【プロ講師解説】このページでは『両性元素とは（ゴロ・覚え方・反応式など）で両性元素の代表格として登場したアルミニウムの工業的製法「ボーキサイトの精錬・融解塩電解」（仕組みから氷晶石を入れる理由まで）』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

工業的製法の流れ・仕組み

アルミニウムの工業的製法は主に「ボーキサイト（Al2O3）の精錬」と「融解塩電解（溶融塩電解）」の２段階に分けることができる。
ここでは、これらの段階をより細かくした以下の4STEPで、工業的製法の流れ・仕組みを一から確認していこう。

STEP1 ボーキサイトを水酸化ナトリウムNaOH水溶液に溶かす
→ [Al(OH)4]–が生成
STEP2 STEP1で作った溶液のろ液を大量の水で希釈
→ Al(OH)3の沈殿が生成
STEP3 Al(OH)3を強熱する
→ Al2O3（アルミナ）が生成
STEP4 融解した氷晶石にアルミナを溶かし、融解塩電解する
→ 純粋なアルミニウムAlが生成
Point!

STEP1

ボーキサイト（主成分：Al2O3・H2O）を水酸化ナトリウムNaOH水溶液に溶かして[Al(OH)4]–にする

まずは、アルミニウムの原料となる”不純物”を含んだ酸化アルミニウムであるボーキサイトをNaOH水溶液に溶かして[Al(OH)4]–にする。

\[
Al_{2}O_{3}+2NaOH+3H_{2}O →2Na[Al(OH)_{4}] \]

STEP2

STEP1で作った溶液のろ液を大量の水で薄め、Al(OH)3の沈殿を作る

STEP1の溶液を大量の水で薄めてpHを下げる。
pHを下げるとルシャトリエの原理により、以下の平衡が右に移動してAl(OH)3の白色沈殿ができる。

\[
[Al(OH)_{4}]^{-}⇄Al(OH)_{3}↓+OH^{-}
\]

STEP3

Al(OH)3を強熱し、純度の高いAl2O3（アルミナ）を得る

次に、Al(OH)3を強熱し、純度の高いAl2O3（アルミナ）を得る。

\[
2Al(OH)_{3}→Al_{2}O_{3}+3H_{2}O
\]

STEP4

融解した氷晶石（Na3AlF6）にSTEP3で得たアルミナを溶かし、融解塩電解（溶融塩電解）して純粋なアルミニウムを得る

最後に、融解した氷晶石（Na3AlF6）にSTEP3で得たアルミナを溶かし、融解塩電解（溶融塩電解）して純粋なアルミニウムを得る。

氷晶石というのは”融点降下剤”の一種。
Al2O3の融点は極めて高い（約2000℃）が、氷晶石を使うことで半分の1000℃近くまで下げることができる。

※融解塩電解（溶融塩電解）の仕組みについて詳しくは下で解説

融解塩電解の仕組み

STEP1 融解した氷晶石にアルミナAl2O3を加え、電極を炭素Cとし電気分解を行う
STEP2 STEP1で発生したO2-が陽極で電子を離しCOやCO2になる
STEP3 STEP1で発生したAl3+が陰極で電子を受け取り、純粋なアルミニウムとなる
Point!

融解塩電解は上の3STEPで考えることができる。

STEP1

融解した氷晶石にアルミナAl2O3を加え、電極を炭素Cとし電気分解を行う

まずは、融解した氷晶石にアルミナAl2O3を加え、電極を炭素とし電気分解を行う。

ちなみに、融解塩電解の反応式は次の通り。

\[
Al_{2}O_{3} → 2Al^{3+} + 3O^{2-}
\]

ここで発生したAl3+とO2-はそれぞれSTEP2・３で使われる。

STEP2

STEP1で発生したO2-が陽極で電子を離しCOやCO2になる

次に、STEP1で発生したO2-が陽極でCOやCO2になる。

このときの反応式は次の通り。

\[
C + O^{2-} → CO + 2e^{-}\\
C + 2O^{2-} → CO_{2} + 4e^{-}
\]

STEP3

STEP1で発生したAl3+が陰極で電子を受け取り、純粋なアルミニウムとなる

最後に、STEP1で発生したAl3+が陰極で電子を受け取り純粋なAlとなる。

このときの反応式は以下の通り。

\[
Al^{3+} + 3e^{-} → Al
\]

融解塩電解の反応式

融解塩電解の陰極・陽極の反応式と電解全体の反応式をそれぞれまとめておこう。

陰極の反応式

\[
Al^{3+} + 3e^{-} → Al
\]

陽極の反応式

\[
C + O^{2-} → CO + 2e^{-}\\
C + 2O^{2-} → CO_{2} + 4e^{-}
\]

全体の反応式

\[
2Al_{2}O_{3} + 3C → 4Al + 3CO_{2}
\]

なぜAl3+水溶液の電気分解ではダメなのか

「融解塩電解なんて面倒なことせずに、普通にAl3+の入った水溶液を電気分解すればいいんじゃないの？」

このような疑問をもつ人が多いが、これはイオン化傾向の知識を元に説明することができる。

イオン化傾向…Al > H2
Point!

Al3+とH+のイオン化傾向を比べると、Al3+の方が高い。
したがって、H2Oから電離したH+が存在する”水溶液”の場合、負極からきたe–を受け取って（イオンから）単体になるのはH+の方になり、結果的に目的であるAlの単体を得ることが難しくなってしまう。

これが、アルミニウムの製法としてAl3+を含む水溶液の電気分解ではなく、融解塩電解が使われる理由である。

融解塩電解に関する演習問題

問１

【】に当てはまる用語を答えよ。

純粋なアルミニウムは、ボーキサイトを精錬して【１】とし、それを融解した【２】に溶かし、【３】をすることで得ることができる。

【問１】解答/解説：タップで表示
解答：【１】アルミナ（純度の高いAl2O3）【２】氷晶石（Na3AlF6）【３】融解塩電解（溶融塩電解）
STEP1 ボーキサイトを水酸化ナトリウムNaOH水溶液に溶かす
→ [Al(OH)4]–が生成
STEP2 STEP1で作った溶液のろ液を大量の水で希釈
→ Al(OH)3の沈殿が生成
STEP3 Al(OH)3を強熱する
→ Al2O3（アルミナ）が生成
STEP4 融解した氷晶石にアルミナを溶かし、融解塩電解する
→ 純粋なアルミニウムAlが生成
Point!
問２

【】に当てはまる用語を答えよ。

氷晶石は【１】点降下剤の一種であり、アルミナの【１】点（約2000℃）を半分の1000℃近くまで下げる目的で用いられる。

【問２】解答/解説：タップで表示
解答：【１】融

氷晶石は”融点降下剤”の一種。
Al2O3の融点は極めて高い（約2000℃）が、氷晶石を使うことで半分の1000℃近くまで下げることができる。

問３

融解塩電解（溶融塩電解）の陰極、陽極、全体の反応式をそれぞれ書け。
【問３】解答/解説：タップで表示
解答：以下参照

陰極の反応式

\[
Al^{3+} + 3e^{-} → Al
\]

陽極の反応式

\[
C + O^{2-} → CO + 2e^{-}\\
C + 2O^{2-} → CO_{2} + 4e^{-}
\]

全体の反応式

\[
2Al_{2}O_{3} + 3C → 4Al + 3CO_{2}
\]

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著者プロフィール

・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター

数百名の個別指導経験あり（過去生徒合格実績：東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など）
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆

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