HOME 教育状況公表 令和4年6月25日

05. 1000℃ 4Vが作る新幹線―非鉄金属―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  伊藤智博


風立ちぬアルミニウム となりのととろ亜鉛 *
  1 風立ちぬ
©2005-2022 STUDIO GHIBLI Inc.
軽金属 ガラス 繊維
  2 213 材料の変遷
© K.Tachibana

「北陸新幹線も開業だね」
「大宮の 鉄道博物館 行ったことある?あそこの展示さちゃんと鉄のエリアからアルミニウムのエリアに流れが作られているんだよ」
「なるほど鋼鉄の蒸気機関車と新幹線のアルミニウムボディと対照的だよね」
電気化学でやった電解精錬覚えているかな?

理論電気量2980 Ah/g です。


金属の時代

  1 金属の時代
時代 説明
もののけ姫 ©2005-2022 STUDIO GHIBLI Inc.*
明治・大正 鉄鋼 :鉄、船、蒸気機関車
宇宙戦艦ヤマト マジンガーZ
昭和 非鉄金属 :アルミニウム、亜鉛 * 、航空機、新幹線
風立ちぬ ©2005-2022STUDIO GHIBLI Inc.

金属材料の産業上の分類

  2 金属材料の産業上の分類
重金属
非鉄金属 非鉄金属
(狭義)
亜鉛
スズ
貴金属 🜚
🜛
白金族
軽金属 🜀 アルミニウム
マグネシウム
チタン
希少金属 リチウム
ウラン

  3 工業電解プロセス
プロセス アルミ
ニウム
溶融塩電解
食塩
電解

電解精錬
亜鉛 電界採取
理論電気量 /kAh/t 2980 670 844 820
理論分解電圧 /V 4.17 2.2 0.1×10-3 2.0
アノード 電流密度/A/m2
単槽 電圧/V
電気量原単位 /kAh/t 3350 910
電解電力 電力原単位 ) /kWh/t 13400 2200 284 3000
山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 , 工業電解プロセス p.125 , (2012). genden

  4 導電率 の大きな 金属 材料
金属 元素
🜛 Ag [5s1]
🜠 Cu[4s1]
🜚 Au [6s1]
🜀 アルミニウム Al[3p1]
亜鉛 Zn [4s2]
真鍮 (黄銅) Cu,Zn
電線ばかりでなく、電池の集電体にも使われます。
05, 08.無機工業化学 09.エネ特 0517 20170210 20161124
https://www.hata-cu.com/blog/post-309/

伝導性のある金属


ホールエルー法

ボーキサイト
↓バイヤー法
水酸化アルミニウム
↓焙焼
アルミナ
電解槽での 溶融塩電解
アルミニウム
  3 ホールエルー法
©K.Tachibana
05.無機工業化学 2 ) 3 )

氷晶石による凝固点降下

  4 凝固点降下
©2017 K.Tachibana

溶液の凝固点は、溶媒の凝固点よりも低くなります。 この現象を、凝固点降下と言います。 製鉄では、融点1500℃の鉄に炭素を混ぜて融点を下げます。 ホールエルー法 では、融点2050℃のアルミナに氷晶石を混ぜて融点を下げます * 。 1mol/kgの溶液の凝固点降下度をモル凝固点降下と呼びます。


アルミニウムの誕生

吾輩の主人は滅多めったに吾輩と顔を合せる事がない。 職業は教師だそうだ。 学校から帰ると終日書斎に這入ったぎりほとんど出て来る事がない。 家のものは大変な勉強家だと思っている。 当人も勉強家であるかのごとく見せている。 しかし実際はうちのものがいうような勤勉家ではない。 吾輩は時々忍び足に彼の書斎を覗のぞいて見るが、彼はよく昼寝ひるねをしている事がある。 時々読みかけてある本の上に涎よだれをたらしている。 彼は胃弱で皮膚の色が淡黄色を帯びて弾力のない不活溌な徴候をあらわしている。 その癖に大飯を食う。 大飯を食った後あとでタカジヤスターゼを飲む。 飲んだ後で書物をひろげる。 二三ページ読むと眠くなる。 涎を本の上へ垂らす。 これが彼の毎夜繰り返す日課である。 吾輩は猫ながら時々考える事がある。 教師というものは実に楽なものだ。 人間と生れたら教師となるに限る。 こんなに寝ていて勤まるものなら猫にでも出来ぬ事はないと。 それでも主人に云わせると教師ほどつらいものはないそうで彼は友達が来る度たびに何とかかんとか不平を鳴らしている。

夏目漱石、 吾輩は猫であるより

2つの消化酵素「リパーゼAP12」と「タカヂアスターゼN1」が消化を助けます。

第一三共胃腸薬〔細粒〕 より

タカジヤスターゼでもタカヂアスターゼでも、頭にタカがついている。 このタカは何を表しているか。 サムライ化学者 高峰譲吉その人のタカの字である。 最初医者を志したがが、のちに 「医学が救うのは一人ひとりの患者ですが、化学は万人を救います」といって化学者に転身。 晩年は電気の重要性に気づき、北陸地方にアルミ産業を興す事を提唱。黒部川の電源開発に着手。

現在、『タカヂアスターゼ*』という商品名の市販薬はありませんが、タカジアスターゼは、高峰博士の考案した原理に基づいて現在でも製造され、消化剤として知られている市販薬の原料として利用されています。 (*『タカヂアスターゼ』は商標。以下、タカジアスターゼと表記します。) 発売以来100年を経てもなお第一線で使用されている医薬品は、この「タカジアスターゼ」と、同じく高峰博士が初めて抽出・結晶化に成功した「アドレナリン」、そして鎮痛剤として知られる「アスピリン(独・バイエル社)」しかありません。 この三つのうち二つが高峰博士の発明(発見)であるということを見ても、いかに博士の功績が大きなものであるかが分ります。

高峰譲吉博士研究会 より


黒四

  5 黒部第4発電所
© 2009 K.Tachibana

2009-7 くろよん

アルミニウム溶融電解セル

  6 アルミニウム溶融電解セル( モノポーラ
© 2009 K.Tachibana

この「アルミニウム電解槽」は、昭和電工(株)大町工場に設置され、 昭和9年(1934年)1月11日、国産初の「アルミニウム」を生産したわが国最初の「電解槽」を、 当時のままに実物大に再生したものです。 大町市は、この「電解槽」から生産された国産アルミニウムにより、「アルミニウム発祥の地」の栄誉を、永遠に記録されることとなりました。

日本軽金属は2014/3/14日、アルミニウム製錬事業から撤退すると発表した。


溶融塩電解によるアルミニウムの製造

  5 溶融塩電解によるアルミニウムの製造 ( 電解採取 )
電池式 C| Al2O3 + Na3[AlF6] | Al(溶融)| C
アノード 陽極
炭素 電極
3C+6O2-→3CO2+12e-
カソード 陰極
炭素 電極
* * 4Al3++12e-→4Al   Eº = -1.676V
理論分解電圧 /V 4.17
電気量原単位 /kAh/t 3350
電解電力 ( 電力原単位 ) /kWh/t 13969.5
✏ 平常演習 Web Class

高峰譲吉の鉄を使った製品


狭義の非鉄金属(銅・鉛・亜鉛・スズ)

銅は人類が初めて使った金属であるといわれています。西暦紀元前7,000年~8,000年頃からは、偶然自然銅が発見され、 紀元前6,000年頃から木材を燃料に生活していた際の炉壁などから金属が遊離することを知ったと見られます。製造されてきました。日本では弥生時代から鉄とともに使われています。

銅は耐食性に優れ、電気伝導度が大きいです。しかし、純銅は柔らかいので青銅器が使われるようになります。

電解精練(粗銅を陽極、純銅を陰極として電気分解を行う)の工程を施すことで、電気銅と呼ばれる純度99.99%の銅が得られる。

野村正勝・鈴鹿輝男. 最新工業化学より
98
電析
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_05/Electrodeposition.asp

銅の作り方:電解精錬
小名浜精錬所
日本鉱業協会
308
送電に使われる 鉄塔(鉄鋼)電線(銅、アルミ)碍子(陶磁器)
© K.Tachibana

軽金属(アルミニウム・マグネシウム・チタン)

密度が小さく電気伝導度が大きいアルミニウムは電線や航空機に使わる。溶融塩電解で製造するアルミニウムは多量の電気が必要とする。 集電体にも使われる。 電解コンデンサにも使われる。

アルミニウム を熱して溶かし、型に流し込んで、冷やして固める加工法を鋳造といいます。 自動車部品 などの製造に使われます。


小林一也, 工業技術基礎, 実教出版, p.58, (2002).


貴金属(金・銀・白金)

携帯電話1トンに金300グラムが含まれている。 毎年新学期になると、売れ残った新品の携帯電話が廃棄される。 もっとも人件費がかかるのは、箱から携帯電話を取り出すところだという。 炉で有機成分を焼き飛ばし、有機溶媒による抽出で金を回収する。 税金による補助金で操業するものの、コストがペイする目処はまったく立っていない。

都市鉱山から回収できるか?


レアメタル


  6 非鉄合金
種別 合金 規格 組成(%) 特性 用途
軽合金 ジュラルミン 、超ジュラルミン、超々ジュラルミン * Au-Cu,Al-Cu-Mg,Al-Cu-Zn 軽い 航空機、新幹線
軽合金 エレクトロン
銅合金 洋銀 (洋白) 、 青銅 ブロンズ ) 、 真鍮 ブラス Cu 60-65 Ni 12-22 Zn 18-23 銀白色、硬い 楽器、装飾品
可融合金 ハンダ
可融合金 ウッド合金

  7 金属加工
加工方法 特徴など
鋳造 砂型鋳造法(鋳鉄)、ダイカスト法(ADC12)
接合 ガス溶接、アーク溶接、リベット接合、接着接合
塑性加工 鍛造、プレス(しぼり、せん断、曲げ、圧延、押し出し)、引き抜き
切削加工(マシニング) マシニングセンター、旋盤、ボール盤、フライス盤、放電加工、研削加工
表面処理 塗装、めっき、 アルマイト加工
3Dプリンタ CADデータを直接造形できる

無機工業化学
  1. 受講にあたって
  2. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
  3. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
  4. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
  5. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  6. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  7. 3000℃が作る航空部材―窯業―
  8. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源と環境とサプライチェーン―
  9. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
  10. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
  11. 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
  12. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
  13. スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
  14. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
  15. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
  16. ヒトはなぜモノを作らねばならないのか?-ひとりひとりの幸せを大切にするために-

参考文献



QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202_05.asp


このマークはこのページで 著作権が明示されない部分について付けられたものです。

山形大学 データベースアメニティ研究所
〒992-8510 山形県米沢市城南4丁目3-16
3号館(物質化学工学科棟) 3-3301
准教授 伊藤智博
0238-26-3573
http://amenity.yz.yamagata-u.ac.jp/

Copyright ©1996- 2022 Databese Amenity Laboratory of Virtual Research Institute,  Yamagata University All Rights Reserved.