アルミニウムは私たちの生活に欠かせない金属です。この記事では、アルミニウムの基本的な性質や製造プロセス、用途などについて、クイズを通して学んでいきます。アルミニウムは軽量で耐食性にも優れており、工業製品から生活用品まで幅広く使われています。このクイズを通して、アルミニウムの特性や重要性を理解していただければと思います。
Q1 : 高強度アルミニウム合金として知られる7075合金で主要に添加されている合金元素はどれか?
7075は航空宇宙用途などで用いられる高強度アルミニウム合金で主要な合金元素は亜鉛(Zn)であり,亜鉛の他にマグネシウムや銅を含むことで強度向上が図られている。Znを主成分とするため熱処理による時効硬化が可能であり高い引張強度を発現する反面疲労特性や耐食性の管理が必要である。用途に応じ最適な表面処理や合金選定が行われる。
Q2 : アルミニウムの密度として最も近い値はどれか?
純アルミニウムの密度は約2.70グラム毎立方センチメートルである。この値は鋼の約3分の1程度であり,軽さを活かして航空機や輸送機器,自動車構造部材に利用されている。密度が小さいことは比強度(単位重量当たりの強度)を高める利点があり合金設計や熱処理により機械的特性を最適化して用途に合わせることが多い。
Q3 : アルミニウムの表面を保護している薄い酸化皮膜の化学式は次のどれか?
アルミニウムは空気中で非常に薄い酸化物層を即座に形成し,その主要成分は酸化アルミニウムAl2O3である。この薄膜は数ナノメートル程度の厚さで不動態層として基材の腐食を防ぐ。酸化膜は酸や塩基に対しては反応性を示すが中性条件下では保護効果が高い。Al(OH)3は水中や特定条件で生成する水酸化物であり,NaAlO2はアルカリ中に存在するアルミネートイオンの代表式である。
Q4 : アルミニウムを電線などの電気伝導用途に用いる際の特徴で正しいものはどれか?
アルミニウムは銅に比べて同じ断面積では導電率が低いが密度が小さいため軽量化が重要な用途では有利である。例えば送電線や航空機の配線で採用されることがあり設計時には断面積の増加や接続部の管理で銅との違いを吸収する。アルミニウムは常温で超伝導性や強い磁性を示さない点も重要である。
Q5 : アルミニウムがリサイクルされやすくリサイクル率が高い理由として最も適切なのはどれか?
アルミニウムはリサイクルしても金属としての基本特性が保たれやすく経済的にも有利であるためリサイクル率が高い。スクラップを溶解して再鋳造するときに消費されるエネルギーは新生産に比べて大幅に少なく一般に約5パーセント程度のエネルギーで済むとされるためコスト面でも有利であり缶や建材などからの回収が進んでいる。
Q6 : ハロート-ヘロウ法(Hall-Héroult法)で酸化アルミニウムを電解還元する際に主に溶媒として用いられる物質はどれか?
Hall-Héroult法では酸化アルミニウム(Al2O3)を溶解して電解還元するために溶融塩であるクリオライトNa3AlF6が用いられる。クリオライトはアルミナの溶解度を高め溶融温度を下げる働きを持ち電解セル内で電流を流してAl3+を還元し金属アルミニウムを得る。プロセスは高温で大量の電力を必要とするため電力コストが生産性に直結する。
Q7 : アルミニウムの原子番号は次のうちどれか?
アルミニウムの元素記号はAlであり原子番号は13である。周期表ではホウ素族(第13族)に属し電子配置は [Ne] 3s2 3p1 となる。原子番号13というのは原子核に陽子が13個存在することを意味しこの性質が化学的挙動や周期的性質を決める基礎である。アルミニウムは軽金属であり多くの合金や工業用途に用いられているため基礎的な原子番号の知識は重要である。
Q8 : ボーキサイトから酸化アルミニウム(アルミナ)を取り出す工業プロセスの名称はどれか?
ボーキサイトからアルミナを得る代表的な工程はベイヤー法である。ベイヤー法ではボーキサイトを水酸化ナトリウムで可溶化し含有する鉄分などを分離した後,水酸化アルミニウムを沈殿させそれを焼成して酸化アルミニウム(Al2O3)を得る。一方ハロート法は得られたアルミナを溶融クリオライト中で電解還元して金属アルミニウムを得る工程であり両者は製錬連鎖の異なる段階を担う。
Q9 : 飲料用アルミ缶の内面に施されるコーティングの主目的はどれか?
アルミ缶の内面コーティングは主に内容物とアルミニウムの直接接触を防止するために施される。酸や炭酸などの飲料がアルミニウムと反応して腐食や金属味を発生させるのを防ぎ味や安全性を保持する目的でエポキシ系や他のポリマー系コーティングが用いられる。近年は健康懸念からBPAフリーの代替コーティングも採用されている。表面処理はリサイクル性や製缶工程への影響も考慮され設計される。
Q10 : 世界の一次アルミニウム(生産金属量)で最も多く生産している国は次のうちどれか?
一次アルミニウムの生産量で現在最大の生産国は中国である。中国は電解精錬能力と電力資源を背景に大量生産を行っており世界の供給に大きく寄与する。一方オーストラリアはボーキサイトやアルミナの主要生産国であるが精錬と電解精錬の立地は国ごとに異なる。アルミニウム産業は原料供給や電力事情を反映して国別生産量が変動する特徴がある。
まとめ
いかがでしたか? 今回はアルミニウムクイズをお送りしました。
皆さんは何問正解できましたか?
今回はアルミニウムクイズを出題しました。
ぜひ、ほかのクイズにも挑戦してみてください!
次回のクイズもお楽しみに。