性質および化学反応

 銀白色の軽金属であり、表面に薄い酸化皮膜を形成して錆は進行しにくいが、粉末状のものは空気中で高温で明るい光を発して燃焼する。酸化鉄とアルミニウムの粉末の混合物はテルミットと呼ばれ、マグネシウムリボンで点火すると激しく火花を散らして反応し、鉄が鎔融状態で生成する。この反応により酸化クロム、二酸化ケイ素なども還元することが可能で、アルミニウムの酸素との強い親和性により反応が起こる。
 イオン化電位は低く、-1.676 V (Al3+/Al)であり、熱力学的には酸化されやすい金属であるといえる。希塩酸とは反応が徐々に激しくなり、希硫酸とはゆっくりと反応して水素を発生して溶解する。濃硝酸とは表面に酸化皮膜を形成し反応が停止し、不動態となる。アルカリ水溶液とも速やかに反応し水素を発生して溶解する両性元素である。
 水銀との合金であるアルミニウムアマルガムは空気中で酸化物を生成し、常温で水と反応して水素ガスと水酸化アルミニウムを生成する。高純度アルミニウムはさびにくく、酸との反応も遅いが、軽合金では多くのものがより電位的に貴な銅を含み、局部電池を形成してより錆びやすくなる。
 元素名は明礬のラテン語Alumenに由来し、英語の綴りにはAluminium(英)およびAluminum(米)の二通りがある。

テルミット反応 2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe ΔH °= -851.5kJ
塩酸との反応 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2
希硫酸との反応 2Al + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2
水酸化ナトリウム水溶液との反応 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
アルミニウムイオンと当量のアルカリとの反応 Al3+ + 3OH- → Al(OH)3(s)↓ Ksp = 1.8×10-35
水酸化アルミニウムと過剰のアルカリとの反応 Al(OH)3(s) + OH- → [Al(OH)4]-aq K = 5.8×10-2

アルミニウムの単体
アルミニウム粉末の燃焼

自然界における存在

 岩石圏ではアルミニウムは酸素、ケイ素に次いで多く含まれ、地殻の岩石圏での存在度は金属元素中では最大である。火成岩中ではアルミニウムは主に長石などのアルミノケイ酸塩として含まれ、これらが風化されると粘土鉱物となる。アルミニウムの重要な鉱石はボーキサイトであり、これはラテライト質の土壌が風雨により浸食され、ナトリウムおよびカルシウムなどが溶出し、水酸化アルミニウムなどが残ったものである。ボーキサイトはギブス石Al(OH)3およびダイアスポアAlO(OH)など複数のアルミニウム鉱物の複合体である。
 酸化アルミニウムの天然結晶はコランダムAl2O3と呼ばれ、モースの硬度計ではダイヤモンドに次いで硬い鉱物で9度と定義されている。コランダムのうち、クロムイオンを含み、赤色のものがルビーであり、チタンなどを含み青色のものをブルーサファイアと呼び、透明度が高く良質のものは宝石にされる。
 アルミナの融解電解に用いられる氷晶石Na3[AlF6]は天然のものはグリーンランドのみで産出し資源量も少ないため、工業的には合成のものが用いられる。軽元素であるフッ素を多量に含む氷晶石は屈折率が低く、水と同程度の1.339であり、水に入れると肉眼で見難くなる。グリーンランドで発見された当時、融けない氷の層があるといわれた程で、名称もここから付けられた。
 アルミニウムは多くの生物が生存しうるpH条件下では水に不溶性の化学種になりやすいため、多量に存在する元素にも拘らず生物にとって必須元素になりにくく、むしろ毒性を示すことがある。アルツハイマー患者の脳に多量のアルミニウムが蓄積されていることから、アルミニウムおよびその化合物はアルツハイマー病の原因になると言われているが、詳しいことはよく判っていない。アルミニウムが蓄積したことが原因なのか、この病気の状態ではアルミニウムが蓄積しやすくなるのかいずれかであろう。
ルビー原石 パキスタン産
ダイアスポア トルコ産

氷晶石 グリーンランド産
ボーキサイト インドネシア ビンタン島産

工業的用途

 アルミニウムは酸素との結合力が強いため、鉄や銅のように鎔鉱炉内でのコークスによる還元では得られない。単体金属の製造はまず原料であるボーキサイトに熱濃水酸化ナトリウム水溶液を反応させてアルミン酸ナトリウムとして溶出させ、希釈して沈殿する水酸化アルミニウムAl(OH)3を焼成してアルミナAl2O3を得る。このアルミナを氷晶石と混ぜ1000℃で融解し、炭素電極を用いて電気分解すると陰極に融解したアルミニウムが析出する。ボーキサイトからアルミナを抽出した後の残渣は、二酸化ケイ素および酸化鉄などを含むため赤泥と呼ばれ、海洋投棄の是非などの問題を抱えている。
 単体を初めて単離したのはデンマークのH.C.Oerstedであり、1825年に無水塩化アルミニウムをカリウムアマルガムで還元することにより得ている。その後ナトリウムで還元することにより金属が生産されていたが、当時アルミニウム地金は金よりも高価であったという。アルミナの融解電解による工業的生産法を開発したのはアメリカのC.M.HallおよびフランスのP.L.T.Heroult であり、それぞれ独立に同時期の1886年に発明し、さらに不思議なことに2人は同年(1863年)に生まれ同年(1914年)に没している。
 アルミニウムは単独では軟らかく、強度を上げるため少量の銅、亜鉛およびマグネシウムなどを加えた軽合金として、航空機、自動車、自転車のフレームおよび電車などの構造材料に用いられる。また純アルミニウムとしてアルミ箔、アルミ缶、高圧送電線および1円硬貨などに用いられ、金属としての生産量は鉄に次いで2番目である。

バイヤー法によるボーキサイトからのアルミナの抽出
アルカリによる抽出 AlO(OH)(s) + NaOHaq + H2O → Na[Al(OH)4]aq
Al(OH)3(s) + NaOHaq → Na[Al(OH)4]aq
アルミン酸ナトリウムの加水分解 Na[Al(OH)4]aq → Al(OH)3(s)↓ + NaOHaq
水酸化アルミニウムの熱分解 2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
アルミナの融解電解によるアルミニウム製造
陰極(融解アルミニウムの析出) Al3+ + 3e- → Al
陽極(炭素電極の酸化) O2- + C → CO + 2e-

アルミ貨
軽合金の自転車フレーム


アルミニウムの特性と用途

軽いアルミニウムの比重は2.7であり,鉄の約3分の1の軽さである。
自動車や航空機には,アルミニウム合金(ジュラルミン)が使われている。
強い純アルミニウムの引っ張りの強さは,あまり大きくないが,
これにマグネシウムやマンガン,銅を添加すると強度が増す。
腐食しにくいアルミニウムは,空気中では緻密で安定な酸化皮膜を形成することができる。
このため,腐食が防止される。
加工しやすいアルミニウムは加工がしやすく,さまざまな形状に成形することができる。
アルミホイルのように,薄い紙のようなものもある。
電気をよく通す送電線の約99パーセントがアルミニウム。電気伝導度
はそれほど高くないが,比重が小さいため,同じ重さでも何倍のもの電流を流す。
磁気を帯びないアルミニウムは非磁性体で,磁場に影響されない。主な製品
としては,パラボラアンテナや船の磁気コンパス,電子医療機器などがある。
熱をよく伝えるアルミニウムの熱伝導率は鉄の約3倍。この性質は,急速に冷える
という性質につながるため,冷暖房装置やエンジン部品に使われている。
低温に強いアルミニウムは,液体窒素(-196℃)の極低温下でも,破壊
されない。この特性は,宇宙開発などの最先端分野でも注目されている。
光や熱を反射するよく磨いたアルミニウムは,赤外線や紫外線,電磁波をよく反射する。
そのため,暖房機の反射板や照明器具,宇宙服などに利用されている。
毒性が無いアルミニウムは,無毒,無臭である。重金属のように,人体を
害したり,土壌を汚染することが無いため,食品や医薬品の包装に用いられる。

主な化合物

化合物中ではアルミニウム原子の酸化数は+3をとることが多い。

Al2O3 酸化アルミニウム(アルミナ) Aluminium Oxide (Alumina)
AlCl3 塩化アルミニウム Aluminium Chloride
Al(OH)3 水酸化アルミニウム Aluminium Hydroxide
KAl(SO4)2·12H2O 硫酸カリウムアルミニウム十二水和物(明礬) Potassium Aluminium Sulfate Dodecahydrate (Alum)



電子配置
1s22s22p63s23p1
[Ne]3s23p1
第一イオン化エネルギー
577.53 kJ/mol
5.986 eV
電子親和力
42.6 kJ/mol
0.441 eV
密度
2.6989 g/cm3 (20℃)
結晶格子
面心立方格子(fcc) a=4.0496Å
熱容量Cp(比熱)25℃
24.35 J/mol K (0.2157 cal/g K)
融点
660.37℃
沸点
2520℃
地殻中存在比
8.13 %
海水中存在比
2 ppb
大気中存在比
-
宇宙存在比(Si=106)
84900


同位体
核種
相対質量
スピンパリティー
半減期
天然存在比
壊変
26Al

25.986891692

5+
7.4×105 yr
trace
β+82, EC18
27Al

26.981538627

5/2+
stable
100.00%
-
28Al

27.981910306

3+
2.2414 min
-
β-
29Al

28.980445046

5/2+
6.56 min
-
β-


n
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs
Ba
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ra
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
Ds
Rg
Uub
Uut
Uuq
Uup
Uuh
Uus
Uuo
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr



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