無機化学 / 典型金属元素
アルミニウムとその化合物
要点整理
アルミニウムは両性金属
化学基礎では、金属の単体が酸と反応して水素を発生する反応(イオン化傾向)を学びました。アルミニウムはこれに加えて、強塩基の水溶液にも溶けて水素を発生するという珍しい性質を持ちます。このように酸・強塩基のどちらとも反応する金属を両性金属と呼びます。
$\ce{2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2 ^}$
$\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}$
2つ目の式で生じる $\mathrm{Na[Al(OH)_4]}$ は、テトラヒドロキシドアルミン酸ナトリウムと呼ばれる錯塩です。どちらの反応でも、アルミニウムの酸化数は $0 \to +3$ に酸化され、水素イオンまたは水分子の水素の酸化数は $+1 \to 0$ に還元されており、酸化還元反応であることに変わりはありません。「酸と反応するか、強塩基と反応するか」という違いは、相手が酸か塩基かの違いであり、酸化還元の仕組み自体は共通しています。
酸化アルミニウムと水酸化アルミニウムの両性
アルミニウムの化合物である酸化アルミニウム(アルミナ) $\mathrm{Al_2O_3}$ と水酸化アルミニウム $\mathrm{Al(OH)_3}$ も、金属単体のアルミニウムと同じく両性を示します。
$\ce{Al2O3 + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2O}$
$\ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2Na[Al(OH)4]}$
$\ce{Al(OH)3 + 3HCl -> AlCl3 + 3H2O}$
$\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}$
酸化アルミニウムは融点が非常に高く化学的に安定であるため、ルビーやサファイアの主成分としても知られ、研磨剤や耐火材料にも利用されています。
テルミット反応
アルミニウムの粉末と酸化鉄(III)の粉末を混ぜて点火すると、激しく発熱しながら反応が進み、アルミニウムが酸化されて酸化アルミニウムになり、同時に鉄の単体が得られます。
$\ce{2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}$
この反応が起こるのは、アルミニウムが鉄よりも酸素と強く結びつく(酸化されやすい)性質を持つためです。アルミニウムの酸化数は $0 \to +3$(酸化)、鉄の酸化数は $+3 \to 0$(還元)へと変化しており、アルミニウムが還元剤として、酸化鉄(III)中の鉄イオンから酸素を奪い取っています。反応で生じる熱量が非常に大きく、鉄を溶融させるほどの高温になるため、レールの溶接などに実際に利用されています。
アルミニウムの不動態
アルミニウムは実際には反応性が高い金属ですが、空気中に置いておくと表面にごく薄い酸化被膜が自然にでき、この被膜が内部を保護するため、見かけ上は安定に存在できます。この性質を人工的に強化し、電気分解によって表面に厚い酸化被膜を作る処理をアルマイト加工といい、腐食に強いアルミニウム製品(鍋やサッシなど)に利用されています。窒素・リンの単元で学んだ、鉄が濃硝酸に対して示す不動態と同じ仕組みが、アルミニウムでは常温の空気中でも自然に起こっていると理解できます。
ミョウバン
ミョウバンは、硫酸カリウムと硫酸アルミニウムが組み合わさってできた結晶で、正式には硫酸カリウムアルミニウム十二水和物 $\mathrm{AlK(SO_4)_2 \cdot 12H_2O}$ と表されます。このように2種類以上の塩が組み合わさってできる結晶を複塩と呼び、水に溶かすと次のようにもとのイオンにすべて電離します。
$\ce{AlK(SO4)2 -> Al^3+ + K+ + 2SO4^2-}$
複塩は、金属イオンが錯イオンとして閉じ込められている錯塩とは異なり、水溶液中では構成イオンが独立して存在する点に注意しましょう。ミョウバンは古くから水の浄化(不純物を凝集させて沈殿させる)や、なすなどの漬物の色止め、皮なめしなどに利用されてきました。
例題
例題1(基本)
問題
アルミニウムに水酸化ナトリウム水溶液を加えると、気体を発生しながら溶解した。(1) この反応の化学反応式を書け。(2) アルミニウムの酸化数の変化を答えよ。
解答・解説を見る
(1)
$\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2}$
(2)
アルミニウムの酸化数は $0$ から $+3$ へと増加しており、酸化されている。
答え:(1) 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2 (2) 0→+3に酸化される。
例題2(標準)
問題
アルミニウムが「両性金属」と呼ばれる理由を、塩酸および水酸化ナトリウム水溶液それぞれとの反応式を示しながら説明せよ。
解答・解説を見る
アルミニウムは、酸である塩酸とも、強塩基である水酸化ナトリウム水溶液とも反応して、どちらの場合も水素を発生しながら溶解する。
$\ce{2Al + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2}$
$\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2}$
一般に金属の単体は、酸とは反応しても強塩基とは反応しないものがほとんどだが、アルミニウムはそのどちらとも反応するという珍しい性質を持つため、両性金属と呼ばれる。
答え:アルミニウムは酸(塩酸)にも強塩基(NaOH水溶液)にも溶けて水素を発生するため、両性金属と呼ばれる。反応式は上記の通り。
例題3(応用)
問題
テルミット反応($\ce{2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}$)が進行する理由を、アルミニウムと鉄のどちらが酸素と結びつきやすいかという観点から、酸化数の変化とあわせて説明せよ。
解答・解説を見る
この反応ではアルミニウムの酸化数が $0 \to +3$ に増加(酸化)し、鉄の酸化数が $+3 \to 0$ に減少(還元)している。これは、アルミニウムが鉄よりも酸素と強く結びつく性質を持つため、酸化鉄(III)中の鉄から酸素を奪い取り、自らが酸化されて酸化アルミニウムになる一方、鉄が還元されて単体として遊離するために起こる。アルミニウムが還元剤としてはたらいている。
答え:アルミニウムは鉄より酸素との結合力が強いため、Fe2O3から酸素を奪って自身が酸化され(0→+3)、鉄を還元して(+3→0)単体として遊離させる。
練習問題
問題
次の(1)〜(3)に答えよ。
(1) 水酸化アルミニウムが塩酸と水酸化ナトリウム水溶液のどちらにも溶ける反応式をそれぞれ書け。
(2) ミョウバンのように、水に溶かすと元の複数のイオンにすべて電離する塩を何と呼ぶか。
(3) アルミナ(酸化アルミニウム)が研磨剤や耐火材料に利用される理由を、その性質から述べよ。
答え
(1) $\ce{Al(OH)3 + 3HCl -> AlCl3 + 3H2O}$、$\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}$
(2) 複塩
(3) 酸化アルミニウムは融点が非常に高く、化学的に安定で硬いため。