Aluminum - aluminium (English spelling)

Japanese: アルミニウム - あるみにうむ（英語表記）aluminium 英語

A metallic element belonging to group 13 of the periodic table. It is one of the newest commonly found metals.

history

The name comes from the Latin alumen, which means a naturally occurring sulfate containing aluminum. Alum has been used as an astringent and mordant since the 5th century. A method for making alum from clay was recorded in the 17th century, and in the 18th century, it was recognized that clay contains a base different from lime. However, its existence could not be proven until 1809, when H. Davy of England showed that an aluminum-iron alloy could be obtained by electrolysis of molten alumina Al ₂ O ₃ in a hydrogen stream, and that alumina could be recovered from the solution in which this alloy was dissolved. Davy proposed the name alumium after the aforementioned alumen, but it later became aluminium. The first person to successfully obtain aluminum as an element was F. Wöhler of Germany, who obtained it in 1827 by reacting aluminum chloride with potassium. H. Sainte-Claire Deville (1818-1881) of France developed an electrolytic method in addition to the reduction method, obtaining a considerable amount of metallic aluminum using clay as a raw material through electrolysis, which he exhibited at the Universal Exhibition in Paris in 1855 under the title "Silver from Clay." It is well known that after seeing this, Napoleon III supported him in his efforts to use this light metal to make equipment for French cavalry. The molten salt electrolysis method using alumina and cryolite, which is currently used for large-scale production, was invented independently in 1886 by P. L. T. Heloux of France and C. M. Hall of the United States.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Existence

It is the third most abundant element in the earth's crust after oxygen and silicon, and the first of all metallic elements, and is found in large quantities and widely. As various aluminosilicates, it is a major component of rocks and soil. The main minerals include feldspar, mica, cryolite, gibbsite, diaspore, alumite, and kaolinite, and many of these are found in weathered clays, as well as in oxides such as corundum (sapphire, ruby), which are prized as gemstones.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Manufacturing method

Aluminosilicates cannot be used as raw materials because it is difficult to separate from silicon. Bauxite, which has the composition aluminum oxide hydroxide Al ₂ O ₃ x H ₂ O, is used as raw material. Bauxite needs to be purified to remove the iron and silicon impurities. When the raw material is treated with a hot solution of concentrated sodium hydroxide under pressure, the aluminum oxide dissolves and becomes sodium aluminate. When a small amount of crystalline aluminum hydroxide is added to the filtrate from which the insoluble iron hydroxide is filtered out and stirred while passing air through, the aluminum hydroxide precipitates in the form of granules that are easy to filter. The silicate remains in the solution. The resulting aluminum hydroxide is baked at high temperatures to convert it into oxide. Next, cryolite is melted and aluminum oxide is dissolved in it, and electrolysis is performed at about 1000°C and 5 volts using graphite as an electrode. The electrode reaction is complex, but in appearance, the oxide dissolved in the cryolite is electrolyzed to produce aluminum and oxygen, which then reacts with the carbon at the anode to produce carbon dioxide or carbon monoxide. The purity of aluminum produced by ordinary electrolysis is 99.8%, but electrolytic refining can produce aluminum with a purity of over 99.99%.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

nature

It is a soft, light, silvery-white metal that is malleable and ductile and can be made into a thin foil. If it is left in air, it will develop an oxide film and lose its luster, but the inside will not be affected. When it is heated to near its melting point in air, it will burn, emitting a white light, and become aluminum oxide. In the process, a large amount of heat is generated.

4Al＋3O ₂ ―→2Al ₂ O ₃ ＋3338.832KJ
Aluminum and oxygen react very easily and produce high temperatures, which is why they are used in metallurgy and welding. For example, if iron oxide and aluminum powder are placed in a crucible and ignited with a magnesium ribbon, the iron produced by the following reaction is covered with aluminum oxide and becomes molten (thermite process).

2Al＋Fe ₂ O ₃ →2Fe＋Al ₂ O ₃ ＋845.168KJ
This method is also used to produce metals from oxides of chromium, manganese, etc., and is collectively known as the Goldschmidt process. When heated, it bonds directly with nitrogen, sulfur, carbon, etc. to form nitrides, sulfides, carbides, etc. It also reacts easily with halogens, burning violently in chlorine and bromine to become aluminum chloride and aluminum bromide. It dissolves in hydrochloric acid and sulfuric acid to form chlorides and sulfates, respectively, but in concentrated nitric acid it forms an oxide film, making it less susceptible to attack. This is called passivation. Anodizing is when an oxide is electrically created on the surface of aluminum to make it rust-resistant. Aluminum releases hydrogen in an alkaline hydroxide solution and dissolves to become an aluminate.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Applications

Metals are highly malleable, have a low specific gravity, are good conductors of heat and electricity, and have excellent corrosion resistance in the atmosphere, so they are processed into various shapes such as plates, foils, rods, wires, tubes, and molded materials for use. High-purity aluminum is used for reflectors in optical devices because of its high reflectivity. It is also used in electrolytic capacitor foils, magnetic disks, laser reflectors, and deposition materials for integrated circuits. Its light weight is used in aircraft, automobiles, ships, and railways, and its good electrical conductor is used in power lines. Al-Cu alloys are called duralumin. Aluminum is used in the food industry and tableware because of its corrosion resistance and harmlessness to the human body. It is also known for a wide range of other uses, such as paint, aluminum foil packaging, building materials, and nuclear reactor materials. In addition to these uses as metals or alloys, many compounds are used. Compounds behave as if they are near the boundary between ionic and covalent bonding. Sulfates such as alum, aluminum chloride, alumina, hydrides and hydride compounds, and organoaluminum compounds are each used for various purposes.

[Kenichi Morinaga and Katsunori Nakahara]

Periodic Table
©Shogakukan ">

Periodic Table

Aluminum manufacturing process
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Aluminum manufacturing process

Aluminum heating experiment
When heated to near its melting point in air, it burns instantly, emitting white light, and becomes aluminum oxide .

Aluminum heating experiment

Aluminum oxide growth
The surface of aluminum is covered with a thin film that protects the inside. When this is amalgamated with mercury, the film formation is prevented and the reaction proceeds rapidly. The photo shows the growth of aluminum oxide by reaction with oxygen in the air (right: 10 minutes elapsed, left: 30 minutes elapsed). ©Shogakukan ">

Aluminum oxide growth

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

周期表第13族に属する金属元素。普通にみられる金属のうちでは、もっとも新しいものの一つ。

歴史

その名称は、天然産のアルミニウムを含む硫酸塩（ミョウバン）を意味するラテン語alumenに由来する。ミョウバンはすでに5世紀ごろから収斂剤(しゅうれんざい)や媒染剤などに用いられていた。粘土からミョウバンをつくる方法が17世紀に記録されており、18世紀には粘土の中に石灰と異なる塩基が含まれていることが認められていた。しかし、1809年、水素気流中で融解アルミナAl₂O₃の電気分解によってアルミニウム‐鉄合金が得られること、この合金を溶かした溶液からアルミナが回収されることがイギリスのH・デービーによって明らかにされるまで、その存在を証明することはできなかった。この元素に対しデービーは前述のalumenにちなんでalumiumの元素名を提案したが、のちにaluminiumとなった。単体としてアルミニウムを得るのに初めて成功したのはドイツのF・ウェーラーで、1827年塩化アルミニウムをカリウムと反応させて得た。フランスのサント・クレール・ドビルH. Sainte-Claire Deville（1818―1881）は還元法とともに電解法をも開発し、粘土を原料として電解法でかなりの量の金属アルミニウムを得て、1855年のパリの万国博覧会に「粘土からの銀」として出品した。これをみたナポレオン3世が、フランス甲騎兵の装具をこの軽金属でつくろうとして、彼を援助したことは有名である。現在、大規模な製造に利用されているアルミナと氷晶石を用いる融解塩電解法は、1886年にフランスのP・L・T・エルーとアメリカのC・M・ホールがそれぞれ独立して発明した。

［守永健一・中原勝儼］

存在

地殻中の存在度は酸素、ケイ素に次いで第3位、金属元素としては第1位で、多量に、また広く存在する。種々のアルミノケイ酸塩として、岩石、土壌の主要成分となっている。おもな鉱物には、長石、雲母(うんも)、氷晶石、ギブス石、ダイアスポア、ミョウバン石、カオリナイトなどがあり、それらが風化した粘土のほか、酸化物にはコランダム（サファイア、ルビー）など宝石として珍重されるものが多い。

［守永健一・中原勝儼］

製法

ケイ素との分離がむずかしいので、アルミノケイ酸塩を原料とすることはできない。含水酸化アルミニウムAl₂O₃・xH₂Oの組成をもつボーキサイトが原料として用いられる。不純物として含まれる鉄とケイ素を除くため、ボーキサイトの精製が必要となる。原料を加圧下で濃い水酸化ナトリウムの熱溶液で処理すると、酸化アルミニウムはアルミン酸ナトリウムとなって溶ける。不溶性の水酸化鉄を濾別(ろべつ)した濾液に結晶性の水酸化アルミニウムを少量加えて、空気を通しながら攪拌(かくはん)を続けると、水酸化アルミニウムが濾過しやすい粒状となって沈殿する。このときケイ酸塩は溶液中に残る。生じた水酸化アルミニウムを高温で焼いて酸化物とする。次に氷晶石を溶融し、これに酸化アルミニウムを溶かし、約1000℃、5ボルトで黒鉛を電極として電解する。電極反応は複雑であるが、見かけ上は、氷晶石に溶けた酸化物が電解されてアルミニウムと酸素になり、酸素がさらに陽極の炭素と反応して二酸化炭素または一酸化炭素を生じたことになる。普通の電解法でつくられるアルミニウムの純度は99.8％であるが、電解精製により99.99％以上の高純度のものが得られる。

［守永健一・中原勝儼］

性質

銀白色の軟らかい軽金属で、展性、延性に富み、薄い箔(はく)とすることができる。空気中に放置すると、酸化物の被膜を生じて光沢を失うが、内部まで冒されることはない。空気中で融点近くに熱すると、白光を放って燃えて酸化アルミニウムとなる。その際、多量の熱を発生する。

　　4Al＋3O₂―→2Al₂O₃＋3338.832KJ
　このようにアルミニウムと酸素とは非常に化合しやすく高温が得られるので、金属の冶金(やきん)や溶接に利用される。たとえば、酸化鉄とアルミニウムの粉末をるつぼに入れ、マグネシウムリボンで点火すると、次の反応によって生じた鉄は酸化アルミニウムに覆われて融解状態となるほどである（テルミット法）。

　　2Al＋Fe₂O₃→2Fe＋Al₂O₃＋845.168KJ
　この方法はクロム、マンガンなどの酸化物から金属を製造するのにも使われ、ゴルトシュミット法と総称されている。熱すると窒素、硫黄(いおう)、炭素などと直接結合して、窒化物、硫化物、炭化物などとなる。ハロゲンとも反応しやすく、塩素、臭素中では激しく燃えて塩化アルミニウム、臭化アルミニウムとなる。塩酸、硫酸に溶けてそれぞれ塩化物、硫酸塩をつくるが、濃硝酸には酸化物の被膜を生じ、かえって冒されにくくなる。これを不動態とよんでいる。電気的にアルミニウムの表面に酸化物をつくり、耐銹(たいしゅう)性にしたものがアルマイトである。アルミニウムは水酸化アルカリ溶液に水素を放って溶けてアルミン酸塩となる。

［守永健一・中原勝儼］

用途

金属は展延性に富み、比重が小さく、熱、電気の良導体で、大気中での耐食性が優れているため、板、箔、棒、線、管、型材などあらゆる形に加工されて利用されている。高反射率をもつため高純度アルミニウムは光学機器などの反射鏡に用いられる。また電解コンデンサー箔、磁気ディスク、レーザー用反射鏡、集積回路用蒸着材などに用いられる。その軽さを利用して航空機、自動車、船舶、鉄道に、電気の良導体であることを利用して送電線などに使われている。Al-Cu系合金はジュラルミンとよばれる。また、食品工業、食器類などでのアルミニウムの利用は、耐食性と人体に害のないことによる。そのほか、ペイント、アルミニウム箔による包装、建築材料や原子炉材など、きわめて広範囲の用途が知られている。このような金属または合金としての用途のほかに、多くの化合物が利用される。化合物は、イオン結合性と共有結合性の境界付近にあるようにふるまう。ミョウバンなど硫酸塩、塩化アルミニウム、アルミナ、水素化物とヒドリド化合物および有機アルミニウム化合物などが、それぞれ各種の目的に利用されている。

［守永健一・中原勝儼］