金属概論:金属の基礎

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  【金属の化学的分類】

 金属の分類として,次表の結晶構造による分類に加えて,化学的性質の違いによる分類が一般的に用いられている。
 各元素の基本的な特性は,「元素一覧」で紹介する。


金属元素単体の結晶構造による分類
結晶構造 元素の例
  面心立方格子構造 (fcc)    Al (アルミニウム),Ca (カルシウム),Sc (スカンジウム),Cr (クロム), γ-Mn (マンガン),
  γ-Fe (鉄),Co (コバルト),Ni (ニッケル),Cu (銅),Sr (ストロンチウム),
  Pd (パラジウム),Ag (銀),La (ランタン),Ir (イリジウム),Pt (白金),Au (金),Pb (鉛)  
  体心立方格子構造 (bcc)    Li (リチウム),Na (ナトリウム),K (カリウム),β-Ti (チタン),V (バナジウム),Cr (クロム),
  Mn (マンガン),α-δ-Fe (鉄), Sr (ストロンチウム),Nb (ニオブ),
  Mo (モリブデン),Cs (セシウム),Ba (バリウム),Ta (タンタル),W (タングステン)  
  六方最密充填構造 (hcp)    Be (ベリリウム),Mg (マグネシウム),Sc (スカンジウム),α-Ti (チタン),Co (コバルト),
  Zn (亜鉛),Y (イットリウム),Tc (テクネチウム),Ru (ルテニウム),Cd (カドミウム),
  Gd (ガドリウム),Tb (テルビウム),Dy (ジスプロシウム),Ho (ホルミウム),
  Er (エルビウム),Tm (ツリウム),Lu (ルテチウム),Os (オスミウム),Tl (タリウム)  


金属の化学的性質による分類  参考【周期表】【炎色反応】
分 類 元 素 性   質
  アルカリ金属
  (alkali metal) 
  Li,Na,K,Rb,Cs, Fr   周期表第1族の 6元素の総称。軟らかく軽い融点の低い金属で,多くの金属と金属間化合物をつくる。
 化学的に活発で,一価の陽イオンになり易く,種々の元素と良く化合し,常温で水を分解して水素を発生させ水酸化物を生じる。金属単体は,アルカリ金属の塩の融解塩電解で製造される。炎色反応はリチウム(Li)真紅,ナトリウム(Na)黄色,カリウム(K)淡紫色,ルビジウム(Rb)深赤色,セシウム(Cs)青色である。
  アルカリ土類金属
  (alkaline earth metal) 
  Ca,Sr,Ba,Ra    周期表第2族の第4周期以後の 4元素の総称。軟らかい金属で,比較的活性で,2価の陽イオンになり易い。
 アルカリ金属ほど激しくないが水,酸素と反応し水酸化物を生じる。金属単体は,アルカリ金属の塩の融解塩電解で製造される。炎色反応はカルシウム(Ca)橙赤色,ストロンチウム(Sr)深赤色,バリウム(Ba)淡緑色,ラジウム(Ra)鮮紅色である。  
  マグネシウム族元素
  (magnesium group element) 
  Be,Mg,Zn,Cd,Hg    周期表第2族第2,3周期のベリリウム(Be),マグネシウム(Mg),第12族(旧分類の第2B族)の亜鉛(Zn),カドミウム(Cd),水銀(Hg)の 5元素nの総称。ベリリウム(Be),マグネシウム(Mg)は第2族の元素であるが,アルカリ土類と異なり,共有結合性が強く,水酸化物のアルカリ性が弱いなど化学的性質が異なる。 
  希土類元素
  (rare earth element,レア・アース) 
  Sc,Y,ランタノイド系    周期表第3族のアクチノイド系元素を除く 17元素の総称。比較的稀な鉱物から得られたため命名されたが,存在量は希少ではない。化学的性質は相互によく似ており,相互の分離は非常に困難である。希土類元素(レア・アース)は,レアメタルと混同されやすいが分類が異なる
 スカンジウム(Sc)は,スカンジナビア半島などで産出する希少鉱物から,ランタノイド系のプロメチウム(Pm)は天然には存在しないが,他の希土類元素やイットリウム(Y)は混合物として希土類鉱物(ペグマタイト鉱物など)から比較的多量に得られる。ペグマタイト鉱物は,火成岩の一種でマグマの分化作用の末期に濃縮したリチウム,鉛,ホウ素,ウラン,トリウム,希土類元素などを含む。 
  土類金属
  (earth metal) 
  Al,Ga,In,Tl    ホウ素(B)を除く周期表第13族のアルミニウム(Al),ガリウム(Ga),インジウム(In),タリウム(Tl) 4元素に対する古い総称。岩石などに広く分布するので土類と呼ばれる。アルミニウム族(aluminium group)ともいう。両性金属(酸,アルカリに可溶)で,3価の陽イオンになり易い。なお,タリウム(Tl)については 1価の化合物が多い。 
  スズ族元素
  (tin group element) 
  Ge,Sn,Pb    周期表第4族のうち炭素,ケイ素を除くゲルマニウム(Ge),スズ(Sn),鉛(Pb) 3元素の総称。単体は低融点で,両性を示す。両性物質(amphoteric substance)とは,酸とも塩基とも反応する物質をいう。 
  チタン族元素
  (titanium group element) 
  Ti,Zr,Hf    周期表第14族(遷移元素)に属するチタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ハフニウム(Hf) 3元素の総称。チタンは天然に広く分布しているが,ジルコニウムはやや少なく,ハフニウムはさらに少ない。酸化数が4の状態が最も安定。常温では酸化被膜を形成し耐腐食性をもつ。
 単体は,融点,沸点とも高い。化合物は,酸化数 4( +4価)の状態が最も安定である。常温では単体表面が速やかに安定した酸化被膜で覆われ,優れた耐食性を示す。 
  鉄族元素
  (iron group element) 
  Fe,Co,Ni    周期表第4周期のうちの鉄(Fe),コバルト(Co),ニッケル(Ni) 3元素の総称。有色化合物,錯体をつくり,触媒として働くなどの性質を持つ。
 常温,常圧で強磁性を示す。常温で強磁性を示す単体金属は,希土類金属と鉄族元素のみである。 
  土酸金属
  (earth-acid metal) 
  V,Nb,Ta    周期表第5族のバナジウム(V),ニオブ(Nb),タンタル(Ta) 3元素の総称で,バナジウム族元素(vanadium group element)ともいわれる。硬く強靭で耐食性がある金属で,超硬材料に利用される。酸化物が酸性で,化学的性質が似ている 3元素を土酸族元素(土酸類)ともいう。 
  クロム族元素
  (chromium group element) 
  Cr,Mo,W    周期表第6族のクロム(Cr),モリブデン(Mo),タングステン(W) 3元素の総称。担体は,白色あるいは灰色の金属,空気中では常温で安定,硬く,融点・沸点が非常に高い。酸性が強い。 
  マンガン族元素
  (manganese group element) 
  Mn,Tc,Re    周期表第7族のマンガン(Mn),テクネチウム(Tc),レニウム(Re) 3元素の総称。クロム族より冶金が容易。高原子価ほど強酸性,Mn2+,3+は塩基性。
 マンガンは反応性の高い元素で,多くの非金属と化合物を形成する。また,鋼などの鉄合金に含まれ,鉄鋼の重要な添加元素である。 
  貴金属
  (noble metal,precious metal) 
  Cu,Ag,Au
  Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Pt 
  貴金属 (noble metal)という場合は,「イオン化傾向」が水素より小さい周期表第11属の銅(Cu),銀(Ag),金(Au)3元素を指す。分野によっては第12族の水銀(Hg)を含めた 4元素を指すこともある。
 貴金属 (precious metal)という場合は,化学変化を起こし難く,耐食性(空気中で酸化しない)があり,電気伝導性,延性・展性に優れる白金族(platinum group metal),すなわち第8族のルテニウム(Ru),オスミウム(Os),第9族のロジウム(Rh),イリジウム(Ir),第10族のパラジウム(Pd),白金(Pt)を含めた 8元素をいう。 

 レアメタルとレア・アースの違い
 レア・アース(rare earth element,希土類元素)と混同され易いレアメタル(rare metal)とは,一般的には,次の条件を満たす金属と定義され,レア・アースを包含した広い範囲の金属元素を指す。
 存在する量が少ない。
 鉱床を作らず,広く薄く分布している。
 鉱床を作っても,特定の国や地域に限定されている。
 鉱物から取り出したり精製したりすることが難しい。
 現代の産業に欠かせない素材である。
 
 レアメタルに分類される元素は,次に示す典型元素 15種類,希土類以外の遷移元素 15種類,希土類(レア・アース)金属 17種類の合計47種類といわれている。
 LiBeBTiVCrMnCoNiGaGeSeRbSrZrNbMoPdInSbTeCsBaHfTaWRePtTlBi,希土類(レアアース)
 太字は鋼材や防食対策との関わりが強い元素を示す。
 
 【参考資料】
 1)大澤直 『金属のおはなし』 日本規格協会,2008年
 2) 伊藤尚夫,無機化学シリーズ11「金属元素の化学」培風館,1972年
 3) 齋藤勝裕 『金属のふしぎ』 ソフトバンククリエイティブ,2009年

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