トップ新編化学I 改訂版>第3部 無機物質>第2章 金属元素の性質C アルミニウム・亜鉛とその化合物

C アルミニウム・亜鉛とその化合物

 

アルミニウム

 銀白色の軟らかい軽金属(密度2.7g/cm3)で,展性や延性に富む。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位である。主要鉱物には長石,雲母,氷晶石等があり,酸化物鉱物としてコランダム,サファイア,ルビー等があげられ,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660.32℃,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,内部まで侵され難い。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難い。

 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,シュウ酸や硫酸等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。これを更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。

   4Al3O2 ―→ 2Al2O33351.4kJ

 この性質を利用して,炭素で還元し難い金属酸化物をAl粉末と熱して還元する。これをGoldschmidt法といい,CrMnCo,V等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。点火すると高温を生じ,レールの修理等に使用された。

 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粉は塗料や火薬,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。

 ジュラルミンはAlCu3.55.5%Mg等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為に(原料からアルミニウムをつくるのに比べて僅か3%程度のコストで再生できる)

 

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,銅精製等である。その他,フッ素,カルシウム,ナトリウム,リチウム,塩素酸ナトリウム等も,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,製品純度等の問題で,電解法で製造しているものもある。例えば,二酸化マンガン,クロム等である。

その他,めっき,電着塗装等も行われている。

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

NaOHCl2H2

無機電解酸化

NaClO3KMnO4MnO2PbO2NaClO4

金属電解精製

CuPbAuAgNiFeBiInSn

金属電解採取

ZnCrMnNiCoGaTeCdTl

溶融塩電解

F2AlMgCaNa

 

アルミニウムの製造

 アルミニウムは地殻に非常に多く,8(地殻構成元素順位3番目)含まれているが,全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。この製造方法の工業化に成功したのは,1886年にアメリカのホールHall(18631914)とフランスのエルーHeroult(18631913)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,炭素で還元し難いため,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。

   AlCl33Na ―→ Al3NaCl

 しかし,ホール達が氷晶石Na3AIF6950℃に熱して融かし,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溜まる。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。

(陰極) Al33e―→ Al

(陽極) 2O2―→ O24e, O2C ―→ CO2, CO2C ―→ 2CO

(全体) 2Al2O33C ―→ 4Al3CO2, Al2O33C ―→ 2Al3CO

 電解に用いるAl2O3は純粋でないと上手く進行しない。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,酸化鉄等の不純物は溶けずに残る。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寄せられている。

 

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やレアアース金属(21Sc39Y57La71Lu)の製造法である。

 

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。

 

アルミニウム化合物

 アルミニウム化合物の中で,生産量の多いのは硫酸アルミニウムやポリ塩化アルミニウム等である。

 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,皮なめし等に利用されている。50%が製紙用,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)nCl6n]mn3m10)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る。多核錯イオンの機造をもち,Al2(SO4)3より凝集力が大きく,また中和剤や助剤が不要な為に最近需要量が増えつつある。

 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),クラッキング反応等に触媒として用いられる。

 

亜鉛

 天然に単体で産出することは無いが,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419.53℃,沸点907℃,密度7.13g/cm3室温ではややもろく,加工し難いが,100115℃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。希酸及び濃塩基溶液と反応し,水素を発生して塩を生じるので,希酸あるいは濃塩基溶液と伴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,電池の製造の他,黄銅,洋銀等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。

   ZnH2O ―→ ZnOH2  2ZnO2 ―→ 2ZnO

 酸化亜鉛は水に溶け難いが,酸や塩基にはよく溶ける。

   ZnO2H―→ Zn2H2O

   ZnO2OH-H2O ―→[Zn(OH)4]2-

 ZnOはまた,亜鉛華,亜鉛白ともよばれる。毒性がないことと,硫化水素で黒変しない等の特徴から,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。ZnOは現在,ゴムの加硫促進剤,ガラス,ほうろう,陶磁器の上薬,医薬,顔料等に用いられている。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,蛍光体等に利用されている。

 水酸化亜鉛Zn(OH) 2も両性化合物で,酸や塩基と反応する。熱すると125℃で分解する。

   Zn(OH)2 ―→ ZnOH2O

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を生じる為で,亜鉛やスズめっきの前処理や,はんだづけのときに金属面を綺麗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)生じて硬化する性質を利用したものである。

   ZnCl2ZnOH2O ―→ 2ZnCl(OH)

 硫酸亜鉛ZnSO4は無色の結晶で,水溶液は加水分解して酸性を示す。

 

 

 








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