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C　アルミニウム・亜鉛とその化合物

 

 

アルミニウム

►アルミニウム

　銀白色の軟らかい軽金属（密度2.7g/cm3）で，展性・延性に富む。地殻の構成成

分として，酸素，ケイ素に次いで第3位であり，金属としては第1位を占める。主

要鉱物には長石，雲母，氷晶石などがあり，酸化物鉱物としてコランダム，サファ

イア，ルビーなどがあげられ，宝石として珍重されるものも多い。鉱石としてはボ

ーキサイト，カオリンが重要で，工業的には氷晶石とアルミナの溶融塩電解で製造

する。融点660.4℃，電気伝導性は銀，銅に次いでよい。

　空気中に放置すると，酸化物の被膜を生じ光沢を失うが，内部まで侵されにくい。

酸には溶けてそれぞれの塩をつくるが，濃硝酸には不動態をつくるので比較的侵さ

れにくい。

　アルマイトは，工業的にAlの表面にAl2O3の耐錆性被膜をつくったものの商品名

である。アルミニウム板を陽極とし，シュウ酸や硫酸などの溶液の中で電解すると，

表面に酸化物の被膜ができる。この被膜は硬くて丈夫であり，電気絶縁性がよい。こ

れをさらに過熱水蒸気で処理して緻密にする。電解に際して，直流のみでなく交流を

併用すると，被膜の性能がいっそうよくなる。

　Alを強熱すると，白光を放って燃え，多量の熱を発生する。

　　　4Al＋3O2→2Al2O3＋3350.6kJ

　この性質を利用して，炭素で還元しにくい金属酸化物をAl粉末と熱して還元する。

これをGoldschmidt法といい，Cr，Mn，Co,Vなどの冶金に用いられる。また，Fe2O3

粉末とAl粉末の混合物をアルミノテルミットという。点火すると2500℃の高温を生

ずるので，レールの修理などに使用された。

　Alは，工業用及び家庭用の器具の製作，銅の代わりに電線，電気器具にも用いられ

る。Al粉は塗料，火薬，花火に，Al箔はスズ箔の代用にする。また，アルミニウムは

いろいろな合金の原料として用いられる。

　アルミ銅は，Al10%，Cu90%の合金，ジュラルミンはAlにCu3〜4.5%，Mg0.3〜1

%，Mn0.5〜1%を加えた合金である。

　なお，アルミニウムをつくるため多量の電力を消費しているので，アルミ缶は回収

して再生利用するのが望ましい（原料からアルミニウムをつくるのに比べてわずか3%

程度のコストで再生できる)。

 

►酸化アルミニウム

　アルミナまたはバン土ともいう。天然には鋼玉(コランダム)として産する。微量の

Cr2O3を含むものは紅色を呈し，紅玉(ルビー)と呼ばれている。TiO2を含むものは青

色で青玉(サファイア)という。色の美しくないものは金剛砂といい，研磨剤として用

いる。Al(OH)3を電気炉内で熱し，半融解したものをアランダムという。耐火性が強

く，硬度が高いので，るつぼその他の耐火器具及び研磨剤に用いられる。

 

►電解工業

電気分解を利用して物質を製造したり，材料を加工したりする工業を電気分解工
業という。物質製造で大規模に行われているのは，アルミニウム製錬，食塩電解，
亜鉛製錬，銅精製などである。そのほか，フッ素，カルシウム，ナトリウム，リチ
ウム，塩素酸ナトリウムなども，電解法で製造されている。

技術的には，他の製造法でも製造できるが，製品純度などの問題で，電解法で製
造しているものもある。たとえば，二酸化マンガン，クロムなどである。

そのほか，めっき，電着塗装なども行われている。

電気分解による製造物質

分　野

製　造　物　質

水電解

H2

食塩水電解

NaOH，Cl2，H2

無機電解酸化

NaClO3，KMnO4，MnO2，PbO2，NaClO4

金属電解精製

Cu，Pb，Au，Ag，Ni，Fe，Bi，In，Sn

金属電解採取

Zn，Cr，Mn，Ni，Co，Ga，Te，Cd，Tl

溶融塩電解

F2，Al，Mg，Ca，Na

 

►アルミニウムの製造

　アルミニウムは地殻に非常に多く，約8％(地殻構成元素順位3番目)含まれてい

るが，すべて化合物となっている。ケイ素，酸素と化合した長石のように，複雑な

ケイ酸塩をつくり岩石や土壌を形成している。これらの量は多いが，それからアル

ミニウムを取り出すことは困難である。アルミニウム製造に用いる主な原鉱は，ア

ルミナを主成分とするボーキサイトである。この製造方法を工業化することに成功

したのは，1886年にアメリカのホールHall(1863〜1914年)とフランスのエルーHeroult

(1863〜1913年)が偶然同じ年に発見した方法によった。

　それまでは，アルミナは融点が高く，炭素で還元しにくいため，塩化アルミニウ

ムをナトリウムやカリウムで還元してつくっていた。

　　　　AlCl3＋3Na→Al＋3NaCl

　しかし，ホールたちが氷晶石Na3AIF6を約1000℃に熱してとかし，これに

アルミナを加えて融解させ，電解してアルミニウムを製造するという方法を考え出

してから，急にアルミニウムの製造量が増加した。

　アルミナの電解を行うと，電解槽の内壁が陰極となり，Al3＋が放電して，アルミ

ニウムが析出して底にたまる。陽極ではO2−が炭素と反応して一酸化炭素や二酸化

炭素を生じて，陽極を消耗する。したがって，アルミナの電解反応は次のようにな

る。

(陰極)Al3＋＋3e−→Al

(陽極)2O2−→O2＋4e−，O2＋C→CO2，CO2＋C→2CO

(全体)2Al2O3＋3C→4Al＋3CO2，Al2O3＋3C→2Al＋3CO

　電解に用いるAl2O3は純粋でないと上の反応がうまく進行しない。それにはボー

キサイトを加圧下で水酸化ナトリウム水溶液と熱する。すると，酸化鉄などの不純

物は溶けないで残る。溶液となったアルミン酸ナトリウムを加水分解すると水酸化

アルミニウムが沈殿する。これを熱して純粋な酸化アルミニウムを得る。したがっ

て，アルミニウムの製錬は2段階に区別でき，酸化アルミニウムを得る方法をバイ

ヤーBayer法，アルミナの電解法をホール・エルー法という。

　最近，電解にかわる方法として溶鉱炉法が開発され，注目されている。これはボ

ーキサイトから直接アルミニウムを取り出す方法であり，電力不要の点から今後の

工業化に期待がよせられている。

 

►溶融塩電解
化合物を融解して電解する方法で，融解塩電解ともいう。アルミニウム製錬が代

表例で，イオン化傾向の大きい金属などの製造法である。

溶融塩電解

生成物

陰極

陽極

電　解　液

温度〔℃〕

電圧〔V〕

副生物

F2

Ni，C

Fe

HF，KF

80〜108

8〜12

H2

AI

C

C

Al2O3，Na3AlF6

960〜980

4.04〜4.20

CO2

Mg

C

Fe

MgCl2，CaCl2，KCl，NaCl

660〜720

5〜10

Cl2

Na

C

Fe

NaCl，CaCl2

590

6.9

Cl2

Li

C

Fe

LiCl，KCl

400〜420

8〜9

Cl2

Ca

C

Fe

CaCl2

780〜800

17〜30

Cl2

 

 

►アルミニウム化合物

　アルミニウム化合物の中で，生産量(1998年)の多いのは硫酸アルミニウム約

95.05万t，ポリ塩化アルミニウム約58.49万tなどである。

　Al2(SO4)3は硫酸バン土ともよばれ，製紙のサイジング(インキの滲み止め加工)，

染色の媒染剤，水の浄化剤，皮なめしなどに利用されている。約50％が製紙用，

約35%が水処理用である。AlK(SO4)2 · 12H2O(ミョウバン)も同様の目的で利用され

ている。

ポリ塩化アルミニウムとは[Al2(OH)nCl6−n]m（n≒3，m≦10）の組成の塩基性塩化

アルミニウムの液で，浄水剤として用いられている。多核錯イオンの機造をもつた

め，Al2(SO4)3より凝集力が大きく，また中和剤や助剤が不要のため最近需要量が

増加しつつある。

　無水塩化アルミニウムAlCl3は，フリーデル-クラフツ反応（アルキル化，アシ

ル化)，クラッキング反応などに触媒として用いられる。結晶は180℃で昇華し

Al2Cl6の分子になる。880℃ではAlCl3分子になり，440〜800℃では2つの分子が

共存する。

 

実験13　アルミニウムの反応を調べてみよう

 

 

亜鉛

►亜鉛

　天然に単体で産出することはないが，地殻中に広く分布している。主要鉱石は閃

亜鉛鉱ZnS，菱亜鉛鉱ZnCO3である。硫化物は焼いて酸化物とし，これを炭素と混

ぜて熱すると亜鉛が蒸発して出てくる。精製は蒸留，電解によって行う。青みを帯

びた銀白色の金属光沢がある。融点419.58℃，沸点907℃，密度7.13g/cm3。室温で

はややもろく，加工しにくいが，100〜115℃で展性・延性が著しく増大するので，

薄板や線に加工できる。200℃以上でまたもろくなり，粉末にすることができる。

　湿った空気中で塩基性炭酸亜鉛の被膜を生じ，内部を保護する。酸素または空気

中で高温に熱すると光を出して酸化物になる。赤熱状態で水と反応し，分解して水

素を発生する。乾いたハロゲンとは室温で反応しないが，水分があれば容易に侵さ

れる。希酸及び濃アルカリ溶液と反応し，水素を発生して塩を生じるので，希酸あ

るいは濃アルカリ溶液とともに還元剤として用いることができる。アンモニア水，

シアン化カリウム水溶液には，水溶性錯塩をつくって溶ける。

　トタン板，電池の製造のほか，黄銅，洋銀など重要な合金の材料となる。

 

►亜鉛化合物

　熱した亜鉛に水蒸気を通じると，水素を発生して酸化亜鉛を生じる。また，空気

中で強熱しても酸化亜鉛となる。

　　　Zn＋H2O→ZnO＋H2　　2Zn＋O2→2ZnO

　酸化亜鉛は水に溶けないが，酸やアルカリにはよく溶ける。

　　　ZnO＋2H＋→Zn2＋＋H2O

　　　ZnO＋2OH-＋H2O→[Zn(OH)4]2-

　ZnOはまた，亜鉛華，亜鉛白ともよばれる。昇華点1725℃で，1300℃から昇華

し始める。毒性がないことと，硫化水素で黒変しないなどの特徴から，白色顔料と

して鉛白(塩基性炭酸鉛)に代わって使用されたが，現在ではTiO2が主として用い

られている。現在では，ゴムの加硫促進剤，ガラス，ほうろう，陶磁器の上薬，医

薬，顔料などに用いられている。高純度のものは，紫外線吸収能が高く，光半導性

があり，絶縁性も高いので，樹脂安定剤，電子写真感光材料，蛍光体などに利用さ

れている。

　水酸化亜鉛Zn(OH) 2も両性化合物で，酸やアルカリと反応する。また加熱すると，

125℃で分解する。　Zn(OH)2→ZnO＋H2O塩化亜鉛ZnCl2(融点283℃，沸点732℃)

は潮解性の無色粉末結晶で，金属酸化物を溶解する性質がある。これは,[ZnCl4]2−

を生じるためで，亜鉛やスズめっきの前処理や，ハンダづけのときに金属面をきれ

いにするのに用いられる。また，歯科用セメントは，ZnCl2の濃溶液にZnOを加え

てつくり，充填用としている。これは，塩基性塩化亜鉛ZnCl(OH)が生じて硬化す

る性質を利用したものである。

　　　ZnCl2＋ZnO＋H2O→2ZnCl(OH)

　硫酸亜鉛ZnSO4