最終更新日：2025年12月1日

アルミニウム (Z=13)：貴金属から日常の素材へ

アルミニウムの発見の歴史

アルミニウムは地殻中で3番目に豊富な元素ですが、その抽出は長い間大きな課題でした。 1807年、ハンフリー・デイビー（1778–1829）はアルミナ（酸化アルミニウム）中に金属が存在することを特定し、aluminum という名前を提案しました。 1825年、ハンス・クリスチャン・エルステッド（1777–1851）は、カリウムアマルガムを用いて塩化アルミニウムを還元し、不純なアルミニウムを少量生産しました。 1827年、フリードリヒ・ヴェーラー（1800–1882）はこのプロセスを改良し、アルミニウムの粉末を得ました。 1854年、アンリ・サント＝クレール・ドビル（1818–1881）は、ナトリウムを還元剤として使用する最初の工業プロセスを開発しました。最後に、1886年、フランスのポール・エルー（1863–1914）とアメリカのチャールズ・マーティン・ホール（1863–1914）が同時に電解プロセスを発見し、アルミニウムの生産を革命的に変え、一般に利用可能にしました。

構造と基本的な性質

アルミニウム（記号Al、原子番号13）は、元素のグループ13（以前はIIIAグループ）に属する金属です。その原子は、13個の陽子、13個の電子、および通常14個の中性子を持つ唯一の安定同位体（\(\,^{27}\mathrm{Al}\)）を持ちます。
室温では、アルミニウムは固体で、銀白色の光沢を持ち、非常に軽量（密度≈2.70 g/cm³）、展性・延性に富み、優れた電気および熱伝導体です。アルミニウムの融点：933.47 K（660.32 °C）。沸点：2,792 K（2,519 °C）。アルミニウムは表面に酸化アルミニウム（Al₂O₃）の薄い層を自然に形成し、優れた耐食性を示します。

アルミニウムの同位体表

アルミニウムの同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
アルミニウム-27 — \(\,^{27}\mathrm{Al}\,\)	13	14	26.981539 u	100%	安定	アルミニウムの唯一の安定同位体；すべての応用の基礎。
アルミニウム-26 — \(\,^{26}\mathrm{Al}\)	13	13	25.986892 u	宇宙線由来	717,000年	β\(^+\)放射性および電子捕獲により \(\,^{26}\mathrm{Mg}\) に崩壊。恒星および宇宙線によって生成；隕石の年代測定に使用。
アルミニウム-28 — \(\,^{28}\mathrm{Al}\)	13	15	27.981910 u	非天然	2.245分	β\(^-\)放射性によりケイ素-28に崩壊。実験室で生成。
アルミニウム-29 — \(\,^{29}\mathrm{Al}\)	13	16	28.980445 u	非天然	6.56分	β\(^-\)放射性によりケイ素-29に崩壊。核研究に使用。
その他の同位体 — \(\,^{21}\mathrm{Al}\) から \(\,^{43}\mathrm{Al}\)	13	8 — 30	— (可変)	非天然	ミリ秒から秒	非常に不安定な人工同位体；核物理学の研究に使用。

アルミニウムの電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.

アルミニウムは13個の電子を持ち、これらは3つの電子殻に分布しています。アルミニウムの完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹、または簡略化すると[Ne] 3s² 3p¹です。この配置はK(2) L(8) M(3)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1s軌道に2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2): 2s² 2p⁶として8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3): 3s² 3p¹として3個の電子が分布しています。3s軌道は完全ですが、3p軌道には6個のうち1個の電子しか含まれていません。このため、この外殻は非常に不完全です。

価電子と酸化状態

外殻（3s² 3p¹）の3個の電子はアルミニウムの価電子です。この配置はアルミニウムの化学的性質を説明します：
3個の価電子を失うことで、アルミニウムはAl³⁺イオン（酸化状態+3）を形成し、これはアルミニウムのすべての化合物における唯一かつ系統的な酸化状態です。
Al³⁺イオンはネオン[Ne]と同じ電子配置を採用し、このイオンに大きな安定性を与えます。
他の金属とは異なり、アルミニウムは安定した中間酸化状態を示しません。化学では+3の状態のみが観察されます。

アルミニウムの電子配置は、価電子殻に3個の電子を含み、周期表の第13族（ホウ素族）に分類されます。この構造は、アルミニウムに特徴的な性質を与えます：すべての価電子を失うことによるAl³⁺イオンの形成傾向、イオン結合（非金属と）および金属結合（結晶構造）の形成能力、および一部の場合での共有結合化合物の形成能力。アルミニウムは酸素との親和性が高く、空気中で自然に酸化アルミニウム（Al₂O₃）の薄い層を形成し、腐食から保護します。この自然な不動態化は、アルミニウムの本質的な反応性にもかかわらず、優れた耐食性を説明します。その産業的重要性は大きく、アルミニウムは鉄に次いで最も広く使用される金属です。軽量（密度2.7 g/cm³）、優れた電気および熱伝導性、展性、および耐食性により、航空宇宙、包装、建設、電気産業で広く使用されています。アルミニウムは地殻中で3番目に豊富な元素です。

化学的反応性

アルミニウムは熱力学的に高い反応性を持ちますが、表面に瞬時に形成される酸化被膜により化学的に不活性に見えます。この不動態化は、陽極酸化によって人工的に強化することができます。アルミニウムは酸（水素を放出）および強塩基（アルミネートを形成）と反応します。高温では、多くの金属酸化物を高発熱反応（テルミット反応）で還元することができます。アルミニウムは主に+IIIの酸化状態で化合物を形成し、特に酸化アルミニウム（Al₂O₃）、塩化アルミニウム（AlCl₃）、硫酸アルミニウム（Al₂(SO₄)₃）が重要です。

アルミニウムの産業および技術的応用

航空宇宙産業で構造物（機体、翼、タンク）の軽量化に使用；
自動車産業で車両の軽量化とエネルギー効率の向上に使用；
食品包装（缶、トレイ、アルミホイル）の製造に使用；
建築物（窓、ファサード、金属骨組み）の建設に使用；
高圧送電線やケーブルの電気伝導体として使用；
耐食性のある調理器具の製造に使用；
反射力を活かした鏡や反射板の製造に使用；
抽出冶金（テルミット法）の還元剤として使用；
花火で火花や高熱の発生に使用；
ガラスやセラミックス（アルミナ）の製造に使用；
工業化学で触媒や触媒担体として使用；
飲料水処理（硫酸アルミニウムを凝集剤として使用）；
電子機器の放熱板や筐体に使用；
医療でワクチンのアジュバントや制酸剤に使用；
太陽光パネルや光起電構造に使用；
スポーツ用品（自転車、ゴルフクラブ、スキー杖）の製造に使用；
塗料や化粧品の顔料として使用；
リサイクルでは、アルミニウムは初期生産に必要なエネルギーのわずか5%で無限に再溶解可能。

経済的および環境的重要性

アルミニウムは世界で最も生産される非鉄金属で、年間生産量は6,500万トンを超えています。電解による一次生産は非常にエネルギー集約的で、アルミニウム1トンあたり約15,000 kWhを消費します。しかし、アルミニウムのリサイクルは優れたエネルギーバランスを持ち、リサイクルアルミニウムの再溶解には一次生産に必要なエネルギーのわずか5%しか必要ありません。現在、これまでに生産されたアルミニウムの約75%がリサイクルによりまだ使用されています。この無限のリサイクル可能性と品質低下のなさが、アルミニウムを循環経済とエコロジカル・トランジションの重要な素材にしています。

抽出と生産

アルミニウムは主にボーキサイトから抽出され、これは水和アルミナ（Al₂O₃）を豊富に含む鉱石です。バイヤー法により、ボーキサイトをアルミナ（Al₂O₃）に精製します。アルミナはホール・エルー法により、約960 °Cの溶融クリオライト中で電解され、金属アルミニウムに還元されます。主なボーキサイト生産国はオーストラリア、ギニア、ブラジル、中国です。アルミニウムの生産には多くの電力が必要なため、豊富で安価な水力発電を持つ国に集中しています。

天体物理学と宇宙化学における役割

アルミニウムは、大質量星の進化の後期段階で核融合により生成されます。放射性同位体アルミニウム-26（\(\,^{26}\mathrm{Al}\)）は半減期717,000年で、天体物理学的に特に重要です。その崩壊は特徴的なガンマ線を放出し、銀河系内の活発な星形成領域のマッピングに使用されます。原始隕石中のアルミニウム-26の存在は、太陽系が最近の超新星に富んだ環境で形成されたことを示しています。この同位体はまた、太陽系初期の天体の内部加熱に寄与し、地球化学的分化に役割を果たしました。

注記：
アルミニウムはかつて金よりも貴重でした。19世紀半ば、ホール・エルー法が発明される前、アルミニウムは金よりも高価で、贅沢品にのみ使用されました。ナポレオン3世は、最も名誉ある客のためにアルミニウム製の食器を所有しており、他の客は金製の食器を使用していました。 1884年に完成したワシントン記念塔の頂上には、2.8 kgのアルミニウム製のピラミッドが設置され、当時世界最大の鋳造アルミニウム製品として、近代性と技術進歩の象徴となりました。