カテゴリー: 化学元素

「最も成功する可能性が低い」と投票できた要素があるとすれば、それはアルミニウムでしょう。古代ペルシャの陶芸家は陶器を強化するために粘土にアルミニウムを加えましたが、純粋なアルミニウムは 1825 年まで発見されませんでした。その時までに、人類は数千年にわたっていくつかの金属や金属合金 (または青銅などの金属の混合物) を使用していました。

発見された後も、アルミニウムは無名になる運命にあるように思われました。化学者は一度に数ミリグラムしか分離できず、半貴金属として金や銀と並んで存在するほど希少でした。実際、1884 年における米国のアルミニウム総生産量はわずか 125 ポンド (57 キログラム) でした 。

その後、1886 年にアメリカ人のチャールズ・マーティン・ホールとフランス人のポール・LT・エローが独立して、酸化アルミニウムからアルミニウムを抽出する方法を考案しました。このプロセスは電解還元の一種であり、膨大な電力を必要としたが、金属の形を大量に生成した。 1891 年までに、アルミニウムの生産量は 300 トン (272 トン) をはるかに超えていました 。そしてそれは、鍋やフライパンから電球や電線、自動車やオートバイに至るまで、膨大な数の製品に使われ始めました。

1 世紀以上が経過した今日、アルミニウムは最も豊富に存在する金属元素となっています。毎年、米国は 560 万トン (510 万トン) 以上を生産しています 。そのアルミニウムの多くはビールやソーダの缶に使用され、その量は一日あたり 3 億個、年間で 1,000 億個のアルミニウム飲料缶に相当します 。長い間発見されなかった元素としては悪くない。

この記事では、アルミニウムの特性、存在、挙動について詳しく見ていきます。また、ハル・エルー法によるアルミニウムの製造からリサイクル後の再生まで、アルミニウムのライフサイクルについても調べます。そして最後に、あなたを驚かせるかもしれないいくつかの将来の用途を含め、アルミニウムのすべての用途を探っていきます。

まずは基本的なことから始めましょう。化学者の観点から見たアルミニウムです。

アルミニウム101

2 人の私は 1 人よりも優れていますか?アメリカではそれを「アルミニウム」と呼びます。しかし、国際純粋応用化学連合を含む世界の他の国々では、それを「アルミニウムi um」と呼んでいます。この混乱は、当時未知の元素を最初に「アルミニウム」と特定したハンフリー・デイビー卿にまで遡ることができます。これは後に「アルミニウム」に変更され、最終的には「アルミニウム」に変更され、デイビーが発見した他の金属であるカリウムやナトリウムと同様の結末を迎えました。

アルミニウム合金、アルミニウム箔、酸化アルミニウムは、アルミニウム合金、アルミニウム箔、酸化アルミニウムと何ら変わりません。どの用語を使用するかは、住んでいる地域によって大きく異なり、北米では母音が 1 つ少ないバージョンを選択します。

周期表上の他の数十の元素と同様に、アルミニウムは天然に存在します。すべての元素と同様、アルミニウムは純粋な化学物質であり、これ以上単純なものに分解することはできません。すべての元素は、原子番号(原子核内の陽子の数) によって周期表に配置されています。アルミニウムのラッキーナンバーは 13 なので、アルミニウム原子には 13 個の陽子があります。電子も13個持っています。

周期表上のアルミニウムの上下に位置する元素は、同様の特性を共有する族、またはグループを形成します。アルミニウムは第 13 族に属し、ホウ素 (B)、ガリウム (Ga)、インジウム (In)、タリウム (Tl) も含まれます。右側の表は、これらの元素が周期表上でどのように配置されるかを示しています。各元素は記号で表され、アルミニウムの記号はAlであることに注意してください。各記号の上の数字は、原子質量単位( amu ) で測定された元素の原子量です。原子量は、各天然同位体の寄与を考慮して決定される元素の平均質量です。アルミニウムの原子量は 26.98 amu です。アルミニウムの記号の下にある数字は原子番号です。

化学者は、本格的な金属ではないホウ素を除いて、第 13 族の元素を金属として分類します。金属は一般に、熱と電気をよく伝導する光沢のある要素です。また、可鍛性があり、さまざまな形状に打ち込むことができ、延性もあり、ワイヤーに引き抜くことができます。これらの特性は確かにアルミニウムにも当てはまります。実際、アルミニウムは熱を効率的に伝導するため、調理器具によく使用されます。また、銅だけがよりよく電気を伝導するため、アルミニウムは電球、送電線、電話線などの電気材料として理想的な材料となります。アルミニウムのその他の重要な特性を以下に示します。

これら最後の 2 つの特性により、アルミニウムは特に有用になります。その耐食性は、金属と酸素の間で起こる化学反応によるものです。アルミニウムが酸素と反応すると、金属の外側に酸化アルミニウムの層が形成されます。この薄い層は、下にあるアルミニウムを酸素、水、その他の化学物質の腐食作用から保護します。そのため、アルミニウムは屋外での使用に特に価値があります。また、衝撃を受けても火花が出ないため、可燃物や爆発物の近くでも使用できます。

アルミニウムは自然界にさまざまな化合物として存在します。その特性を活用するには、それと結合する他の元素から分離する必要があります。これは、ボーキサイトとして知られる岩のように硬い材料から始まる、長く複雑なプロセスです。

このプロセスを経たアルミニウムは、そのままの状態では非常に柔らかく、軽量になります。場合によっては、これらの特性を変更することが望ましい場合があります。たとえば、アルミニウムをより強く、より硬くするためです。これを達成するために、冶金学者はアルミニウムを他の金属元素と組み合わせて、合金として知られるものを形成します。アルミニウムは通常、銅、マグネシウム、マンガンと合金化されます。銅とマグネシウムはアルミニウムの強度を高め、マンガンはアルミニウムの耐食性を高めます。

アルミニウムの採掘と精製

アルミニウムは純粋な元素として自然界には存在しません。比較的高い化学反応性を示し、他の元素と結合して化合物を形成する傾向があります。地球の岩石や土壌に含まれる 270 以上の鉱物にはアルミニウム化合物が含まれています。このため、アルミニウムは地殻内で最も豊富な金属であり、3 番目に豊富な元素となります。アルミニウムよりも一般的なのはシリコンと酸素のみです。アルミニウムの次に多い金属は鉄で、次にマグネシウム、チタン、マンガンが続きます。

アルミニウムの主な供給源は、ボーキサイトとして知られる鉱石です。鉱石は、金属または貴重な鉱物が得られる天然に存在する固体物質です。この場合、固体物質は、水和酸化アルミニウムと水和酸化鉄との混合物である。水和とは、2 つの化合物に化学的に結合した水分子を指します。酸化アルミニウムの化学式は Al ₂ O ₃です。酸化鉄の式は Fe ₂ O ₃です。

ボーキサイトの堆積物は、地球の表面近くにある平らな層として発生し、何マイルにも及ぶ可能性があります。地質学者は、コアサンプルを採取したり、鉱石が含まれていると思われる土壌を掘削したりする探査によって、これらの鉱床を見つけます。コアを分析することで、科学者はボーキサイトの量と品質を判断できます。

鉱石が発見された後、露天掘り鉱山では通常、最終的にアルミニウムになるボーキサイトが得られます。最初のブルドーザーが鉱床の上の土地を整地します。その後、作業員が爆薬で土壌をほぐし、鉱石を地表に運び出します。次に、巨大なシャベルがボーキサイトが豊富な土壌をすくい上げ、トラックに積み込み、鉱石を加工工場に運びます。フランスは、大規模なボーキサイト採掘が初めて行われた場所です。米国では、アーカンソー州が第二次世界大戦前、第二次世界大戦中、戦後を通じてボーキサイトの主要供給地でした。しかし現在、この物質は主にオーストラリア、アフリカ、南米、カリブ海で採掘されています。

アルミニウムの商業生産の最初のステップは、ボーキサイト中の酸化鉄から酸化アルミニウムを分離することです。これは、1888 年にオーストリアの化学者、カール ジョセフ バイエルによって開発された技術を使用して達成されます。バイエル プロセスでは、ボーキサイトが苛性ソーダ、つまり水酸化ナトリウムと混合され、圧力下で加熱されます。水酸化ナトリウムは酸化アルミニウムを溶解し、アルミン酸ナトリウムを形成します。酸化鉄は固体のままであるため、濾過によって分離されます。最後に、液体アルミン酸ナトリウムに水酸化アルミニウムを導入すると、酸化アルミニウムが沈殿するか、溶液から固体として出てきます。これらの結晶を洗浄し、加熱して水を除去します。その結果、純粋な酸化アルミニウム、アルミナとしても知られる微細な白い粉末が得られます。

アルミナはそれ自体が便利な材料です。その硬度により、研磨剤や切削工具の構成要素として役立ちます。また、水を浄化したり、陶器やその他の建築材料を製造したりするためにも使用できます。しかし、その主な用途は、純粋なアルミニウムを抽出する出発点として機能することです。次のセクションでは、アルミナをアルミニウムに変えるために必要な手順を見ていきます。

アルミニウム精錬

アルミナ、つまり酸化アルミニウムをアルミニウムに変えることは、産業革命における大きなマイルストーンでした。現代の製錬技術が進化するまでは、アルミニウムは少量しか入手できませんでした。初期のプロセスのほとんどは、アルミニウムをより反応性の高い金属で置き換えることに依存していましたが、この金属は依然として高価で、比較的入手困難でした。すべてが変わったのは 1886 年で、この年に志ある化学者と実業家が電気分解に基づく製錬プロセスを開発しました。

電気分解とは文字通り「電気で分解する」という意味で、化学物質を成分に分解することができます。従来の電気分解の設定では、正イオンと負イオンを含む材料の液体または溶融サンプルに 2 つの金属電極を浸す必要があります。電極がバッテリーに接続されると、一方の電極が正の端子、つまりアノードになります。もう一方の電極はマイナス端子、つまりカソードになります。電極は帯電しているため、溶液に溶解した帯電粒子を引き付けたり反発したりします。正のアノードは負に帯電したイオンを引き付け、負のカソードは正に帯電したイオンを引き付けます。

アルミニウムの名前の由来となったとされるイギリスの化学者ハンフリー・デイビー卿は、1800 年代初頭に電気分解によるアルミニウムの製造を試みましたが失敗しました。フランスの学校教師でアマチュア化学者のアンリ・サンクレール・ドゥヴィルも手ぶらでやって来た。そして、数年間の実験を経た 1886 年 2 月、アメリカ人のチャールズ マーティン ホールは、まさに正しい公式を発見しました。それは、溶融氷晶石、つまりフッ化アルミニウム ナトリウム (Na ₃ AlF ₆ ) に溶解したアルミナの溶液に直流電流を流すというものでした。 1987 年まで、氷晶石はグリーンランドの西海岸で見つかった鉱床から採掘されていました。現在、化学者は、はるかに一般的な鉱物である蛍石からこの化合物を合成しています。

アルミニウム精錬の手順は次のとおりです。

2Al ₂ O ₃ + 3C -> 4Al + 3CO ₂

ホールによって開発されたアルミニウム精錬プロセスにより、大量の純粋なアルミニウムが得られました。突然、その金属は珍しいものではなくなりました。氷晶石の電解還元によってアルミニウムを製造するというアイデアも珍しいものではありませんでした。ポール・LT・エロールという名前のフランス人も、わずか数か月後に同じアイデアを思いつきました。しかし、ホールは、後にアルミニウム カンパニー オブ アメリカ (アルコア) となるピッツバーグ リダクション カンパニーを設立した翌年の 1889 年に、このプロセスの特許を取得しました。 1891 年までに、アルミニウムの生産量は 300 トン (272 トン) をはるかに超えました 。

次のページでは、電解槽から出てきたアルミニウムに何が起こるかを見ていきます。

アルミニウム加工

ホール・エルー法で使用されるバットはポットとして知られています。大きな釜では毎日2トン以上のアルミニウムを生産できます。しかし、企業は複数のポットをポットラインに接続することで、その生産量を増やすことができ、実際にそうしています。 1 つの製錬プラントには、それぞれ 200 ～ 300 個のポットを備えた 1 つ以上のポットラインが含まれる場合があります。これらの釜の中で、金属が液体の状態に留まるように、昼夜を問わずアルミニウムの生産が続けられます。

作業員は 1 日に 1 回、ポットラインからアルミニウムを吸い上げます。金属の多くは、インゴットを製造するために取っておかれます。製造インゴットを作るために、溶融アルミニウムは大きな炉に送られ、そこで他の金属と混合して合金を形成します。そこから、金属はフラックス処理として知られる洗浄プロセスを受けます。フラックス処理では、窒素やアルゴンなどのガスを使用して不純物を分離し、表面に浮き上がらせて取り除きます。次に、精製されたアルミニウムを型に流し込み、金属に冷水をスプレーして急速に冷却します。

ポットラインから吸い出されたアルミニウムの一部は合金化されておらず、洗浄されていません。代わりに、鋳型に直接注がれ、ゆっくりと冷却されて硬化し、鋳造(または再溶解)インゴットが形成されます。一次アルミニウム工場は再溶解インゴットを鋳造工場に販売します。鋳造工場はアルミニウムを液体の状態に戻し、合金化とフラックス処理を自ら進めます。次に、次のような製造技術を使用して、アルミニウムを家電製品、自動車、その他の用途に使用するさまざまな部品に加工します。

アルミニウムは魅力的な金属であり、多くの場合仕上げが必要ありません。ただし、研磨、塗装、電気メッキは可能です。たとえば、ビールや炭酸飲料のメーカーは、印刷プロセスを使用してラベルをアルミニウム缶に貼り付けます (補足記事を参照)。典型的な印刷配合物は、多くの場合、アルミニウムによく接着し、美的魅力を与えるラッカーコーティングです。もちろん、このような仕上げ材は除去する必要があるため、リサイクルの際には懸念事項となります。次のセクションでは、アルミニウムがどのようにリサイクルされるかを詳しく見ていきます。

アルミニウムの使用とリサイクル

アルミニウムはその多用途性により、さまざまな用途に適しています。実際、これは鉄鋼に次いで 2 番目に使用されている金属であり、2007 年の年間一次生産量は 2,480 万トン (2,250 万トン) に達しました。自動車産業は、アルミニウムの最も急速に成長している市場です。ホイールリムからシリンダーヘッド、ピストン、ラジエーターに至るすべての自動車部品をアルミニウムで製造すると、自動車が軽量になり、燃料消費量と汚染レベルが削減されます。

アルミニウムのその他の重要な用途をいくつか紹介します。

数字で見るアルミニウム 米国では、年間 1,000 億個のアルミニウム飲料缶が生産されています。そのうちの約 3 分の 2 はリサイクルのために戻されます。アルミニウム飲料缶 1 本を作るのに使用されるエネルギーは約 7,000 Btu です。リサイクルにより、鉱石から新しい金属を作るのに必要なエネルギーの 95 パーセントが節約されます。アルミニウム製の飲料容器がリサイクルされて再び店頭に並ぶまでには約 60 日かかります。 *ソース：

驚くべきことに、これまでに製造されたアルミニウムのほとんどは今日でも使用されています。それは、品質を損なうことなく何度でもリサイクルできるからです。リサイクルされるアルミニウムのほとんどは、使用済みの飲料缶、古い自動車の部品、アルミニウム製品の製造中に収集されたスクラップの 3 つの供給源のいずれかに由来します。

アルミニウム缶のリサイクルはクローズドループプロセスです。つまり、リサイクルプロセス後に作られる新しい製品は以前のものと同じです。クローズドループの缶リサイクルには 6 つのステップがあります。

アルミニウム業界におけるイノベーションの多くは、生産とリサイクルの効率向上に関連しています。しかし、次のセクションで説明するように、新しく魅力的な用途が出現するにつれて、アルミニウムの需要は増える一方です。

アルミニウムの未来

アルミニウムの光沢のある金属の歴史1746 : ヨハン・ハインリッヒ・ポットがミョウバンからアルミナを調製。 1825 : ハンス・クリスチャン・エルステッドが最初のアルミニウムを製造。 1886 : Charles Martin Hall と Paul LT Heroult は両方とも電気分解を使用してアルミニウムを製造しました。 1888 : ホールと彼のパートナーは、現在のアルミニウム カンパニー オブ アメリカ (アルコア) を設立します。 1914 : 第一次世界大戦中にアルミニウムの需要が急増。 1947 : レイノルズ ラップ アルミ ホイルが店頭に並びました。 1963 : クアーズが最初のアルミニウム製飲料缶を発表。 1968 : 米国初の缶リサイクル プログラムが開始。 2020 年: 国際アルミニウム協会は、アルミニウム産業がカーボンニュートラルになると予測しています。

アルミニウムの一次生産には多大なエネルギーが必要です。また、地球温暖化に影響を与える温室効果ガスも生成します。国際アルミニウム協会によると、新しいアルミニウム在庫の製造により、世界の人為的温室効果ガス排出量の 1% が排出されます。業界の最優先事項は、削減対策、リサイクルの増加、自動車、航空機、船舶、電車でのアルミニウムの使用を通じて、これらの排出量を削減することです。実際、軽量アルミニウム部品を車両に使用することは、自動車の設計と製造における最も大きな進歩の 1 つです。より重い材料がアルミニウムに置き換えられるごとに、車両の寿命にわたって 22 キログラム (44 ポンド) の二酸化炭素が除去されます 。

もう 1 つの有望な用途は、燃料電池自動車でのアルミニウムの使用です。パデュー大学の研究者らは最近、アルミニウムを使用して水素燃料を効率的に製造できることを発見しました。このプロセスはアルミニウムペレットから始まり、これを液体ガリウムに混合して液体アルミニウムガリウムを生成します。水を加えると、アルミニウムが酸素と反応してゲルを形成します。収集して燃料電池の駆動に使用できる水素ガスも生成されます。

このようなイノベーションにより、アルミニウムの需要が増加します。この金属は比較的新しい金属ですが、人類の文明の歴史の中で最も重要なものの 1 つです。将来の考古学者や人類学者が 19 世紀、20 世紀、21 世紀の社会を振り返るとき、それを人類の最も重要な時代の 1 つとして、石器時代、青銅器時代、鉄器時代に次いでアルミニウム時代と呼ぶ可能性が非常に高いでしょう。文化の発展。

ガリウムは、周期表の 1 つを実現できる希少な銀白色の元素です。室温では、ガリウムは純粋なアルミニウムに似た光沢のある金属固体です。しかし、数分間手に持っていると、この硬い金属の塊が溶け始めます。

そう、ガリウムの融点はわずか 85.6 度 (摂氏 29.8 度) です。これは、熱い小さな手の中で溶けて鏡のような水たまりになることを意味します。液体の状態では、ガリウムは水銀によく似ていますが、ガリウムは水銀ほど有毒ではないため、取り扱うのがより安全です（ただし、皮膚を汚す可能性があります）。

しかし、ガリウムは、手に溶けるような YouTube 動画の素材以上のものです。また、LED ライトの重要な成分であり、スマートフォンの強力なマイクロチップの頼りになる半導体材料でもあります。ガリウムがエレクトロニクスの世界を引き継ぐことを阻止できる唯一の理由は、ガリウムがシリコンに比べて非常に希少で非常に高価であるということです。

メンデレーエフはガリウムの存在を予言した

純粋なガリウムは、自然界にはその光沢のある元素の形では存在しません。ボーキサイトなどの鉱物から複数段階の化学プロセスを経て抽出する必要があります。 、地球の地殻中のガリウムの存在量はわずか19ppmです（比較すると、シリコンは282,000ppmです）。ガリウムを初めて分離し、新しい元素として認識したのは、1875 年にフランスの化学者ポール・エミール・ルコック・ド・ボアボードランでした。彼は、フランスのラテン語名「ガリア」にちなんでガリウムと名付けました。

しかし、ボアボードランの発見の4年前に、有名なロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフが発見しました。 「周期表の父」として知られるメンデレーエフは、周期表のアルミニウムの後にギャップがあることに気づき、彼が「エカアルミニウム」と呼んだ欠落元素がアルミニウムの特性の多くを共有するだろうと仮定しました。異なる原子構造。

メンデレーエフの指摘は正しかったが、金属と非金属の中間に位置するガリウムの異常な性質が、現代のエレクトロニクスにとって理想的なガリウムとなるとは予想できなかった。

アイデンティティの危機を抱える要素

ガリウムに関するクールでやや奇妙な事実がもう 1 つあります。ガリウムはわずか 85.6 度 (29.8 度) で溶けますが、灼熱の 3,999 度 (2,204 度) まで沸騰しません。これにより、ガリウムは を維持する賞を受賞しました。しかし、なぜそのようなことが起こるのでしょうか?

「ガリウムは混乱しています」と、私たちが を通じて連絡を取ったペンシルベニア大学の化学教授は言います。 「ガリウムは、軽い元素と一致する低温で溶けますが、非常に高い温度で沸騰します。これは、非常に重い元素と一致します。ガリウムは、金属になりたいのか非金属になりたいのかわかりません。 」

ガリウムの二重人格は、ガリウムが周期表上で「半金属」と「遷移後金属」と呼ばれる 2 つのグループのどこに位置するかに由来します。ガリウムはアルミニウムの次に並んでいますが、その原子はその光沢のある箔よりもはるかに「独立」しており（わかりますか？）、アルミニウムはより「電気陽性」であり、これは真の金属の特徴であるとミンディオラ氏は言います。

シリコンと同様、ガリウムは電気の良導体ですが、優れた導体ではありません。このため、これらの半金属は両方とも、電気の流れを制御する必要がある半導体の主な候補となっています。

「実際、ガリウムは理想的な半導体材料であり、シリコンよりもさらに優れています」とミンディオラ氏は言います。 「問題は、珍しいので高価なことです。」

現在の製造プロセスを使用すると、最も一般的なガリウムベースの半導体材料であるガリウムヒ素のウェハは、シリコンウェハよりもおよそ大きくなります。

ガジェットにはガリウムが含まれています

ガリウムはシリコンよりもはるかに高価ですが、最新世代のスマートフォンで人気の半導体材料となっています。スマートフォンは、無線周波数 (RF) チップを使用してセルラー データ ネットワークと通信します。RF チップはシリコンよりもガリウムヒ素で作られており、5G ネットワークの要件であるより高い周波数帯域で動作できます。米国で消費されるガリウムの 70 パーセント強は、RF チップやその他の種類の集積回路の製造に使用されています。

しかし、ガリウムの最も優れた用途の 1 つは発光ダイオード (LED) であり、現在コンピューターのディスプレイから信号機、高級車のヘッドライトに至るまであらゆるものに使用されています。 LED が非常に人気があるのは、電気を直接光に変換する非常に効率的なためです。最初の可視光 LED は、ゼネラル エレクトリック社の研究者がさまざまなガリウム合金 (ガリウム、ヒ素、窒素、リン、その他の元素の組み合わせ) で作られたダイオードの独特な特性を発見した 1960 年代初頭に発明されました。

ダイオードでは、電子は 2 つの半導体材料の層 (1 つは正の電荷を持ち、もう 1 つは負の電荷を持っています) を通って移動します。マイナス側からの自由電子がプラス側の「正孔」を埋めるため、 。科学者たちは、異なるガリウム合金が異なる可視光周波数の光子を放出することを発見しました。ガリウムヒ素とガリウムリンは赤色、オレンジ色、黄色の光を生成し、窒化ガリウムは青色の光を生成します。

「LED に電流を流すだけで、クリスマス ツリーのように点灯します」と Mindiola 氏は言います。

LED は電気に接続すると光を発するだけでなく、そのプロセスを逆にすることもできます。太陽電池内の特殊なダイオードもガリウムベースの半導体で作られています。入射光を受け取り、それを自由電子と「正孔」に分離し、電気としてバッテリーに保存できる電圧を生成します。

ガリウムのその他の気の利いた使い方

「医学でも、特定の種類の癌の検出と治療にガリウムが使用され始めています」とミンディオラ氏は言う。 「ガリウム 67 は、通常よりも速く複製する細胞に引き寄せられます。これが腫瘍で起こることです。」

ガリウム-67 は、無毒のガンマ線を放出するガリウムの放射性同位体です。放射線科医は、ガリウム 67 を患者の血流に注入することで、患者の全身をスキャンして腫瘍や感染症による炎症を調べることができます。ガリウム 67 は急速に成長する細胞の塊に結合するため、PET スキャンやその他のガンマ線に敏感なスキャンでは、これらの潜在的な問題点が検出されます。硝酸ガリウムは、それらを検出するだけでなく、 においても有効性を示しています。

航空宇宙産業は何十年にもわたってガリウムに熱中してきました。衛星や長距離宇宙船に電力を供給するすべてのハイエンドソーラーパネルは、ガリウムヒ素で作られています。これには、 の重要なソーラーパネルも含まれます。火星探査車に搭載されたガリウムベースの太陽電池は、最高のパフォーマンスで、火星の日あたり 900 ワット時のエネルギーを生成できます。

ほとんどの人は、家や水道に鉛が含まれる危険性を認識しています。私たちは体内の鉛を検出する検査を行っており、飲料水から一部の重金属を除去するフィルターを備えています。しかし、湿った緑豊かな土壌から摘み取ったばかりのポテトチップスをかじると、カドミウムと呼ばれる、しかし広く使用されている別の金属の摂取を懸念する必要があることがわかります。

便利だけど致命的なメタル

カドミウムは、銀やプラチナと同様、自然界、通常は亜鉛鉱石に含まれる天然金属です。これは記号 Cd および原子番号 48 の化学元素であり、周期表の第 12 族の他の 2 つの安定な金属、亜鉛および水銀と化学的に類似しています。色は柔らかい銀白色で、青みがかった色合いで、空気や湿気にさらされると色が薄れます。

「このレアメタルは延性と可鍛性も備えているため、簡単に成形することができます。腐食に強く、他のほとんどの遷移金属よりも融点が低いのです」と、GmbH のテクニカル コンテンツ ライター兼編集者の Samir Jaber 氏は述べています。ドイツのミュンヘンに拠点を置く、材料およびサプライヤー調達のための材料科学ベースのプラットフォーム。

カドミウムは融点が華氏 609 度 (摂氏 321 度) と低く、耐食性があるため、工業用の鋼のコーティングによく選ばれています。 (対照的に、ロジウムは3,595 度 (摂氏 2,035 度) と高い融点を持っています。また、効率的なエネルギー伝導体でもあります。ただし、サプライヤーや材料グレードによってその特性が異なる場合があるため、Jaber氏は指摘しています。黄色から栗色までの塗料顔料、 スチールコーティング、バッテリー、太陽光発電、核分裂炉のバリア材の安定化に使用されます。 「しかし、カドミウムは人間にとって非常に有毒で、味も匂いもありません」とジェイバー氏は言う。

カドミウムの雨が降っている

カドミウムは主に 2 つの経路で発生します。1 つは岩石の風化、森林火災、火山などの自然現象によるものです。または鉱業や製造などの人間の活動。 「カドミウムへの曝露は主に、亜鉛採掘、鉄鋼のカドミウムコーティング、ニッケルカドミウム電池の製造など、カドミウム含有製品が製造またはリサイクルされる領域で発生します。これは、次のようなプロセス中に発生する塵や煙を吸入することによって起こります。精錬中です」とジェイバーは説明する。

自然プロセスと製造プロセスの両方で、10,000 トン (9,072 トン) 以上のカドミウムが環境中に排出され、最終的には作物の栽培に使用される水道や土壌に浸透する可能性があり、これが一般の非喫煙者のほとんどがそうすることになります。有毒なカドミウムと接触した場合。カドミウムはタバコの葉に高濃度で存在することが知られているため、喫煙者は一服するたびに自分自身に害を及ぼす方法のリストにカドミウムを加える可能性もあります。

「カドミウムは人間にとって非常に有毒です。カドミウムへの曝露はがんを引き起こす可能性があり、呼吸器系、心血管系、胃腸系、生殖系、腎臓系、神経系などの身体系に影響を与える可能性があることがわかっています」とジェイバー氏は言う。 「肺損傷、骨毒性、およびこの病気は、カドミウム毒性のほんの一例にすぎません。」あなたも知らないうちにカドミウムを食べたり飲んだり吸入したりしているかもしれません。

朗報: カドミウムが規制される

「人々は警戒すべきではありませんが、周囲のカドミウムの存在と量について十分な情報を得る必要があります」とジェイバー氏は勧めます。米国労働省の労働安全衛生機関 (OSHA) は、人体への曝露を減らすために、複数の産業にわたってカドミウムの使用を制限しています。欧州連合はまた、医療機器または緊急機器で使用されるものを除き、バッテリーまたは蓄電池に存在する可能性のあるカドミウムの量を重量で制限する、2006 年に発表した を制定しました。

カドミウムを扱う施設を訪問したりそこで働いたりする場合は、防護具を着用する必要がある、とジェイバー氏は言う。禁煙者にはボーナスポイントもあるという。 「カドミウムの取り扱いが含まれる可能性のある職場で適切な個人用保護具を使用することで、カドミウム暴露のリスクを最小限に抑えることができます」と彼は言います。 「煙はカドミウムを移動させて肺に吸収される可能性があるため、喫煙を減らすか完全に止めることで身を守ることもできます。」カドミウムにさらされたことがある場合は、医師の診察を受けるのはおそらく悪い考えではありません。

バッテリー駆動と太陽エネルギーの大きなプラス

カドミウムの最も一般的な用途は、ニッケル カドミウム (Ni-Cd) 充電式電池です。エネルギー密度が高く寿命が長いため、産業用に人気があります。

ジェイバー氏によると、最近ではカドミウムが太陽エネルギー産業で使用されているという。 「テルル化カドミウム（CdTe）太陽電池が結晶シリコンに次いで2番目に一般的な太陽光発電技術となっているため、カドミウムは太陽電池産業でも注目を集めています」と彼は言う。 「これは、単一接合で太陽からの放射線を電気に変換する最適に近いバンドギャップエネルギーによる高い吸収のおかげです。」

カドミウムは家庭用の電池や工具にはほとんど含まれていないため、有毒な電池や太陽光発電の歩道灯の取り扱いについて心配する必要はありません。たとえカドミウムを含むバッテリーを見つけたとしても、適切に処分すれば、潜在的な害を排除できます。 「人々は心配する必要はありませんが、そのような電池をどこに、どのように処分するかを知ることは重要です。実際、ニカド電池は特定のリサイクルポイントでリサイクルできるため、家庭用有害廃棄物処理施設に別途持ち込む必要があります」危険な性質を考えると」とジェイバー氏は示唆する。

物事を整理するのは人間の本能です。料理人は、アルファベット順や使用頻度に応じて、スパイスをさまざまなグループに苦労して整理します。子供たちは貯金箱を捨て、自分の富をペニー、ニッケル、ダイム、クォーターの山に分類します。食料品店の商品でさえ、特定の方法でグループ化されています。国際線通路を進むと、タコスシェルの箱の隣に中国の卵麺のパッケージが置かれているのが見つかります。

結局のところ、化学者も組織マニアです。彼らは、物質の基本的な形態である元素間で類似した物理的および化学的特性を探し、それらを類似したグループに当てはめようとします。

科学者たちは、約 60 種類の元素がわかった 1800 年代後半に元素を整理しようと試み始めました。しかし、原子の構造という重要な情報が欠けていたため、彼らの取り組みは時期尚早でした。最初の試みは失敗に終わりましたが、ドミトリー・メンデレーエフという名前のロシアの化学者によるある試みは大きな有望性を示しました。メンデレーエフは 100% 正しかったわけではありませんが、彼のアプローチは現在の元素周期表の基礎を築きました。

現在、周期表には 112 個の名前付き元素が編成されており、さらにいくつかの名前のない元素も認められています。学生だけでなく、働く化学者にとっても、化学において最も役立つツールの 1 つとなっています。これは元素を原子番号に従って分類し (詳細はすぐに説明します)、特定の元素の核組成を示し、特定の元素の周りに電子がどのように配置されているかを説明し、ある元素が別の元素とどのように反応するかを予測できるようにします。

では、この組織化の偉業とは一体何なのでしょうか？この最も便利な化学ツールの歴史、構成、使用法を調べながら読み続けてください。

周期表をブロックごとに構築する

周期表の各ブロックには、元素と、その元素に関するいくつかの標準的な事実が含まれています。

• 原子番号: 元素内の陽子または電子の数に等しい整数。金の原子番号は79です。
• 元素記号：1文字または2文字。 2 文字の場合、最初の文字は常に大文字になります。水素の記号は単に H ですが、ヘリウムの記号は He です。記号は、水素のように元素の一般名の最初の文字に基づいているものもあれば、金を表す Au (ラテン語ではオーラム) など、元素のラテン名に基づいている記号もあるため、扱いが難しい場合があります。
• 要素名
• 原子量: 通常は 10 進数値 (金の場合は 196.966 569(4) など)

一部の周期表には、ブロックの隅または元素名の下に電子配置(電子の配置) が含まれています。さらに、一部の周期表には、元素が標準温度 (摂氏 25 度または華氏 77 度) で固体、液体、気体のいずれであるかを示す色付きの記号と、元素の種類 (アルカリ金属、アルカリ土類金属) を示す色付きの背景が含まれています。 、非金属、希ガスなど）。

表内では、元素は原子番号の昇順に並べられています。要素は 7 行にまたがります。各行は周期と呼ばれ、その元素の原子核の周囲の電子が占めるエネルギー レベルまたはシェルを示します ( 「原子の仕組み」を参照)。たとえば、最初のエネルギー レベルは最大 2 つの電子しか保持できないため、水素とヘリウムが期間 1 を占めます。期間 2 では、2 番目のエネルギー レベルが満たされ始めます。パターンは続きます。期間 7 の元素には、第 7 エネルギー準位を満たし始めるのに十分な電子があります。 8 つのエネルギー準位を持つ元素はまだ知られていません。

最初のエネルギー準位より上の各エネルギー準位には、サブ準位または軌道があります。軌道は s (シャープ)、p (主)、d (拡散)、f (基本) です。しかし、電子は s、p、d、f の順に直接満たされるわけではありません。それは簡単すぎます。あるエネルギー準位の軌道とその下にあるエネルギー準位の軌道との間には、ある程度の重なりがあります。たとえば、4 番目のエネルギー準位の電子は、4s、3d、4p の順で充填されます。 (よくイメージできない場合は、アメリカ化学会に周期表があり、さまざまな電子配置がどのように機能するかを確認できます。)

原子番号が増加し、1 つのエネルギー準位が満たされると、新しい期間が始まります。すべての元素を原子番号の昇順に並べると、周期表は整然とした標準用紙 1 枚以上に及ぶことになります。化学者のグレン・シーボーグが、ランタノイドとアクチノイドを取り出してテーブルの下に置き、よりコンパクトにすることを提案したのはそのためです。

最も外側のエネルギー準位の電子は、化学反応に関与する落ち着きのない電子です。したがって、新しい時代が始まるたびに、同様の化学的性質を持つ元素、つまり外側に電子が 1 つある元素、2 つ、3 つある元素などがあります。メンデレーエフは原子構造について知らなかったため、この周期性を予測できませんでした。しかし、柱についてはどうでしょうか？

周期表を裏付ける列

周期表を構成する列はグループと呼ばれ、合計 18 個あります。グループは、同様の化学的および物理的特性を持つ元素を示します。元素の約 80 パーセントは金属(熱と電気をよく伝導する光沢のある元素) で、元素の 15 パーセントは非金属(熱と電気の伝導性が低い) です。残りの元素は半金属であり、金属と非金属の両方の特性を共有します。これらの要素クリークのいくつかを見てみましょう。グループ メンバーが必ずしも 1 つのきちんとした列に収まっているわけではなく、テーブルの周囲に分散している場合があることを思い出してください。たとえば、水素はグループ 1 のアルカリ金属に属するように見えますが、実際には非金属の仲間を好みます。

リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属(グループ 1 または IA) は反応性が高く、通常は自然界に自由に存在することはありません。この名前は、水酸化ナトリウムや灰汁などの高アルカリ性物質を生成する水との化学反応に由来しています。それらは 1 つの価電子(または原子核から最も遠い最外電子) を持っており、化学反応で放棄されます。ナトリウムガスは街路灯を満たしており、ナトリウム液体は特定のタイプの原子炉内で熱を伝達するために使用されます。

アルカリ土類金属(2 族または IIA) には、特にマグネシウム、カルシウム、バリウムが含まれます。これらの元素には 2 つの価電子があり、化学反応で生成されます。これらはアルカリ金属よりも反応性が低いですが、通常、自然界に単独で存在することはありません。たとえば、カルシウムは炭素と結合して炭酸カルシウムを作り、石灰石、大理石、貝殻を構成します。歯や骨もカルシウム化合物でできています。ベリリウムは、宝石のアクアマリンやエメラルドに見られる輝きに貢献します。

ラタノイドおよびアクチノイド(グループ 3 または IIIB) には、光沢のある金属 (ランタニド系または希土類元素) と放射性元素 (アクチニド系) が含まれます。ランタノイドは地球の地殻に豊富に存在しますが、その化合物から分離するのは困難です。アクチノイドはすべて放射性ですが、天然に存在するのはアクチニウム、トリウム、プロトラチニウム、ウランだけです。他のアクチノイドは原子炉や粒子加速器で作られます。

遷移金属(4 ～ 12 族または IB、IIB、および IVB ～ VIIIB) はすべて天然に存在する光沢のある金属ですが、1 族や 2 族よりも反応性が低くなります。最も外側の s 軌道と内側の d 軌道の電子は、化学反応に関与する可能性があります。反応。これらには、鉄、ニッケル、クロムなどの私たちが通常金属と考える元素や、金、銅、銀、プラチナなどの貴金属が含まれます。

金属はほとんどが 13 族 (IIIA) にあり、一部は 14 ～ 16 族 (IVA ～ VIA) にあります。金属には、アルミニウム、錫、鉛、ビスマスなどがあります。金属は、グループ 1 およびグループ 2 の金属よりも硬く、密度が高くなりますが、遷移金属よりも柔らかく、密度が低くなります。それらのほとんどは自然界では化合物として存在しますが、アルミニウムのように精製されると自由に存在できます。

希ガス(18 族または VIIIA 族) には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンが含まれます。もちろん、ヘリウムは風船や飛行船に充填されます。ネオン、アルゴン、キセノンは照明に使用されます。ラドンは地球からの放射性崩壊の生成物であり、土壌を通って家の中に侵入します。希ガスは他の元素と化学反応しないため、不活性ガスとも呼ばれます。なぜだめですか？最高エネルギー準位の軌道は電子で満たされています。このように満足すると、それらは他の元素と価電子を受け取ったり共有したりしなくなる傾向があります。

まだ完全には終わっていません。半金属と非金属がこのグループを締めくくります。非金属は、価電子を互いに共有したり、金属から価電子を奪ったりすることによって化合物を形成できます。非金属の 1 つのグループ (17 または VIIA) は反応性が高く、ハロゲン(フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、アスタチン) と呼ばれます。

このすべての情報は、地球の元素間の傾向を検出するのにどのように役立つのでしょうか?

周期表の傾向

特定の元素がどのグループに属し、その原子構造がどのようなものであるかを知ることは便利ですが、周期表が教えてくれるのはそれだけではありません。これを見ていると、科学者たちが生涯を費やして苦労してきた研究を何気なく取り入れていることになります。そして、テーブル全体を見ると、ある要素が別の要素とどのように反応するかを示す大きな傾向がいくつか現れ始めます。

これらの傾向を確認する前に、化学について簡単に要約しておくとよいでしょう。まず、金属は非金属と反応してイオン性化合物を形成します。非金属原子は、金属原子から 1 つ以上の価電子を受け取ります。原子が価電子を獲得または失うと、イオンが形成されます。電子より陽子が多いイオンは正に帯電しており、（金属に由来する）カチオンと呼ばれます。陽子よりも多くの電子を持つイオンはマイナスに帯電しており、陰イオン（非金属に由来する）と呼ばれます。最終的に、両方のイオンは完全な外側のエネルギー準位を持ちます。第二に、非金属は電子を共有する傾向があり、両方の原子が完全な外部エネルギー準位を持つようになります。それらは共有結合性化合物を形成します。しかし、どの元素がどの元素と反応してイオン性または共有結合性の化合物を生成するかをどのようにして知るのでしょうか?それはいくつかの要因によって決まります。

• イオン化エネルギー: 最初の価電子を剥ぎ取るのに必要なエネルギー量
• 電気陰性度: 原子がその価電子をどれだけしっかりと保持しているかを示す尺度
• 核電荷: 原子核内の正の陽子とエネルギー準位内の負の電子の間の引力。陽子が多ければ多いほど、核電荷は大きくなります。
• 遮蔽: 内部の電子は、原子核の引力から外部の電子を遮蔽する傾向があります。価電子と原子核の間のエネルギー準位が多いほど、遮蔽も大きくなります。

これらの要素が 2 つの元素がどのような種類の化学反応を起こすかを予測するのにどのように役立つかを見てみましょう。

周期表を見ると、イオン化エネルギーは列を下に移動すると減少し、周期を左から右に移動すると増加する傾向があります。グループ 1 および 2 (左側) とグループ 16 および 17 (右側) の元素を比較すると、最初のグループの元素はイオン化エネルギーが低く、原子価を保持しないことがわかります。電子が密接に結合し、カチオンを形成する傾向があります。したがって、グループ 1 とグループ 2 の元素はイオン性化合物を形成する傾向があります。

イオン化エネルギーと同様に、電気陰性度は列を下に行くにつれて減少し、期間を左から右に横切るにつれて増加します。したがって、フッ素はリチウムよりも別の元素から電子を奪う可能性が高くなります。 2 つの元素間の電気陰性度の違いにより、それらが電子を交換する (イオン性化合物) か電子を共有する (共有結合性化合物) かが決まります。イオン化エネルギーと電気陰性度の傾向を使用して、2 つの元素がイオン性化合物を形成するか共有結合性化合物を形成するかを予測できます。

最後に、核電荷はテーブルを横切って下に進むにつれて増加しますが、遮蔽は期間全体にわたって一定のままですが、列を下るにつれて増加します。これらの傾向から原子サイズがわかります。原子とイオンは柱の下に行くにつれて大きくなります。これは、遮蔽効果が核電荷の効果を上回るためであり、そのため原子核と電子の間の引力が弱くなり、原子のサイズが拡大します。対照的に、核電荷効果が遮蔽効果を上回るため、周期を越えるにつれて原子は小さくなり、原子核と電子の間の引力が大きくなり、原子のサイズが小さくなります。

たった 1 枚の紙にこれほど多くの情報が含まれるとは信じられません。

彼は大当たりすると思った。 1576 年、このイギリスの探検家で合法的な海賊が、敵の宝船を略奪することを国王から認可されていたのですが、大西洋と太平洋を結ぶ未発見の北極航路である北西航路を目指していました。

彼は代わりに、ラブラドル、カナダ、そして現在のフロビッシャー湾を見つけました。しかし数週間後、彼は西へ航海し、氷の海に到達し、そこで金のはがれたように見える鉱物サンプルを採取した。しかし、そうではありませんでした。王立鑑定人によると、この輝く破片は「」としても知られる黄鉄鉱であると特定されませんでした。

それでもエリザベス女王の商人たちはフロビッシャーをバフィンに送り返し、そこで彼は 1,400 トン (1,270 トン) の鉱石を集めて出荷しました。そのほとんどは ;テストしたいくつかのサンプルでは、​​金の含有量はわずか 5 ～ 14 ppb でした。

フロビッシャーはバフィンを捨てて再び探検に行きたいと切望していましたが、北極の宝物を探すために何年も無駄に費やしました。それもすべてあの黄鉄鉱のせいだった。

元素と化合物

船長も同情してくれるかもしれない。イングランド初の北米永住地ジェームスタウンの指導者として、彼は常に新世界の「金」に騙され続けていましたが、その金は――ご想像のとおり――黄鉄鉱であることが判明しました。

そこで、あなたが探鉱者、あるいは単に聡明な現場地質学者だとしましょう。パイライトの策略を避けるにはどうすればよいでしょうか？

本題に入る前に、そもそも黄鉄鉱とは何なのかを説明しておいた方が良いかもしれません。

本物の金は、電気分解や加熱などの通常の化学プロセスでは分解できない物質です。教室の周期表が手元にある場合は、プラチナと水銀の間にある金を探してください。

金の化学記号は「Au」（元素のラテン語名「」に由来）です。これを覚える楽しい方法は、「あ！う！金を返して！」と自分に言い聞かせることです。エンターテイメントの価値を最大限に高めるには、ブルックリンのアクセントを使用してください。

パイライトは違います。金とは異なり、鉄と硫黄という 2 つの異なる元素で構成される化合物です。そのため、「」という名前で呼ばれることがよくあります。

科学者は黄鉄鉱の化学式を「FeS ₂ 」と表記します。ご存知のとおり、鉄と硫黄の化学記号は、それぞれ「Fe」と「S」です。そして、各黄鉄鉱分子には 2 つの硫黄原子とともに 1 つの鉄原子が含まれています。

乱暴な遊び

金と黄鉄鉱を区別することは、自分が何をしているのかを知っていれば、実際にはそれほど難しくありません。オリンピックを見たことはありますか？そうすれば、世界クラスのアスリートたちがカメラの前で金メダルをかむのが大好きだということがわかるでしょう。 （真剣に、それは起こります。）

この習慣は、金貨を噛んで偽物かどうかを確認できるという古い信念に由来しています。おそらく、金の含有量が多いコインをかじると、噛み跡が残ると考えられています。

しかし、真実はそうですが、この習慣には実際に根拠があります。宝石や鉱物の硬度を評価する では、金には が付いています。要素が進むにつれて、それはかなり柔らかいので、金塊はポケットナイフで簡単に傷をつけることができます。

ここではパイライトが有利です。それは少し難しく、モーススケールに相当します。ナイフのことは忘れてください。これをスクラッチするには高品質が必要です。

スチールハンマーもゲームを台無しにするツールです。これらの美しいものを黄鉄鉱にぶつけると、 が送信されます。十分に粘り強く続けると、黄鉄鉱は粉々になり、最終的には粉末になります。

ハンマーで金を叩く場合には、そのようなことは起こりません。火花も粉も出ません。代わりに、サンプルだけで終わってしまう可能性があります。金は柔らかいだけでなく、順応性にも優れています。

私がどのように輝くかを見てください

視覚的には、どちらの素材も黄色がかっていますが、色合いはゴールドの方が真鍮っぽくありません。また、黄鉄鉱のように立方体状の結晶を形成しません。それどころか、現場で遭遇する金のほとんどはいずれかの形をとります。

また、金は磁器や白いセラミックタイルとこすられると黄色い縞が残ります。黄鉄鉱でも同じ実験を繰り返すと、より濃い緑がかった黒色の線が残ります。

まだ疑問がある場合は、鼻が知っています。金はほぼ無臭ですが、黄鉄鉱にはかすかな臭いがあり、腐った卵のような臭いがします。 （繰り返しますが、硫黄が含まれています。）

しかし、物事が混乱しやすいのは、金や黄鉄鉱が時々見つかることです。フロビッシャーの鉱石には、ほんのわずかではあるが、本物の金が含まれていたことを思い出してください。

「本物の」金がなかなか手に入らないとしても、絶望しないでください。愚者の黄金は全く役に立たないわけではありません。すでに述べたように、火花を生成するために使用できます。そのため、黄鉄鉱は古代および先史時代の社会において貴重な商品となりました。実際、「黄鉄鉱」という言葉自体は、「」を意味するギリシャ語に由来しています。

明日は硫化鉄に対する新たな評価が起こるかもしれない。 2020年、ミネソタ大学の科学者たちは、電圧とイオン溶液を使用して、黄鉄鉱を.この画期的な進歩は、将来的には低コストの硫黄ベースの太陽電池につながる可能性があり、グリーン エネルギー業界における愚か者の金に明るい未来を与えます。

1952 年 11 月 1 日、米軍で働くアメリカ人科学者のチームが、「アイビー マイク」というコード名で呼ばれる奇妙な 3 階建ての建物のスイッチを入れました。それは世界初の水爆であり、日本に投下された原爆よりも新しい種類の核兵器でした。

爆弾実験は南太平洋のマーシャル諸島にあるエニウェトクという小さな環礁で行われた。アイビー・マイクが爆発すると、TNT火薬1,040万トンにほぼ相当する が放出された。比較のために、広島に投下された爆弾はわずか（15,000トンのTNT）を生成しました。

この爆発によりエニウェトク環礁は完全に蒸発し、幅3マイル（4.8キロメートル）のキノコ雲が発生した。防護服を着た作業員が近隣の島から降下物を収集し、分析のためカリフォルニア州バークレー研究所（現ローレンス・バークレー国立研究所）に送り返した。そこでは、アルバート・ギオルソ率いるマンハッタン計画の研究チームが、99個の陽子と99個の電子を含む真新しい元素を単離した。

1955 年、研究者らはその発見を世界に発表し、科学の英雄にちなんでアインスタイニウムと名付けました。

大きくて不安定

アインスタイニウムは、カリフォルニウムやバーケリウムなどの他の非常に重い放射性元素とともに、周期表の原子番号 99 を占めています。いくつかの放射性元素、特にウランは、地球の地殻に意味のある量（2.8ppm、 ）で存在します。しかし、アインスタイニウムを含むさらに重い元素は、水素爆弾を爆発させるか、原子炉内で亜原子粒子を衝突させることによってのみ人工的に作り出すことができます。

元素を放射性物質にするものは何ですか?アインスタイニウムと周期表の最下位にあるその近隣物質の場合、それは原子の巨大なサイズであると、医用画像処理に使用される他の放射性元素を幅広く研究してきた製薬化学者のジョセフ・グリッチ氏は説明する。

「元素がある程度の大きさになると、原子核が非常に大きくなり、崩壊してしまいます」とグリッチ氏は言う。 「何が起こるかというと、中性子や陽子、電子を吐き出し、より低い元素状態にまで崩壊するのです。」

放射性元素が崩壊すると、アルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ線、その他の放射線の形をとる亜原子粒子のクラスターが放出されます。放射線の種類によっては比較的無害なものもあれば、人間の細胞や DNA に損傷を与える可能性のあるものもあります。

短い「賞味期限」

放射性元素が崩壊すると、異なる原子量を持つ異なる同位体も形成されます。元素の原子量は、原子核の中の中性子の数と陽子の数を加算することによって計算されます。たとえば、1952 年に南太平洋で収集されたアインスタイニウムは、アインスタイニウム 253 と呼ばれる同位体で、99 個の陽子と 154 個の中性子を持っています。

しかし、同位体は永遠に存在するわけではありません。それぞれに異なる「」が付いています。これは、物質の半分が新しい同位体またはより低位の元素に完全に崩壊するまでの推定時間を表します。アインスタイニウム 253 の半減期は です。一方、自然界に存在するウランの最も一般的な同位体であるウラン 238 の半減期は 44 億 6,000 万年です。

アインスタイニウムのような重放射性元素を研究室（研究室とは高度に特殊化された原子炉のこと）で合成する際の難しい点の 1 つは、大きな元素が非常に早く崩壊し始めることです。

「より大きな元素や同位体を作成するほど、それらを観察できるほど長く保持することがますます困難になります」とグリッチ氏は言います。

小規模ながら大きな進歩

だからこそ、化学の世界では、科学者のチームがこの超希少元素の化学的特性の一部を測定するのに十分な長さの短命アインスタイニウムのサンプルを保持することに成功したことがありました。

ローレンス・バークレー国立研究所のレベッカ・アーバーゲル率いる科学者らは、テネシー州のオークリッジ国立研究所で生成されたアインスタイニウム254の微量サンプルを辛抱強く待った。サンプルの重さは 250 ナノグラム、つまり 2,500 億分の 1 グラムで、半減期は 276 日でした。 2020年に新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックが発生したとき、研究は数か月間中断され、その間、サンプルの7パーセントが30日ごとに劣化した。

アバーゲル博士の躍進は、アインスタイニウム 254 の単一原子をその分子結合の長さや発光する波長などを測定するのに十分な長さの位置に保持できる分子「爪」の作成によってもたらされました。これらの測定値は両方とも、アインスタイニウムとその重質物質ががん治療などにどのように使用される可能性があるかを理解するために重要です。

今、あなたの周りにはアルカリ金属が存在しています。ナトリウムは食塩に、リチウムは携帯電話のバッテリーに、 カリウムはバナナに含まれています。

アルカリ金属とは何ですか?

アルカリ金属は、周期表の最初の列にある 6 つの異なる化学元素です。リチウム (Li)、ナトリウム (Na)、カリウム (K)、ルビジウム (Rb)、セシウム (Cs)、フランシウム (Fr) です。

アルカリ金属グループは、周期表の元素の S ブロックの一部であり、水素、ヘリウム、カルシウムなどとともに、S 軌道に最外殻電子を持っています。

アルカリ金属は、水や酸素との反応性が高い柔らかい金属です。とても柔らかいのでプラスチックナイフで切れます。また、銀のような光沢があり、熱と光の優れた伝導体です。

なぜアルカリ金属と呼ばれるのでしょうか?

アルカリ金属は水と反応すると強アルカリ性の物質を生成するため、このように呼ばれます。物質のpH、または酸を中和する能力を指します。アルカリ性の高い物質は、酸を中和して安定した pH レベルを維持できる強塩基を形成することがあります。

アルカリ金属をアルカリ土類金属と混同しないでください。

アルカリ金属の化学的性質

すべての元素には陽子と中性子からなる原子核があり、アルカリ金属も例外ではありません。原子核の周りには電子というマイナスの電荷を持った粒子があります。これらの電子は原子核の周囲に存在し、それぞれの原子核はさまざまな数の電子を保持できます。は電子を 2 つまで保持できます。 2番目は8まで。 3番目は18。そして4番目、32。これらの電子の殻と、アルカリ金属の反応性を高める仕組みです。

すべての原子は当然ながら、完全な外部電子セットを持つことを望んでいます。ただし、周期表の最初の列にある元素はすべて、最外殻に 1 つの電子を持っています。この外殻は価電子殻とも呼ばれ、そこに存在する電子は価電子と呼ばれます。

高反応性と低反応性

最外殻に価電子が 1 つだけあると、アルカリ金属原子が安定点に到達するのが非常に簡単になります。電子を 1 つ失うだけで済みます。平衡状態に到達するために電子を失いやすいこの意欲と容易さは、高い反応性として知られています。実際、化学における反応性は最外殻内の電子の数によって定義されます。

希ガス (ネオンやヘリウムなどの元素) は、最も外側の電子殻が満たされているため、あまり反応性がありません。化学者が原子が「希ガス配置」を実現したいと語るのはこのためです。

「アルカリ金属は価電子を 1 つしか持っていないため、通常、その電子を手放すことによってこの状態に達します。このプロセスでは、アルカリ金属は酸化され、アルカリ金属から電子を奪ったものはすべて還元されます。アルカリ金属は単一の価電子を手放すことを好みます」と、ペンシルベニア州イーストンにあるラファイエット大学の化学教授は言います。

「電子は -1 の電荷を持っているため、電子を失うと原子は +1 の電荷を持ちます。これが起こると、原子はイオンと呼​​ばれ、正の電荷を持つことになるため、カチオンと呼ばれます」したがって、すべてのアルカリ金属は、+1 の電荷を持つ陽イオンを生成することを好みます。」

自然界のアルカリ金属

アルカリ金属は容易に反応するため、通常、自然界では他の金属と結合して存在します。たとえば、塩化ナトリウム (食塩) と炭酸ナトリウム (ソーダ灰) は広く入手可能なナトリウム化合物です。

元素の反応性が高い場合、自然界でその純粋な形を見つけるのは難しくなります。

「これらの元素はすべて、化合物で最初に発見されました。そして、化合物の豊富さと使用のために、発見の一部は原因を特定するのが困難です」とナタロ氏は言います。 「周期表の下に行くほど、アルカリ金属は価電子を失う傾向が強くなり」、したがって「自然界に見られる元素の量も減少し、その結果、発見日が遅くなる」。

アルカリ金属はいつ発見されましたか?

リチウムは 1817 年にスウェーデンの化学者が鉱石を分析していたときに初めて発見されました。それらは、ドイツの化学者ロバート・ブンゼン（ブンゼンバーナーにその名を与えた）とグスタフ・キルヒホッフ（電流を考案した）によって、それぞれ1860年と1861年に発見された。現在知られているアルカリ金属の中で最も反応性の高いフランシウムは、1939 年にパリのキュリー研究所でフランスの科学者マルグリット ペレーによって発見されました。

非常に一般的な 2 つのアルカリ金属であるナトリウムとカリウムは、非常に長い間使用されてきたため、発見日は不明です。しかし、科学者たちは、有名な化学者ハンフリー・デイビーまで、純粋な元素を分離することができませんでした。ルビジウムは、ブンゼンとキルヒホッフによって 1928 年まで分離されませんでした。

アルカリ金属は激しく反応します。これらの元素は水素ガスの生成により焼けるように飛び回り、しばしば爆発します。周期表の下に行けば行くほど反応性が高まり、セシウムとフランシウムは非常に反応性が高いため、空気にさらされただけで爆発する可能性があります。また、周期表の下に進むにつれて、元素の原子半径が増加し、電気陰性度が減少し、融点と沸点が減少します。

アルカリ金属が空気や水に対してこれほど激しく反応するのであれば、アルカリ金属が自然界でどのようにして発見されたのか不思議に思うかもしれません。結局のところ、アルカリ金属のほとんどは、反応してその 1 つの価電子を失いたいという欲求が強いため、自然界ではイオンとして存在します。イオンの形では、金属の反応性ははるかに低くなります。

日常生活の中のアルカリ金属

アルカリ金属は、日常生活で非常に一般的ですが、生の元素の形では非常に珍しいため、興味深い化学的二重性を持っています。

たとえば、カリウムイオンとナトリウムイオンは必須栄養素です。電解質として、血圧と体内の体液バランスを調節します。純粋なナトリウム原子を店で購入することはできませんが、食卓塩 (塩化ナトリウム)、重曹 (重炭酸ナトリウム)、灰汁 (水酸化ナトリウム、別名苛性ソーダ) だけでなく、多くの食品にも含まれています。

カリウム塩 (塩化カリウム) は低血中カリウムの治療に使用でき、市販の肥料の重要な成分です。水酸化カリウムは石鹸液に使用されます。硝酸カリウム（硝石）は火薬の製造に使用され、また、ホットドッグやその他の加工肉にピンク色を与える優れた食品保存料でもあります。

リチウムは電池の製造に使用され、リチウム塩は気分安定薬として使用されます。

反応性の高い元素であるセシウム、ルビジウム、フランシウムは自然用途が少なくなります。セシウムは、原子時計、掘削、光学ガラスの製造など、高度に特殊な用途に使用されます。ルビジウムは医療画像処理や真空管に使用されます。フランシウムは非常にまれであり、商業用途はあまりありませんが、研究や一部の癌の診断に使用されています。

最後に、すべてのアルカリ金属は、化学の分野で非常に役立つ教材でもあります。教師たちは、アルカリ金属を水に落として反応性の原理を実証するのが大好きで、それが火を噴いて爆発するのをクラスの生徒が畏敬の念を持って見守るだけです。

貴金属は単に輝いていて魅力的なだけではありません。これらの元素は非常に価値があり、宝飾品からハイテク用途まで幅広い業界でよく使用されています。

しかし、何が貴金属を価値あるものにし、世界で最も高価な金属にまで押し上げたのでしょうか?希少性、用途、市場の需要などの要素がそれぞれ重要な役割を果たします。

貴金属が高価になる理由は何ですか?

貴金属は希少です、本当に希少です。鉄やアルミニウムなどの一般的な金属とは異なり、貴金属は発生する量が限られています。この希少性が、これらの金属が高価格で取引される主な理由の 1 つです。これらの金属の採掘と抽出は、多くの場合、困難で費用のかかるプロセスであり、その価値が高まります。

これらは地球上で最も希少な金属ですが、実用的な用途も数多くあります。これらのアプリケーションはその価値に大きく貢献します。

市場の需要も重要な要素です。貴金属の世界的な需要は、経済状況、技術の進歩、産業上のニーズに基づいて変動する可能性があります。

たとえば、環境規制の強化によりロジウムの需要が急増し、自動車における効率的な触媒コンバーターの必要性が高まりました。

白金族金属: 貴金属のサブセット

白金族金属 (PGM) には、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、ロジウムが含まれます。貴金属としては金や銀が最も有名ですが、実際に最も人気があるのはプラチナグループです。

それは主に、その信じられないほど機能的な特性によるものです。

これらの特性は、自動車、エレクトロニクス、宝飾品などのさまざまな業界で不可欠です。

それらは贅沢の象徴でしょうか？もちろん！しかし、それらは私たちの日常生活の一部でもあり、それは世界で最も高価な金属でさえも含まれます。

ロジウム: 地球上で最も高価な貴金属

ロジウムは白金族に属する銀白色の金属です。現時点では、地球上で最も価値のある貴金属でもあります。あなたの車には触媒コンバーターが搭載されていますか?そうすれば、あなたの人生には今すぐロジウムが取り入れられます。

世界で最も価値のある貴金属は、有毒ガスの排出と汚染物質の削減に役立ちます。そのため、世界の自動車産業は世界のロジウムのほぼ 80% を消費しています。需要が高く、供給が非常に限られているため、少なくとも比較的に、ロジウムは地球上で最も高価な金属となっています。

南アフリカはロジウムの主要生産国であり、世界供給量の約 80% を占めています。この金属は他の白金族金属と混合した鉱石で見つかることが多く、抽出するには大規模な処理が必要です。

その他の著名な生産国にはロシアやカナダがありますが、それらの生産量は南アフリカの生産量よりも大幅に低いです。

最も価値のある貴金属の他の 5 つの例

ロジウムは最も高価な金属としてトップの座を維持していますが、他のいくつかの貴金属も、その特殊な特性と入手可能性が限られているため、高価格で取引されています。ここでは他の 5 つの貴重な金属を紹介します。

1. イリジウム：耐食性貴金属

イリジウムは、高温でも優れた耐腐食性があることで知られています。この金属は空気、水、塩分、酸をほとんど通さないため、非常に耐久性があります。しかし、その硬さにより、使用可能な部品に加工することが困難になります。

このような課題にもかかわらず、イリジウムは合金を強化するための添加剤として、また点火プラグやるつぼなどの高温用途に使用されています。イリジウムの最大の鉱床は南アフリカとロシアで発見されており、ニッケルの副産物として採掘されています。

2. オスミウム: 最も密度の高い天然元素

オスミウムは硬く青白い金属であり、地球上で最も密度の高い天然元素です。密度と硬度が高いため、電気接点や万年筆のペ​​ン先などの特定の用途に価値があります。

イリドスレや、ウラル、北アメリカ、南アメリカなどの地域にあるプラチナを含む川砂に自然に発生します。

3. 金: 最も有名な貴重な金属

金はおそらくすべての貴金属の中で最もよく知られています。その歴史的重要性、文化的価値、さまざまな用途により、富と贅沢の基礎となっています。金の主な用途には、宝飾品、電子機器、金融資産などがあります。

4. ルテニウム：硬くて耐食性のある金属元素

ルテニウムも白金族金属の一種で、エレクトロニクス産業、特にチップ抵抗器で広く使用されています。化学産業では、塩素を生成する電気化学セルのアノードのコーティングにも使用されます。

鉱山労働者は、北アメリカと南アメリカの山々の鉱石からこの金属を掘り出す可能性が最も高くなります。

5. レニウム: 空を彩るプラチナ金属

レニウムは、航空宇宙産業で重要な高温超合金での使用で珍重されています。これらの超合金は、極限条件に耐える必要があるジェット エンジンの燃焼室、タービン ブレード、排気ノズルに使用されます。

レニウムは斑岩銅鉱山のモリブデン鉱から得られ、モリブデン処理の副産物として回収されます。レニウムの主な生産国には、米国、チリ、カナダ、ロシアなどがあります。

高価な金属が世界を動かす

主要な貴金属とその用途を理解すると、貴金属がなぜそれほど価値があるのか​​がわかり、自動車やエレクトロニクスから航空宇宙などのさまざまな業界における貴金属の重要性が浮き彫りになります。それぞれが独自の特性と用途を提供し、その高い価値に貢献します。

ロジウムはコストの点では食物連鎖の頂点に位置するかもしれませんが、現代生活の非常に多くの要素を促進するという点では、これらの金属のそれぞれが同様に重要です。一見ステータスシンボルのように見えるかもしれませんが、電子時代の必需品でもあります。

重要なポイント

あなたのお腹の痛みの治療法、アイシャドウ、そして自宅のスプリンクラーシステムの共通点は何ですか? 3 つすべてに、ビスマスと呼ばれる虹色の金属が含まれています。

科学博物館のギフトショップでそれらが販売されているのを見たことがあるかもしれません。ビスマスの結晶です。多くの場合、地球外の研究所で鍛造された小さなピラミッドのような形をしています。しかし、ビスマス金属が冷えるにつれて光沢のある虹色の階段状の結晶を形成するという事実は、その最良のトリックの 1 つにすぎません。ビスマスは、液体よりも固体の方が密度が低く、多くの金属とは異なり、熱と電気の伝導性が非常に悪く、ほとんどの重金属とは異なり、毒性がありません。

元素周期表の番号 83 にあるビスマスは、脆い銀色の金属で、地面で単独で見つかるか、スズ、銅、鉛、銀、金などの他の金属の化合物または鉱石に混合されます。実際、私たちはビスマスのためにビスマスをあまり採掘していません。主に、これらのより価値のある金属の採掘の副産物として常にビスマスが私たちの膝の上に落ちているからです。地球の地殻では金の約2倍一般的です。

ビスマスはおそらく古代メソアメリカとエジプトで使用されていましたが、紀元前 1400 年頃にヨーロッパで未知の錬金術師によって発見されました。錬金術師がよく行っていたように、おそらく錬金術師が鉛を金に変えようとしたのでしょう。しかし、古代西洋の錬金術師は私たちの化学の理解に多大な貢献をし、この青白く重く乳白色の融点の低い金属が何であるかを正確に知っていた人は誰もいませんでしたが、彼らはすぐにそれを物品の装飾に使い始めました。しかし、ビスマスと鉛の違いを明確に区別できるようになるまでには数百年かかりました。ビスマスと鉛は 1753 年にフランスの化学者クロード フランソワ ジェフロワによって別のものであると特定されました。

ビスマスはどのように使用するのですか?

ビスマスは豊富にあるので、それを使った材料が見つかります。便利なことの 1 つは、これは無毒であり、発がん性物質として知られていないため、塗料や化粧品などに入れることができることです。例えば、ビスマスは酸化すると黄色になるため、化粧品や塗料の黄色顔料として酸化ビスマスが使用されています。酸化塩化ビスマス(III)は、化粧品にパール効果を与えるために使用されます。

ビスマスは融点が低いため、スプリンクラー システムで一般的に使用されます。燃えている建物内で上昇する熱により、スプリンクラーのビスマス プラグが融点 (華氏 520.52 度または摂氏 271.40 度) まで温まると、金属が溶けて飛散物が放出されます。炎に水をかけてください。ビスマスの産業用途の約 3 分の 1 はスプリンクラー システムが占めていますが、現在では配管、散弾銃のペレット、釣り具、はんだ付け、その他かつては有毒な鉛で作られていたものにも使用されています。

ビスマスの名声: ペプトビスモル

おそらくビスマスの最も奇妙な用途は、人気のある市販の胃薬への使用でしょう。そうです、胸やけを治療するミントの味のピンク色のものには、1回あたり4分の1グラム以上含まれています。ペプトビスモールは 80 年間製造されており、制酸薬に関する限り、主な有効成分の 1 つが (BSS) であるため、非常にユニークです。

ほとんどの制酸薬は、胃酸を中和するために重曹、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、または炭酸カルシウムなどの塩基に依存しています。それらはすべて作用が少し異なりますが、基本的にベースが胃に当たるとすぐに痛みの原因となる酸に対抗し始め、酸の一部をガスに変換してゲップをします。制酸薬の中には、塩基のみを含むものもあります。たとえば、タムスには炭酸カルシウムのみが含まれています。一方、アルカセルツァーのような制酸薬には、塩基とアスピリンなどの鎮痛剤が含まれているものもあります。ペプトビスモールには塩基性炭酸カルシウムが含まれていますが、鎮痛剤はBSSです。これもまたユニークな選択でした。これを含む薬剤はおそらく市場には他に数種類しかありません。

鎮痛剤として 1700 年代頃から使用されており、長い間アスピリンの方がはるかに人気がありましたが、ペプトビスモルの持続力はそれが効果があることを示しています。 BSS は化学的にアスピリンに似ており、どちらも体内で同じ化合物に分解され、抗炎症作用と鎮痛作用の両方を備えているためです。しかし、BSS には、よく理解されていない他の効果もありますが、胃腸管を助けると思われるため、消化不良だけでなく下痢の治療にも使用できます。

ペプトビスモルにはかなり高濃度のビスマスが含まれており、数時間あれば実際にビスマスを摂取できるほどです。さらに、数日など、さらに時間があれば、それを使って自宅で金属ビスマスの結晶を成長させることができます。それはいくつかの基本的な化学実験器具を必要としますが、それは明らかです：たとえ何かが未来の月の洞窟でエイリアンによって栽培されたように見えたとしても、それは単に誰かのキッチンラボから来たものである可能性があります。