今日は、身の回りの化学(用途・材料) アルミニウム編についてです。
センター試験は特に時間が勝負なので、あるキーワードに対して
いくつかの関連用語が条件反射的にイメージできるようになることが重要です。
そこで、用途や材料に関するテーマで
入試問題をデータベースソフトで徹底的に調べ上げ、「用途・材料のキーワード」に対する条件反射的に思い浮かべてほしい「物質」をまとめました。
アルミニウムは周期表の13族に属し、３個の最外殻電子をもち、３価の陽イオンになりやすいという特性があります。
典型元素で金属元素に分類されますが、周期表上で非金属元素と金属元素の境界線付近に位置し、非金属元素の性質も少し持つため両性元素とよばれています。
単体を空気中に放置すると金属表面に緻密な酸化被膜が生じ、それ以上は酸化されなくなります。この状態を不動態といいます。
この不動態をアルミニウム製品に人工的につけたものがアルマイトであり、身の回りの多くのアルミニウム製品にはアルマイト処理が施されています。
家庭用品(鍋やアルミ箔など)、一円玉、アルミ缶、建築材料(窓枠)……アルミニウムAl
航空機、鉄道車両の材料……ジュラルミン(単体のアルミニウムに少量の銅とマグネシウムとマンガンなどを混合してつくった合金)
ボーキサイト(鉱石)、ルビーやサファイアの主成分……酸化アルミニウムAl2O3
※酸化アルミニウムは、水に難溶な塩でアルミナともよばれます。
溶接……アルミニウムの粉末と酸化鉄(Ⅲ)との混合物は(テルミット反応)
上下水道の清澄剤(浄化剤)、染色の媒染剤、紙のにじみ止め……ミョウバン(硫酸アルミニウムと硫酸カリウムを等量ずつ加えた水溶液から得られる水和物の結晶)、硫酸アルミニウム
☆アルミニウムに関する重要な用語を求めました。どれも重要なので
確実に覚えましょう！
ボーキサイト …… アルミニウムの原料鉱石(主成分Al2O3・nH2O)
アルマイト …… アルミニウムの表面に人工的に緻密な酸化被膜をつけたもの
アルミナ …… 酸化アルミニウムAl2O3の別称
ジュラルミン …… アルミニウムを主原料とする合金
テルミット …… アルミニウム粉末と酸化鉄(Ⅲ)の混合物
以下は、用途・材料に関して出題された問題です。
■ 2012 東京慈恵会医科大学 医
アルミニウムは、家庭用品、建築材料、ジュラルミンとして航空機の材料などに幅広く使われている。単体のアルミニウムは、主成分が酸化アルミニウムである鉱石のボーキサイトを濃い水酸化ナトリウム水溶液で処理して、これから純粋な酸化アルミニウムをつくる。アルミナともよばれる酸化アルミニウムは、融点が2054℃と高いので、融点が1000℃の氷晶石(Na3AlF6)に溶かして電気分解する。この製造法のように、金属元素の水酸化物、塩化物、酸化物などを液体にして電気分解する方法を ア 電解という。単体のアルミニウムは、密度の小さな軽い金属で、銀白色をしている。単体のアルミニウムを空気中に放置すると、表面にち密な被膜ができる。このような状態を イ という。アルミニウム製品の表面を人工的に酸化させて、酸化アルミニウムの被膜をつくったものをアルマイトという。アルミニウムの粉末と酸化鉄(Ⅲ)との混合物はテルミットとよばれる。このテルミットに点火すると、アルミニウムは還元剤として働いて反応し、このとき多量の熱を出す。この反応はテルミット反応とよばれ、溶接に利用されている。アルミニウムの単体は、酸の水溶液にも、強塩基の水溶液にも溶ける。酸化アルミニウムは、水には溶けないが、酸の水溶液にも強塩基の水溶液にも溶ける。硫酸アルミニウムと硫酸カリウムの混合水溶液を濃縮すると、ミョウバンとよばれる無色の結晶が得られる。ミョウバンの水溶液には、硫酸アルミニウムと硫酸カリウムの混合水溶液と同じ種類のイオンが含まれている。このような塩を複塩という。また、ミョウバンの水溶液は、酸性を示す。
問 文中の空欄 ア と イ に適切な語句を記せ。
答え…
ア 融解塩
イ 不動態
■2010 立命館大学 情報理工 生命科 薬 理工 スポーツ健康科
単体のアルミニウムは密度が小さく、加工も容易で熱や電気をよく通し、アルミニウム製品にはさびにくい性質がある。これらの性質をよりいかすため、単体のアルミニウムに少量の銅とマグネシウムとマンガンなどを混合してつくった合金は A といわれ、密度は鉄の 程度と小さいが、強度は大きい。そのため、この合金は、航空機や鉄道車両の材料に使われている。
文章中の A について、最も適当な語句を下の選択肢の中から選び、その番号を解答用紙にマークせよ。
① 酸化鉛(Ⅳ)② ジュラルミン
③ 真ちゅう④ ステンレス鋼
⑤ セラミック⑥ テルミット反応
⑦ 鉛⑧ 氷晶石
⑨ ボーキサイト⑩ 酸化鉄(Ⅲ)
⑪ 硫酸鉛(Ⅱ)⑫ 硫化銅(Ⅱ)
答え…
A ②
■2010 大分大学 医
アルミニウムは、空気中では、表面に酸化アルミニウムの被膜を生じ、その膜はち密でじょうぶなので、酸化が内部まで進行しにくい。電気分解を利用して、人工的に酸化アルミニウムの被膜をつくったアルミニウム製品が( カ )であり、身の回りの多くのアルミニウム製品には( カ )処理が施されている。酸化アルミニウムの結晶は、きわめて硬く、水に溶けにくいが、塩酸とも水酸化ナトリウム水溶液とも反応して溶ける。
硫酸アルミニウムと硫酸カリウムの混合水溶液を濃縮すると、無色で正八面体の結晶のミョウバンが得られる。このように、2種類以上の塩から生じた塩で、元の成分イオンがそのまま存在するものを( キ )という。ミョウバンや硫酸アルミニウムは、上下水道の( ク )剤、染色の媒染剤、紙のにじみ止めなどに利用されている。
問 文中の( カ )～( ク )にあてはまる語を記しなさい。
答え…
カ アルマイト
キ 複塩
ク 清澄剤
■ 2009 信州大学 工
地殻を構成する成分として多い元素には酸素、ケイ素、アルミニウムなどがあり、これらの元素を含む物質はいずれも人間の生活を支える上で重要な役割を担っている。
アルミニウムは、( ア )族の元素で価電子を( イ )個もつ。アルミニウムには天然に( ウ )は存在しないが、ケイ素には28Si(存在比：92.2％)、29Si(存在比：4.7％)、30Si(存在比：3.1％)の3種類の( ウ )が存在する。工業的にアルミニウムの単体を得るには、まず、鉱石である( エ )から酸化アルミニウムをつくったのち、これを加熱融解した( オ )に溶かし、炭素を電極に用いて( カ )を行う。( キ )極では酸化アルミニウムの電離で生じたアルミニウムイオンが( ク )されて、アルミニウムを生じる。空気中ではアルミニウムは表面に( ケ )の被膜を生じ、( コ )が内部まで進行しにくくなる。人工的にこの被膜をつけたアルミニウム製品を( サ )という。アルミニウムは( シ )元素であるので、塩酸とも水酸化ナトリウム水溶液とも反応して溶解する。アルミニウムは建築材料や日用品に利用され、また、銅、マグネシウム、マンガンなどを含むアルミニウムの( ス )は( セ )とよばれ航空機材料に用いられる。
酸化アルミニウム結晶で微量の遷移金属イオンを含むものの中には紅色の宝石として珍重される( ソ )がある。硫酸アルミニウムと硫酸カリウムの混合水溶液を濃縮すると、正八面体の結晶が得られる。これは、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物であり、( タ )ともよばれ、上下水の清澄剤や染色の媒染剤などに利用される。
問 ア～タにあてはまる最も適切な語句または数字を記せ。
答え…
ア 13
イ ３
ウ 単体
エ ボーキサイト
オ 氷晶石
カ 電気分解
キ 陰
ク 還元
ケ 酸化
コ さび
サ サルマイト
シ 両性元素
ス 合金
セ ジュラルミン
ソ ルビー
タ ミョウバン
■ 2010 三重大学 医 工 生物資源
アルミニウムは、展性や延性に富み、電気伝導性も優れている。アルミニウムと銅、マンガン、マグネシウムとの合金である ア は、軽量で強度が高く、航空機の材料として利用されている。
問 ア にあてはまる最も適切な語句または数字を記せ。
答え……
ア ジュラルミン
■ 2012 広島大学 総合科 教育 理 医 歯 薬 工 生物生産
第3周期の元素E1に関する次の文章を読み、答えを解答欄に記入せよ。
周期表の ア 族元素であるE1は、価電子数が イ の金属元素であり、主に ウ と呼ばれる天然に産出する鉱石から得られる。E1の単体は、銀白色の軽金属で日用品や建築材料などに利用されている。また、(a)E1を主成分とする合金は航空機の機体に用いられる。E1の単体は、酸の水溶液とも強塩基の水溶液とも反応して水素を発生する。
問1 E1をそれぞれ元素記号で答えよ。
問2 文章中の ア ～ ウ にあてはまる最も適切な語句または数字を記せ。
問3 下線部(a)の合金として適切なものを以下の①～⑤のうちから一つ選び、番号で答えよ。
① 青銅
② しんちゅう
③ はんだ
④ ジュラルミン
⑤ ニクロム
答え……
問1
E1…Al
問2
ア 13
イ 3
ウ ボーキサイト
問3 ④
■2010 早稲田大学 教育
～略～
軽くて、やわらかく、加工しやすいアルミニウムもよく使われる。アルミニウムの原料である ウ と水酸化ナトリウムの水溶液を混ぜると水酸化アルミニウムを経て、 エ が得られる。 エ を加熱して溶かしたのち電気分解を行うと、アルミニウムイオンが オ を受け取って純粋なアルミニウムが得られる。銅の製造にも カ とよばれる電気分解が使われる。2種類以上の金属どうしを混ぜ溶融して作る合金は、もとの金属には見られない優れた性質をもつことが多い。たとえば、ステンレス鋼は鋼に キ やニッケルなどを加えて作る。これは鉄に比べてさびにくく、薬品に強い。飛行機の機体に使われるジュラルミンは主成分の ク と銅、マグネシウム、マンガンなどとの合金である。 ケ は加工された時の形を憶えていて、変形したあとでも条件を変えるともとの形に戻るという特性をもつ。金属の欠点のひとつはさびやすいことである。さびを防ぐため、いろいろな工夫がなされている。たとえば、c「鋼板の表面を亜鉛の薄い膜でおおうと、傷がついても鉄が溶けだすのを防ぐことができる。」また、アルミニウム製品にはd「薄い被膜」を人工的につけて内部を保護しているものが多い。金属元素には人体に有害なものがある。たとえば、原子番号48の コ は絵の具や電池などに用いられている。これらの金属はリサイクル等の工夫により環境に出さないように注意する必要がある。
問1 ア ～ コ の空欄に適当な語句を書け。
問2 下線cのような現象が起きる理由を30字以内(句読点を含む)で書け。
問3 下線dの化合物の化学式を書け。
答え…
問1
ア 銑鉄
イ 炭素
ウ ボーキサイト
エ 酸化アルミニウム [アルミナ]
オ 電子
カ 電解精錬
キ クロム
ク アルミニウム
ケ 形状記憶合金
コ カドミウム
問2 亜鉛は鉄よりもイオン化傾向が大きく、先に酸化されるため。
問3 Al2O3
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結晶格子に関する問題のチャート⑤(11枚の中の1枚)
溶液の濃度に関する問題のチャート①(4枚の中の1枚)
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【「くらべてつなげてまとめる無機化学」 第二部】
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