・カマルグ社も電気分解生産への切り替えを決定し、この方法を使用する最初の工場が1895年に開設された。[73]
アルミニウムの現代生産は、バイエル法とホール・エルー法に基づいている。1920年にスウェーデンの化学者カール・ヴィルヘルム・セーデルベルグ率いるチームによってさらに改良された。それまでは、陽極電極は焼成済みの石炭ブロックから作られていたが、すぐに劣化して交換が必要だった。チームは還元室でコークスとタールのペーストから作られた連続電極を導入した。この進歩により、アルミニウムの世界生産量が大幅に増加した。[98]
大量使用
適切な量のアルミニウムを与えれば、我々はあと4年間戦うことができるだろう。
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アルミニウムの価格は下落し、1890 年代初頭までに、この金属はジュエリー、眼鏡のフレーム、光学機器、その他多くの日用品に広く使用されるようになりました。アルミニウム製の調理器具は 19 世紀後半に生産が開始され、20 世紀初頭には徐々に銅製や鋳鉄製の調理器具に取って代わりました。アルミホイルはその頃に普及しました。アルミニウムは柔らかくて軽いのですが、他の金属と合金にすると、低密度を保ちながら硬度を増せることがすぐに発見されました。アルミニウム合金は、19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、さまざまな用途に使用されました。たとえば、アルミニウム青銅は、柔軟なバンド、シート、ワイヤの製造に使用され、造船業や航空業界で広く使用されています。[100]航空業界では、 1903年に発明された新しいアルミニウム合金、ジュラルミンが使用されました。[101]アルミニウムのリサイクルは1900年代初頭に始まり、以来広く使用されています。[ 102]アルミニウムはリサイクルによって劣化せず、繰り返しリサイクルできるためです。[103]この時点では、最終消費者が使用しなかった金属のみがリサイクルされました。[104]第一次世界大戦中、主要政府は軽くて強い機体のために大量のアルミニウムの出荷を要求しました。政府は工場と必要な電気供給システムに補助金を出すことが多かったです。[105] [106]アルミニウムの総生産量は戦争中にピークに達しました。1900年の世界のアルミニウム生産量は6,800トンでしたが、1916年には年間生産量が10万トンを超えました。[104]戦争によりアルミニウムの需要が高まり、一次生産の増加だけでは対応しきれず、リサイクルも急増した。[102]生産量はピークの後に減少し、その後急速に増加した。[104]
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20世紀前半、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年米ドル換算）まで継続的に下落した。第一次世界大戦中の急激な価格上昇など、いくつかの例外もあった。[104]アルミニウムは豊富で、1919年にドイツは銀貨をアルミニウム製のものに交換し始めた。国内でハイパーインフレが進むにつれて、ますます多くの額面の硬貨がアルミニウム製の硬貨に切り替えられた。 [108] 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、家庭用品に不可欠な要素となった。[109]アルミニウム製の貨車は1931年に初めて登場した。軽量なため、より多くの貨物を運ぶことができた。[106] 1930年代には、アルミニウムは基礎建築と建物の内装の両方に使用される土木資材として登場した。[110]航空機や戦車のエンジンなど軍事工学への応用が進んだ。[111]
リサイクルで得られたアルミニウムは、化学的な管理が不十分で、ドロスやスラグの除去も不十分だったため、一次アルミニウムより劣ると考えられていた。リサイクルは全体的に増加したが、一次生産の生産量に大きく依存していた。例えば、1930年代後半に米国で電力価格が下落すると、エネルギーコストの高いホール・エルー法を使用してより多くの一次アルミニウムを生産できるようになった。これによりリサイクルの必要性が低下し、アルミニウムのリサイクル率は低下した。[102] 1940年までに、使用済みアルミニウムの大量リサイクルが始まった。[104]
第二次世界大戦中、生産量は再びピークを迎え、1941年に初めて100万トンを超えた。[104]アルミニウムは航空機生産に多用され、極めて重要な戦略物資であった。そのため、アルコア（ホールのピッツバーグ・リダクション・カンパニーの後継者であり、当時米国のアルミニウム生産独占企業であった）が生産を拡大しなかったとき、米国内務長官は1941年に「アメリカが戦争に負けたとしても、米国アルミニウム社に感謝すればよい」と宣言した。[113] 1939年、ドイツは世界最大のアルミニウム生産国であった。そのため、ドイツ人はアルミニウムを戦争における優位性と考えていた。アルミニウム貨幣は引き続き使用されたが、導入当初は衰退の象徴であったが、1939年までには権力を象徴するものとなっていた。[114]（1941年、金属を軍事用に節約するため、流通から引き揚げられ始めた。）[115] 1940年にイギリスが攻撃された後、イギリスはアルミニウムのリサイクルという野心的なプログラムを開始した。新しく任命された航空機生産大臣は、国民に家庭用のアルミニウムを航空機製造のために寄付するよう呼びかけた。[112] [k]ソ連は1941年から1945年にかけて、共闘諸国から328,100トンのアルミニウムを受け取った。 [120]このアルミニウムは航空機や戦車のエンジンに使用された。 [ 121]これらの出荷がなければ、ソ連の航空機産業の生産量は半分以下に落ち込んでいただろう。[122]
戦時中のピークの後、世界の生産量は大戦後から戦後の3年間は減少したが、その後急速に成長を回復した。[104] 1954年、世界の生産量は281万トンに達し、[104]この生産量は銅の生産量を上回り、[l]歴史的には鉄に次いで生産量第2位であったため、[124] [125]非鉄金属の中で最も生産量が多い金属となった。
アルミニウムの時代
時間を止めるものは何もありません。一つの時代が次の時代へと続いていきますが、私たちはそれに気づかないこともあります。石器時代、青銅器時代、鉄器時代... [...] しかし、今私たちはアルミニウム時代の入り口に立っていると主張する人もいるかもしれません。
— ロシアのアルミニウム生産会社RUSALが2007年に出版した著書『アルミニウム：13番目の元素』 [126]
1957年に打ち上げられた地球初の人工衛星は、2つのアルミニウムの半球を結合したものだった。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る。[98]アルミ缶は1956年に初めて製造され、1958年には飲料用の容器として採用された。 [127 ] 1960年代には、アルミニウムは電線やケーブルの製造に使用された。[128] 1970年代以降、高速鉄道では、その高い強度対重量比からアルミニウムが一般的に使用されている。同じ理由で、自動車のアルミニウム含有量も増加している。[106]
1955年までに、世界市場[m]は6大企業によって支配されていた。アルコア、アルキャン（元々はアルコアの一部として設立された）、レイノルズ、カイザー、ペシネイ（ドゥヴィルの精錬所を買収したコンパニー・ダレ・エ・ド・ラ・カマルグとエルーを雇用したソシエテ・エレクトロメタルルジック・フランセーズの合併）、アルスイス（エルーのアルミニウム工業株式会社の後継企業）であり、市場シェアは合計で86%に達した。[129] 1945年以降、アルミニウムの消費量はほぼ30年間、毎年ほぼ10%増加し、建築用途、電線、基礎箔、航空機産業でシェアを伸ばした。1970年代初頭には、飲料用アルミニウム缶の開発によりさらなる成長が見られた。[130]実質価格は1970年代初頭まで下落し、[131] 1973年には実質価格は1トンあたり2,130ドル（1998年の米国ドル）となった。[104]価格下落の主な要因は、採掘・加工コストの低下、技術の進歩、アルミニウム生産量の増加であり、[131] 1971年に初めて1000万トンを超えた。[104]
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1960年代後半、政府は工業生産からの廃棄物に気づき、リサイクルと廃棄物処理を支持する一連の規制を施行した。ソーダーバーグ陽極は、陽極を焼成するための資本と労力を節約できるが、環境に有害である（焼成煙の収集と処分が非常に難しいため）ため[132]、不評となり、生産は焼成済み陽極に戻り始めた。[133]アルミニウム業界は、アルミ缶のリサイクルを促進し、規制を回避する試みを始めた。 [ 102]これにより、最終消費者が以前に使用したアルミニウムのリサイクルが促進されました。たとえば、米国では、そのようなアルミニウムのリサイクルレベルは、1970年から1980年にかけて3.5倍、1990年には7.5倍に増加しました。 [104] 1970年代と1980年代には一次アルミニウムの生産コストが上昇し、これもアルミニウムのリサイクルの増加に貢献しました。[102]より厳密な成分管理と精製技術の向上により、一次アルミニウムと二次アルミニウムの品質差は減少しました。[102]
1970年代には、アルミニウムの需要増加により、アルミニウムは交換商品となり、1978年に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ました。 [98]それ以来、アルミニウムは米ドルで取引され、その価格は通貨の為替レートに応じて変動しました。[134]低品位の鉱床を開発する必要性、エネルギーだけでなくボーキサイトの投入コストの急上昇、為替レートの変化、温室効果ガス規制により、アルミニウムの純コストが増加しました。[131]実質価格は1970年代に上昇しました。[135]
実質価格の上昇と関税や税金の変更により、世界の生産者のシェアの再分配が始まった。1972年には米国、ソ連、日本が世界の一次生産のほぼ60％を占めていた（一次アルミニウムの消費におけるこれらの国の合計シェアも60％近くだった）[136]が、2012年にはこれらの国の合計シェアは10％をわずかに上回っただけだった。[137]生産シフトは1970年代に始まり、生産は米国、日本、西ヨーロッパから、低い電力価格と低い税金や補助金などの有利な政府規制により安価だったオーストラリア、カナダ、中東、ロシア、中国に移った。[138] 1980年代と1990年代の生産コストは、技術の進歩、エネルギーとアルミナの価格の低下、米ドルの高為替レートにより低下した。[139]
2000年代には、BRIC諸国（ブラジル、ロシア、インド、中国）の一次生産の合計シェアは32.6％から56.5％に、一次消費は21.4％から47.8％に増加した。[140]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、特に大きな世界生産シェアを蓄積してきた。[141]また、消費シェアも1972年の2％から2010年には40％に増加した。[142]他に2桁のパーセンテージを記録した国は、11％の米国のみで、5％を超えた国は他になかった。[143]米国、西ヨーロッパ、日本では、アルミニウムのほとんどが輸送、エンジニアリング、建設、梱包に消費された。[143]
2000年代半ば、エネルギー、アルミナ、カーボン（陽極に使用）の価格上昇により生産コストが上昇した。これは為替レートの変化によって増幅され、米ドルの弱体化だけでなく、中国元の強化も引き起こした。中国のアルミニウムのほとんどが比較的安価であったため、後者は重要になった。[144]
世界の生産量は増加を続け、2018年には過去最高の6360万トンに達したが、2019年にはわずかに減少した。[104]アルミニウムの生産量は、他のすべての非鉄金属を合わせた量よりも多い。[145] 2019年の実質価格（1998年の米ドル換算）は1トンあたり1,400ドル（現在のドル換算では1トンあたり2,190ドル）であった。[104]
参照
注記
- ^ドゥヴィルは、 塩化ナトリウム、粘土、木炭の混合物を加熱すると、多数のアルミニウムの小球が得られることを明らかにした。これは科学アカデミー紀要に掲載されたが、結局忘れ去られた。[4]フランスの化学者アンドレ・デュボアンは、るつぼでホウ砂、アルミナ、少量の二クロム酸塩とシリカの混合物を加熱すると、不純なアルミニウムが形成されることを発見した。ホウ酸はイタリアに豊富にある。デュボアンによると、これは、石炭の還元作用を受けたホウ酸、カリ、粘土がローマでアルミニウムを生成した可能性があることを示唆している。[4]
- ^ 似たような話はプリニウスにも伝わっており、粘土から抽出された軽くて輝く金属について言及している。これはアルミニウムの説明と一致する。しかし、ペトロニウスとプリニウスはガラスについて言及している[6] (ディオはガラスという素材については全く言及していない) [7] 。この誤りの原因として考えられるのは、1864年にドゥヴィルが公然と引用したフランスの将軍ルイ・ガスパール・ギュスターヴ・アドルフ・イヴラン・ド・ベヴィルである。ドゥヴィルはローマの資料でこの新しい金属に関する古代の言及を探した結果、サティリコンに載っている話を発見した。ドゥヴィルはペトロニウスのaurum pro luto habere (文字通り「金が土のようにある」) という表現を誤解した可能性がある。彼はlutumが「粘土」(おそらくその翻訳) の略であると想定したが、この言葉は実際には本全体を通して一般的に価値のないものを意味している。ドイツの化学者ゲルハルト・エッゲルトは、この話は誤りであると結論付けた。[6]他の可能性のある説明を評価した後、彼は元の話もおそらく作り話であると発表したが、デュボアンの示唆については評価しなかった。[6]
- ^ アルミナは豊富にあり、銅の存在下でコークスで還元してアルミニウムと銅の合金を作ることができた。中国の錬金術師による現存する研究によると、少量のアルミニウムを含む合金は中国で製造できたという。中国には純粋なアルミニウムを製造する技術がなく、必要な温度（約2000℃）は達成不可能だった。中国では、最初の金王朝の時代に関連すると思われるアルミニウム含有量の高い遺物が多数発見されたが、後に、それらを作るのに必要な技術が当時は存在せず、そのため遺物は本物ではないことが判明した。[8]
- ^ 「ミョウバン土」と「アルミナ」という用語は同じ物質を指します。このセクションで言及されているドイツ語圏の著者は「ミョウバン土」（Alaun-Erde）を使用し、フランス語の著者は「アルミナ」（alumine）を使用しました。
- ^ デンマーク王立科学文学アカデミーに記録されているエルステッドによる新元素の単離に関する記述[26]には、金属の名前は含まれておらず、「アルミニウム」という名前も彼自身の提案も含まれていません。対照的に、ヴェーラーは「アルミニウム」という単語を彼の論文のタイトルに入れました。[33]
- ^ コストと価格の違いに注意してください。コストは製品の製造に費やされた金額（場合によっては時間などの他のリソース）ですが、価格は製品の販売価格（場合によっては他の商品やサービス）です。製造元の価格は、コストと製造元の利益の合計です。
- ^ 非常によく似ており、現在では一般的に1つとして認識されているホール法とエルー法ですが、当初は若干の違いがありました。例えば、エルー法は石炭陽極を使用し、ホール法は銅陽極を使用していました。[79]
- ^ カウルズ兄弟は、アルミニウムの大量生産によって金属の価格がすぐに下がることを恐れ、生産方法を変えることを望まなかった。同社の社長は、競合他社がそれを使用しないようにするために、ホールの特許（当時はまだ認められていなかった）を購入することを検討した。[86]
- ^ ホールは実験の記録を残していたおかげで独創性を証明することができた。ホールは1886年2月にアルミニウムの分離を記録し、家族がその証拠を提出した。対照的に、エルーの発明を遡ることができる最も古い日付は、4月のフランス特許の付与日であった。[80]
- ^ ホールの特許には内部加熱の原理が欠けていたため、カウルズ兄弟はホールが特許を盗んだと信じ、1891年に彼の会社を訴えた。この訴訟は1903年にようやく解決し、ピッツバーグ・リダクション社は多額の賠償金を支払わなければならなかった。[88] [89]
- ^ この運動は、航空機製造用のアルミニウムを集めるという宣言された目標を達成する手段としては効果的ではなかった。集められた金属は高品質ではなく、[116]手作業が必要であった（鍋の木製の取っ手の取り外しなど）、[117]アルミニウムは店で使われていない台所用品やスクラップとして入手可能であった。[116]特に既存のスクラップは、必要な等級の純度のアルミニウムに簡単に変換でき、他の場所では販売できなかった。[118]しかし、この運動は戦時中の努力に従事した英国民間人の士気を高めた。[116] [119]
- ^ USGSによるアルミニウム [104]と銅[123]の生産量の年間統計を比較する。
- ^ 世界の経済がすべて市場経済だったわけではないことに注意してください。たとえば、ソビエト連邦は計画経済でした。
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