元素周期表

元素周期表(the periodic table of the elements)

 

元素は、宇宙のすべてのものに対して、性質を与える最小要素として、現在までののところ118元素が確認されています。もちろん元素も電子や陽子、中性子、さらにはこれらの粒子も、さらにいくつかの構成要素からなっていますが、実用上は元素の組合せによって、あらゆるものができているといえます。

地球上で自然界で発見された89元素と、人工合成により発見された29元素の合計118個の元素が確認されています。2017年には113番目の元素として日本人が発見者として認定され、命名権を獲得しました。

材料、特に金属材料では、その性質を考える上で、成分元素の種類や量の情報はとても重要です。化合物としての性能はもちろん、元素単体の性質も考慮して置く必要があります。

ここでは、生産財特に機械関係の生産財にとって重要な元素からピックアップして、少しだけですが詳しい情報をまとめていきたいと考えます。

 

 

水素:
全ての元素の中で最も軽い元素。2つの元素が結合して、水素分子H2になります。水素分子は、常温、常圧では、無色、無味、無臭の気体です。
金属学的には、水素ぜい性の問題が重要です。

 

ヘリウム:

 

 

リチウム:
融点:180.5 ℃  沸点:134 ℃  密度:0.534 gr/cm3(室温付近)
/元素名の由来:ギリシャ語で「石」を意味する「リチオスλιθoς(lithos)」。リチウムが鉱石(リシア輝石と葉長石)から見つけられたことによります。
/白銀色の軟らかい金属で、すべての金属元素の中で最も軽く、比熱容量は全固体元素中で最も高いです。
アルカリ金属に属しますが、化学的な性質は、アルカリ度類金属に類似しています。天然に存在するリチウムは、安定同位体の6Liと7Liからなっていますが、これらは中性子の衝突などによる核分裂反応を起こしやすいため恒星中で消費されやすいため、原子番号の近い他の元素と比較して存在量は著しく少ないです。
/リチウムの用途は、2011年の推定(USGS)によると、陶器およびガラス;29%、電池;27%、潤滑グリース;12%、以下鋳造や空調用途が続いています。
/窯業の分野では、耐熱陶器に使われたり、釉薬の融点を下げた流動性を高めるための媒溶剤として用いられます。また、耐熱ガラスや光学ガラスの配合剤にも使われます。例えばパイロセラムとしてガラスセラミックスが耐熱容器として知られています。
/最近、急激の伸びてきたのが電池の分野です。一次電池にも使用されますが、特に二次電池としてリチウムイオン(Li-ion)電池が、他の二次電池、例えばニッケルカドミウム(Ni-Cd)電池やニッケル水素(Ni-H)電池に置き換わっています。その理由はリチウムはイオン化傾向が大きく、金属中では最も密度が小さいです。リチウムイオン電池はニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池と比較すると同じ重さでおおよそ3倍の電圧3.7Vを発生させます。また、従来の電池では完全に使い切らないで充電すると電池容量が小さくなるメモリー効果がありますが、リチウムイオン電池ではそれがほとんどありません。さらに-20~60℃の幅広い範囲で使用できます。
リチウムイオン電池の構造は、陽極と陰極その間にセパレータの3層構造になっています。陽極にはコバルト酸リチウム、陰極には黒鉛系の材料を使用し、リチウムが水と激しく反応することより電解液には有機溶媒を使用しています。
充放電の仕組みは以下のようになります。充電時は陽極のリチウムが電子を放出してリチウムイオンとなって溶出して、陰極の炭素の層間に潜り込みます。逆に放電時は、リチウムイオンが陽極に戻るだけで、充放電ではリチウムイオンが移動するだけです。

ベリリウム:

 

 

ホウ素:

 

 

炭素:

 

 

窒素:
融点:-209.9℃  沸点:-195.8℃  密度:気体;1.2506×10-3 gr/cm3 固体;1.026 gr/cm3
/元素名の由来:窒素;窒素のみでは息するから(本当?)。Nitrogen;ギリシャ語で「硝石を生じるもの」の意味
/大気中に窒素は約78 vol%が含まれています。人は直接窒素を利用することはできませんが、人体に必要不可欠な元素です。からだの構成要素であるタンパク質を形成するアミノ酸は窒素が重要な構成要素です。
/空気中の窒素分子を原子状にして生物に取り込める化合物に変えることを窒素固定といいます。自然の状態では、マメ科植物の根粒に共生するバクテリアがその役目を担います。バクテリアは空気中の窒素を固定してアンモニアを生成します。このアンモニアを酸化させて亜硝酸、亜硝酸イオンに変換され、植物に取り込まれます。植物の中でタンパク質などの材料になります。これが動物に捕食されることになります。
/20世紀初頭にハーバーおよびボッシュにより人工的にアンモニアを生成させることに成功しました。これにより植物の成長に必要な窒素肥料が空気から生産されるようになり、農産物の収量が飛躍的に向上しました。
/光化学スモッグの原因となる一酸化窒素(NO)は、血管の拡張作用があります。そのためからだの循環器系や脳神経系、消化器系、生殖器系、免疫系など隅々に作用します。
/鋼への影響については、Cと同様に侵入型固溶体として固溶します。過剰の窒素は歪時効の原因になります。しかし、適量な窒素はAl,Nb,Tiと窒化物を生成し、結晶粒を微細化して靭性を向上します。

酸素:
融点:-218.8℃  沸点:-183.0℃  密度:気体;1.429×10-3 gr/cm3 固体;1.53 gr/cm3

 

フッ素:
融点:-218.6℃  沸点:-186.1℃  密度:気体;1.696×10-3 gr/cm3 
/フッ素は電気陰性度が最も大きい元素です。そのため、フッ素の反応性は非常に高くて、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)以外のすべての元素と反応します。
/電気陰性度は元素により決まっています。目安として2より大きいものは非金属元素(陰性元素)、2より小さいものは金属元素(陽性元素)になります。非金属元素同士の結合で、原子の電気陰性度の差が0ならば100%の共有結合となります。酸素分子や窒素分子のように、同じ原子同士の結合では分子の偏りが無く無極性分子と呼ばれます。一方、フッ化水素(HF)は共有される電子がフッ素側に引き付けられ分子内に電気的な偏りができます。この偏りを極性といい、このような分子を有極性分子と呼ばれます。
/有極性分子は電気的な偏りがあり分子間引力が生まれます。同じ分子量の無極性分子と比較すると、沸点や融点が高い場合が多いです。

ネオン:
融点:-248.61℃  沸点:-246.06℃
密度:気体;0.89994×10-3 gr/cm3  液体;1.2073 gr/cm3  固体;1.444 gr/cm3

 

ナトリウム:

 

 

マグネシウム:
融点:648.8℃  沸点:1090℃  密度:1.738 gr/cm3 
/最大の特徴は軽量であることです。同じ体積で比較すると、アルミニウム(Al)の2/3、鉄(Fe)の2/9の質量です。強度的にも優れており、鉄鋼と同じ強さをマグネシウム合金では1/4の質量で実現します。
/マグネシウムは比熱も小さいです。電子機器には発熱するものが多数あり、放熱性の良さからノートPCの筐体に多く使われます。さらに電磁シールド性に優れている点、リサイクルの容易さもよく使われるゆえんです。
/弱点は非常に錆びやすいことです。したがって、ノートPCなどのモバイル機器の筐体はマグネシウム合金にコーティング剤が塗布されています。

アルミニウム:
融点:660.4℃  沸点:2470℃  密度:2.698 gr/cm3 
/アルミニウムは、地表では酸素(O)、ケイ素(Si)に次いで3番目に多く存在する元素です。しかし、自然界で産出する酸化アルミニウム(Al2O3)は極めて安定な物質ですので、金属として単離されるのは近代になってからです。
/アルミニウムを最初に単離したのは、エルステッドで1825年のことです。しかし純度は極めて低いものだったとされています。1827年にはウェーラーがナトリウム(Na)を用いてかなり純度の高いアルミニウムを得ましたが、当時はナトリウムの価格が高いためアルミニウムも非常に高価で、1860年代ごろは金食器より高価な食器として用いられたとのことです。
/アルミニウムの工業的な生産は、1825年ホールとエールとがそれぞれ独自に電解法といわれる製造方法を発明したときにはじまりました。このホール・エール法は、溶融させた氷晶石(フッ化アルミニウムナトリウム)中でアルミナ(酸化アルミニウム)を電気分解することで金属アルミニウムを析出させる方法です。この方法は、非常に電力を使用するので、アルミニウムは”電気の缶詰”といわれることもあります。
/アルミニウムは純アルミニウムとしての使用より、合金として使用されることが多いです。アルミニウム自身は軟らかい金属ですが、さまざまな元素を添加することにより強度や、硬さ、じん性、耐食性が高まります。
/アルミニウム合金で有名なものは、ジュラルミンがあります。ジュラルミンはアルミニウム95%に銅(Cu)4%、マグネシウム(Mg)0.5%、マンガン(Mn)0.5%を添加した合金です。さらにこのジュラルミンにケイ素(Si)を添加し、マグネシウムの比率を高めた超ジュラルミン、さらに超ジュラルミンに亜鉛(Zn)やクロム(Cr)を添加した超々ジュラルミンは1940年に日本で開発され、ゼロ戦の翼に使用されました。

ケイ素:

 

 

リン:

 

 

硫黄:

 

 

塩素:

 

 

アルゴン:

 

 

カリウム:

 

 

カルシウム:

 

 

スカンジウム:

 

 

チタン:
銀灰色の金属。融点 1668℃ 沸点 3287℃、密度 4.51gr/cm3
/チタンの質量は鉄とアルミニウムの中間で、強度は炭素鋼と同じ程度。質量当たりの強度は、鉄の約2倍、アルミニウムの約6倍です。
/酸に対しては鉄よりも安定。海水中では白金に次いで耐食性に優れます。ほかの主要金属と比較して耐食性に優れ、軽くて強くバランスに優れた金属です。また、熱伝導率は銅の4.4%、電気抵抗は鉄の5倍以上あります(表1)。

/クラーク数は10番目、金属元素の中では、アルミニウム、鉄、マグネシウムに次いで4番目の埋蔵量です。金属として有用ですが、地表では二酸化チタン(TiO2)という酸化物の状態で存在するため、金属として純粋にチタンとして抽出するのは、複雑な処理が必要となります(クロール法)。

/用途
・金属材料:航空機のエンジンや気体など、軽量化が必要でしかも強度が必要な用途に使用されます。また、化学プラントでは耐食性に優れる性質から機器や配管部品に使用されます。管理者の個人的な経験ですが、ポンプの接液部品(ケーシングやインペラ)にチタンを使用したポンプを何度か設計しました。補助配管をケーシングに現場溶接で取り付けることは、炭化物や窒化物を生成してしまうことより、真空チャンバを持った専門業者に、溶接を依頼する必要がありました。
また、チタンとニッケルとを同量、配合した合金は形状記憶合金になります。形状記憶合金というのは、通常の金属は変形する際に、結合していた原子が、別の原子と結合するのに対して、原子の結合を保持して周りの原子とともに位置をずらします。変形したものがある温度以上に加熱すると、元の状態に戻ります。微少量、コバルトや銅を添加すると記憶合金温度を変更させることができます。
・顔料:二酸化、チタンはチタンホワイトとも呼ばれ化粧品や印刷インクに用いられます。

  ORG:2020/04/01

バナジウム:

 

 

クロム:

 

 

鉄:
主な用途は、
・鉄鋼材料:特に産業革命以降は、産業に欠かせない元素です。
・合金材料:
 ・磁性材料:
・体内の必須元素:赤血球に含まれるヘモグロビン中の鉄イオンを利用して、酸素を運搬しています。
・顔料:赤色のベンガラは有名ですが、青色のプルッシャンブルーの色も鉄イオンによります。

コバルト:

 

 

ニッケル:

 

 

銅:

 

 

亜鉛:

 

 

ガリウム:

 

 

ゲルマニウム:

 

 

ヒ素:

 

 

セレン:

 

 

臭素:

 

 

クリプトン:

 

 

ルビジウム:

 

 

ストロンチウム:

 

 

イットリウム:

 

 

ジルコニウム:
銀白色の外観。チタン族元素、遷移金属。
密度 6.52gr/cm3、融点 1852℃
常温で酸、アルカリに対して安定。耐食性有り。
空気中で酸化被膜を形成して耐食性があります。高温では、酸素、窒素、水素、ハロゲンなどと反応して、多様な化合物を形成します。

ニオブ:

 

 

モリブデン:

 

 

テクネチウム:

 

 

ルテニウム:

 

 

ロジウム:

 

 

パラジウム:

 

 

銀:

 

 

カドミウム:

 

 

インジウム:

 

 

錫:

 

 

アンチモン:

 

 

テルル:

 

 

ヨウ素:

 

 

キセノン:

 

 

セシウム:

 

 

バリウム:

 

 

ランタン:

 

 

セリウム:

 

 

プラセオジム:

 

 

ネオジム:

 

 

プロメチウム:

 

 

サマリウム:

 

 

ユウロピウム:

 

 

ガドリニウム:

 

 

テルビウム:

 

 

ジスプロシウム:

 

 

ホルミウム:

 

 

エルビウム:

 

 

ツリウム:

 

 

イッテルビウム:

 

 

ルテチウム:

 

 

ハフニウム:

 

 

タンタル:
融点:2996℃  沸点:5425℃  密度:16.645 gr/cm3
/タンタルは人体に最もなじむ金属ともいわれており、頭蓋骨を骨折したときにふさぐ板や、骨通しを締結するボルト、切れた人体を縫い合わせる糸などに用いられます。
/炭化タンタル(TaC)は、融点が約4000℃と高く、電気や熱の伝導性を持っています。また、炭化タンタルが変態すると、ダイヤモンドより硬い物質が得られます。
/タンタルの酸化物である、五酸化タンタルは絶縁性が高いため、これを利用してタンタル電解コンデンサが製作されています。タンタル電解コンデンサは、小型化が可能でアルミ電解コンデンサの約60分の1の大きさで同じ程度の性能のものが得られます。この他、周波数特性や温度特性に優れており、スマートフォンの小型化に寄与しています。
/個人的な思い出ですが、一番最初に所属していた会社で、タンタル製のポンプを製作した際に設計に関与した思い出があります。

タングステン:
融点:3410℃ 沸点:5660℃  密度:19.300 gr/cm3
/タングステンは、すべての金属の中で最も融点が高いです。また最も熱膨張もしにくく、最も蒸気圧が小さい物質です。白熱電球のフィラメントに使われているのが有名です。タングステン製のフィラメントは、ゼネラルエレクトリック(GE)社の研究者、クーリッジにより発明されました(1908年)。このランプは”MAZDA LAMP”と名付けられました。この”Mazda” はゾロアスター教の光の神”Ahura Mazda”に由来しています。
/炭素との化合物の炭化タングステン(WC)は、非常に硬く工具に使われます。

レニウム:

 

 

オスミウム:

 

 

イリジウム:

 

 

白金:

 

 

金:

 

 

水銀:

 

 

タリウム:

 

 

鉛:

 

 

ビスマス:

 

 

ポロニウム:

 

 

アスタチン:

 

 

ラドン:

 

 

フランシウム:

 

 

ラジウム:

 

 

アクチニウム:

 

 

トリウム:

 

 

プロトアクチニウム:

 

 

ウラン:

 

 

ネプッニウム:

 

 

プルトニウム:

 

 

アメリシウム:

 

 

キュリウム:

 

 

バークリウム:

 

 

カルホニウム:

 

 

アインスタイニウム:

 

 

フェルミウム:

 

 

メンデレビウム:

 

 

ノーベリウム:

 

 

ローレンシウム:

 

 

ラザホージウム:

 

 

ドブニウム:

 

 

シーボーギウム:

 

 

ボーリウム:

 

 

ハッシウム:

 

 

マイトネリウム:

 

 

ダームスタチウム:

 

 

レントゲニウム:

 

 

コペルニシウム:

 

 

ニホニウム:

 

 

フレロビウム:

 

 

モスコビウム:

 

 

リバモリウム:

 

 

テネシン:

 

 

オガネソン:

 

 

 

 

 

参考文献
アイメディア社HPねとらぼ:http://nlab.itmedia.co.jp/nl/articles/1601/02/news012.html  他

引用図表
⾼知県⽴⼤学 化学研究室製 元素周期表を元に追加

 

ORG:2018/3/1