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アルミニウムの魅力

2015年07月27日 00時13分 JST | 更新 2016年07月23日 18時12分 JST

13番元素アルミニウム(Al)は、汎用性が高く、安価で、広く普及している金属だが、ほんの150年前までは高価で珍しい金属とみなされていた。ノースカロライナ大学のDaniel Rabinovichが、Alの歴史や特性、利用について概説する。

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Credit: LA POSTE, 1986

信じ難い話だが、その昔、アルミニウム(Al)は金より高価だった。19世紀半ば、この金属をいたく気に入ったナポレオン3世が、厳かな晩餐会で特別な賓客をもてなす際にはAl製の食器を使っていた、という逸話さえある。Alは、地殻中の存在量が約8%と金属元素中最も多く、270種類を超す鉱物中に含まれている。ところが、Alは酸素との親和力が強く、酸化アルミニウム(Al2O3;別名アルミナ)やアルミノケイ酸塩(Al2O3・SiO2)の形が化学的に安定なために単離が非常に困難で、純粋なAlが初めて得られたのは1827年になってからのことだった。この偉業を成し遂げたドイツの化学者Friedrich Wöhlerは、単離成功後もAlの興味深い物理的・化学的特性について研究を続けた。

一方、フランスの化学者Henri Sainte-Claire Deville (1818~1881年)は、1854年にAlの大規模製造法を開発し、数年後にAlの製造や特性、応用の可能性について述べた初の総合的な本を出版している(参考文献1)。

そしてこれを機に、最新金属Alの魅力的な特性が次々と明らかになっていった。密度が低くて、引張り強さや展性は高く、熱や電気の良導体であり、耐腐食性に非常に優れている、といった性質である。フランスの小説家Jules Verneが、著書『From the Earth to the Moon』(1865)で「この貴重な金属は、銀の白さ、金の変質しにくさ、鉄の引張り強さ、銅の可融性、ガラスの軽さを兼ね備えている。また、鋳造が容易で、広範に分布しており、さまざまな岩石の主成分となっている」と述べていることからも、その注目度は明らかだろう。しかし、当時のAlの価格はまだ銀と同程度だったために大規模利用に向けた開発はなかなか進まず、もっと経済的な別の製造法の探索が求められていた。

この問題は、1886年に米国のCharles M. HallとフランスのPaul L. T. Héroultがそれぞれほぼ同時に、溶融氷晶石(Na3AlF6)にアルミナを溶解させて電気分解を行うというAl製造法を考案したことで解決へと向かう。「ホール・エルー(Hall-Héroult)」法と呼ばれるこの方法は、その2年後、オーストリアの化学者Karl Josef Bayer(ドイツの有名な化学・医薬品会社の創業者の息子)が、最も重要なAl鉱石であるボーキサイトからアルミナを効率よく抽出・精製する方法を開発したことで、採算の合う製造法として確立された。こうしてAlは、1960年代初めには銅をしのぎ、世界で最も広く用いられる非鉄金属となったのである。

AlやAl合金の利用は、建設業や運送業から、電力線や包装材、調理器具、さまざまな日用品の製造まで、多岐にわたる。また、Alにはこうした汎用性の他にも、容易にリサイクルできるという重要な特徴があり、経済や環境に及ぼす影響は大きい。Alの二次地金の再生に必要なエネルギーは、ボーキサイトから新地金を生産する場合のわずか約5%で済み、こうしたリサイクルはまた、埋立処分地の利用低減や温室効果ガスの排出削減にもつながるからだ。

純粋な金属としては比較的歴史の浅いAlだが、その化合物は古くからよく知られており、カリウム(K)とAlの硫酸塩の水和物であるミョウバン(KAl(SO4)2·12H2O)などは、古代ギリシャや古代ローマで収斂剤や媒染剤として用いられていた。また、塩化アルミニウム(AlCl3)は、フリーデル・クラフツアシル化反応やアルキル化反応に広く用いられる一般的なルイス酸であり、その水和物(Al2Cl(OH)5)は、多くの制汗剤で有効成分として使われている。また、メチルアルミノキサン(トリメチルアルミニウムの部分加水分解によって得られる混合物の総称)は、チーグラー・ナッタ触媒を用いたオレフィン重合反応において大量に使用されている。

近年、利用可能なAl錯体の種類は増加の一途をたどり、Alの化学は数々の発展を遂げている。特に、触媒反応や有機合成への応用を見込んだ研究が多く(参考文献2)、その他にも、珍しいAl(I)化合物の合成(有機アルミニウム化合物(参考文献3)やメタロイドアルミニウムクラスター(参考文献4)など)から、有機リン系神経ガスや殺虫剤を効果的に分解するシッフ塩基誘導体の合成(参考文献5)まで、幅広い領域で研究が盛んに行われている。

1978年に National Geographic 誌で「魔法の金属」と称されたAlは、今なお科学者や技術者はもとより、芸術家やデザイナーにとってもインスピレーションの源であり続けている(参考文献6)。今度サンドイッチをアルミホイルで包むとき、あるいはアルミ缶入りの飲料を飲むときには、Alの豊かな化学、魅力的な歴史、そしてその多種多様な応用を思い出そうではないか。

Nature Chemistry 5, 76 (2013年1月号) | doi:10.1038/nchem.1535

原文: The allure of aluminium

doi:10.1038/nchem.1535

著者: DANIEL RABINOVICH

参考文献:

  1. Sainte-Claire Deville, H. De l'aluminium: ses proprietes, sa fabrication et ses applications (Mallet-Bachelier, 1859)
  2. Taguchi, T. & Yanai, H. in Acid Catalysis in Modern Organic Synthesis (eds Yamamoto, H. & Ishihara, K.) 241-345 (Wiley-VCH, 2008).
  3. Roesky, H. W. & Kumar, S. S. Chem. Commun. 4027-4038 (2005).
  4. Schnepf, A. & Schnockel, H. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 3532-3552 (2002).
  5. Butala, R. R., Cooper, J. K., Mitra, A., Webster, M. K. & Atwood, D. A. Main Group Chem. 9, 315-335 (2010).
  6. Nichols, S. C. Aluminum by Design: Jewelry to Jets (Harry N. Abrams, 2000).

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