アルミニウムの特性、特徴、用途
地球上で最も豊富な元素
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画像提供：デュバル
アルミニウム (アルミニウムとしても知られています) は、地球の地殻で最も豊富な金属元素です。また、私たちはそれをたくさん使うので、それも良いことです.毎年約 4,100 万トンが製錬され、幅広い用途に使用されています。自動車のボディからビール缶まで、電気ケーブルから航空機の外板まで、アルミニウムは私たちの日常生活の大きな部分を占めています。
プロパティ
- 原子記号: Al
- 原子番号: 13
- 要素カテゴリ: ポスト遷移金属
- 密度: 2.70 g/cm3
- 融点: 1220.58 °F (660.32 °C)
- 沸点: 4566 °F (2519 °C)
- モース硬度: 2.75
特徴
アルミニウムは、軽量で、導電性が高く、反射性があり、毒性がなく、機械加工が容易な金属です。金属の耐久性と多くの有利な特性により、多くの産業用途にとって理想的な材料となっています。
歴史
アルミニウム化合物は古代エジプト人によって染料、化粧品、医薬品として使用されていましたが、人間が純粋な金属アルミニウムを製錬する方法を発見したのは 5000 年後のことでした。驚くべきことではありませんが、金属アルミニウムを製造する方法の開発は、19 世紀の電気の出現と一致していました。アルミニウムの精錬には大量の電力が必要だからです。
1886 年にチャールズ マーティン ホールが電解還元を使用してアルミニウムを製造できることを発見したとき、アルミニウム製造における大きなブレークスルーが起こりました。それまで、アルミニウムは金よりも希少で高価でした。しかし、ホールの発見から 2 年以内に、ヨーロッパとアメリカでアルミニウム会社が設立されました。
20 世紀の間、アルミニウムの需要は、特に輸送および包装産業で大幅に増加しました。生産技術は大幅に変わっていませんが、著しく効率的になっています。過去 100 年間で、1 単位のアルミニウムを生産するために消費されるエネルギー量は 70% 減少しました。
製造
アルミニウムの生産 鉱石からの酸化は、ボーキサイト鉱石から抽出される酸化アルミニウム (Al2O3) に依存しています。ボーキサイトは通常 30 ～ 60% の酸化アルミニウム (一般にアルミナと呼ばれる) を含み、地表近くで定期的に見られます。このプロセスは 2 つの部分に分けることができます。 (1) ボーキサイトからのアルミナの抽出、および (2) アルミナからのアルミニウム金属の製錬。
アルミナの分離は通常、バイエル法として知られている方法を使用して行われます。これは、ボーキサイトを粉砕して粉末にし、水と混合してスラリーを作り、加熱して苛性ソーダ (NaOH) を加えます。苛性ソーダはアルミナを溶解するため、フィルターを通過して不純物が残ります。
次に、アルミン酸塩溶液を沈殿槽に排出し、そこで水酸化アルミニウムの粒子を「シード」として添加します。攪拌および冷却により、水酸化アルミニウムがシード材料上に沈殿し、加熱および乾燥されてアルミナが生成されます。
電解セルは、チャールズ・マーティン・ホールによって発見されたプロセスで、アルミナからアルミニウムを製錬するために使用されます。セルに供給されたアルミナは、華氏 1742 度 (摂氏 950 度) の溶融氷晶石のフッ素化浴で溶解されます。
10,000 ～ 300,000A の直流電流がセル内の炭素アノードから混合物を通ってカソード シェルに送られます。この電流は、アルミナをアルミニウムと酸素に分解します。酸素は炭素と反応して二酸化炭素を生成しますが、アルミニウムは炭素のカソード セル ライニングに引き寄せられます。
その後、アルミニウムは回収され、リサイクル可能なアルミニウム材料を追加できる炉に運ばれます。現在生産されているアルミニウムの約 3 分の 1 は、リサイクルされた素材から作られています。米国地質調査所によると、最大の アルミニウム生産国 2010 年は中国、ロシア、カナダでした。
アプリケーション
アルミニウムの用途は数え切れないほどあり、金属の特殊な特性により、研究者は定期的に新しい用途を見つけています。一般的に言えば、アルミニウムとその多く 合金 3つの主要産業で使用されています。輸送、梱包、および建設。
アルミニウムは、さまざまな形態と合金で、航空機、自動車、列車、ボートの構造部品 (フレームとボディ) にとって重要です。一部の民間航空機の 70% もがアルミニウム合金で構成されています (重量で測定)。部品が応力や耐食性、または高温耐性を必要とするかどうかにかかわらず、使用される合金の種類は、各構成部品の要件に依存します。
生産されるすべてのアルミニウムの約 20% が包装材料に使用されています。アルミホイルは、無毒であるため食品の包装材料に適していますが、反応性が低く、光、水、酸素を透過しないため、化学製品のシーラントにも適しています。米国だけでも、毎年約 1,000 億個のアルミ缶が出荷されています。これらの半分以上は、最終的にリサイクルされます。
その耐久性と耐腐食性により、毎年生産されるアルミニウムの約 15% が建設用途に使用されています。これには、窓やドア枠、屋根材、羽目板、構造枠、雨どい、雨戸、ガレージ ドアが含まれます。
アルミの 電気伝導性 また、長距離の導線にも使用できます。スチールで強化されたアルミニウム合金は、銅よりもコスト効率が高く、軽量であるためたるみを減らします。
アルミニウムのその他の用途には、家庭用電化製品のシェルとヒートシンク、街灯柱、石油掘削装置の上部構造、アルミニウムでコーティングされた窓、調理器具、野球のバット、反射安全装置などがあります。
ソース:
ストリート、アーサー。 & Alexander, W. O. 1944. 人間に奉仕する金属 .第 11 版 (1998 年)。
USGS。鉱物商品の概要: アルミニウム (2011 年)。 http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/aluminum/