6章 金属結合 12/21、1/11 復習と目的 ●典型金属元素(アルカリ、アルカリ土類、Al 他)、遷移元素（金、銀、銅、鉄、Cr, Mn, Ni 他）とその性質、金属結合の特性と金属物質の性質を概説する。 ●電子が結晶の中を動きやすい状態にあり、金属の種類によって柔らかさや融点に大きな幅がある。 ●BiやTeのような半金属は金属と共有結合結晶の中間である。
元素質量比 太陽系：水素70.7% He27.4% Li-U 1.9% 地殻 順 元素名 クラーク数 １ 酸素 oxygen 49.50％ 2 ケイ素 silicon 25.80 3 アルミニウム aluminum 7.56 4 鉄 iron 4.70 5 カルシウム calcium 3.39 6 ナトリウム sodium 2.63 7 カリウム potassium 2.40 8 マグネシウム magnesium 1.93 9 水素 hydrogen 0.83 10 チタン titanium 0.46
元素（典型元素＋遷移元素） 遷移元素：「完全に満たされていない（閉殻していない）d軌道を持つ元素、あるいは完全に満たされていないd軌道を持ったイオンを生成する元素」 ●典型金属元素(典型元素の中の金属元素) 1族 アルカリ(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) 2族 アルカリ土類(Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) 12族 Zn (3d104s2), Cd(4d105s2), Hg(5d106s2) 13族 Al, Ga, In, Tl 14族 Ge, Sn, Pb 15族 Bi 16族 Po 第12族元素（亜鉛族元素）は化学的性質が典型元素の金属に似ており、またイオン化してもd軌道が10電子で満たされ閉殻していることから日本では一般に典型元素に分類されるが、遷移元素に分類される例も多く見られる。
金属原子Mはｎ個の電子を出し金属イオンMn＋となり、放出された電子は自由電子として、結晶格子中を動き廻る。 金属結合 金属原子Mはｎ個の電子を出し金属イオンMn＋となり、放出された電子は自由電子として、結晶格子中を動き廻る。 金属結晶中 M → Mｎ＋ ＋ ｎe- ＋ －
抵抗 温度 金属の特性 ●展性・延性 １ｇの金 2800ｍ ●金属光沢 ●金属的伝導性 伝導度（s = 1/r r:比抵抗）の温度依存性 ●展性・延性 １ｇの金 2800ｍ ●金属光沢 ●金属的伝導性 伝導度（s = 1/r r:比抵抗）の温度依存性 半導体・絶縁体、金属、超伝導 温度 抵抗 金属 半導体～絶縁体 超伝導体
アルカリ金属の特性 ●s軌道に一個の電子・・・＋１価にイオン化 ●水と爆発的に反応し、水酸化物＋H2＋熱・・・水素爆発 アルカリ金属をオイル（灯油）中で保存 水酸化物・・・塩基性 ●金属塩の炎色反応・・・アルカリ金属やアルカリ土類金属、銅などの塩を炎の中に入れると各金属元素特有の色を示す。金属の定性分析や、花火の着色に利用される 色 深紅 橙 黄 緑 青 藍 紫 Li Ca Na Cu, B As In Cs, K As Ca Li Cu B Na
Li(lithium) アルカリ金属（alkali metal） ●銀白色 柔らか 延性に劣る ●水との反応はアルカリ金属中最も穏やか ●銀白色 柔らか 延性に劣る ●水との反応はアルカリ金属中最も穏やか ●酸素と反応 Li2O ●アルカリ金属中Liのみが窒素と反応・・赤黒色（Li3N) 3Li + N2 → 2Li3N ●リチウム電池: 酸化還元電位(-3.040V)が低く、原子量が小さいため、電池電極とすれば起電力が高くエネルギー密度の大きい電池ができる。通常3 V出力の一次電池（リチウム電池、負極に使用）、二次電池（リチウムイオン二次電池、リチウムイオンを使用）として利用される ●うつ病治療薬（最適治療量と中毒量が近い）
●最も軽い金属元素なので、地球的な長時間のうちに海水中と地殻上部を循環し続け、乾いた塩湖の底には必ず豊富なリチウム資源が存在する。量的には全く枯渇する心配はないが、単一産地で需要のほとんどを生産するという、偏在性(チリ)と独占的供給による、商業的な需要ギャップが懸念される。 ●現在、確認埋蔵量で一、二を争うボリビアの資源は全く開発されていない ●重要課題 海水中には2300億トンのリチウムが溶けており、事実上無限の埋蔵量を有する。海水リチウムを抽出するプラントが日本を中心に稼動しており、現状よりさらに低コストで採集できるようになれば、リチウムを国内自給できる可能性がある
Na(sodium) ●銀白色 柔らか 延性あり ●水との反応は爆発的 2Na + H2O →2NaOH + H2↑ ●酸素と反応 Na2O ●銀白色 柔らか 延性あり ●水との反応は爆発的 2Na + H2O →2NaOH + H2↑ ●酸素と反応 Na2O ●トンネル内の照明 ナトリウムランプ 589nm オレンジ色 ●熱伝導率がよく、高温でも液体で存在するため、高速増殖炉の冷却材として用いられる（放水で大爆発を起こす） ●生体にとっては重要な電解質のひとつであり、ヒトではその大部分が細胞外液に分布している。神経細胞や心筋細胞などの電気的興奮性細胞の興奮には、細胞内外のナトリウムイオン濃度差が不可欠である(ナトリウムチャネル)。 ●ナトリウムイオンの過剰摂取は、高血圧の大きな原因 ナトリウムランプ
K(potassium) ●銀白色 柔らか 延性あり ● Li, Naより反応性が高い ●銀白色 柔らか 延性あり ● Li, Naより反応性が高い ●カリウムは人体で8番目もしくは9番目に多く含まれる元素であり、体重のおよそ0.2%を占める。カリウムは人体に不可欠の電解質であり、脳および神経などにおけるニューロンの情報伝達に重要な役割を果たしている（カリウムチャネル） ●硝酸カリウム（KNO3、硝石）は、火薬（黒色火薬）において酸化剤として働き、また肥料としても重要である ●シアン化カリウム（KCN、青酸カリ）は銅や貴金属（特に金や銀）と錯体を形成し、錯体が溶解し易いのを利用して、それらの金属の電鋳や電解めっき、金鉱山の採掘に用いられる。
Rb(rubidium) ●銀白色 柔らか 延性あり ● Li, Naより反応性が高い ●銀白色 柔らか 延性あり ● Li, Naより反応性が高い ●炭酸ルビジウム (Rb2CO3) を原料に混ぜたガラスは丈夫で電気絶縁性に優れ、ブラウン管用ガラスとして用いられる。 ●Rbは土壌中において非常に低濃度である反面、植物によって吸収されやすく、Kに似た挙動を示す。このため、トレーサとして既知濃度のRb水溶液を土壌に注入、一定期間後に植物体を収獲しRb濃度を測定することで、その時点における根の活性を推定できる（ルビジウムトレーサ法）。また、農作物害虫の生態調査における標識として用いられた事例もある。
Cs(cesium) ●Cs: 銀黄色 柔らか 融点28℃、常温で液体の金属 ● Li, Naより反応性が高い ●Uの代表的な核分裂生成物として、90Srと共に135Cs、137Csが、また原子炉内の反応により134Csが生成される。この中で137Csは比較的多量に発生しb線を出し半減期も約30年と長く、放射性Cs（放射性同位体）として、核兵器の使用による死の灰（黒い雨）や原発事故時の「放射能の雨」などの放射性降下物として環境中の存在や残留が問題となる。 ●133Cs（安定同位体）の発光スペクトルの比振動数が国際単位系の秒の定義に選ばれ、以降原子時計として使われる。 ●重要課題：放射性Cs＋の吸着剤の開発（吸脱着可能な） Fr(francium) ●安定同位体は存在せず、最も半減期が長い223Frでも22分しかないため、化学的、物理的性質は良く分かっていないが、原子価は+1価である事が確認されている。
アルカリ土類金属（alkaline-earth metal） ●+2価の陽イオン ●アルカリ金属より穏やかに水や酸素と反応する Be（beryllium） 有毒 ●緑柱石などの鉱物から産出。これらの鉱物はアクアマリンやエメラルドなどの宝石にも用いられる. ●硬く、常温では脆いが、高温になると展延性が増す。両性で酸にもアルカリにも溶解する。 Be(OH)2+ 2HCl→BeCl2+2H2O, Be(OH)2+2NaOH→Na2Be(OH)4 ●合金の硬化剤（Be-Cu)、熱的安定性、高い熱伝導率、金属としては比較的低い密度で、高速航空機、ミサイル、宇宙船、通信衛星などの軍事産業や航空宇宙産業において構造部材として用いられる。 ●低密度かつ原子量が小さいためX線やその他電離放射線に対して透過性を示し、X線透過窓として用いられる。
Mg（magnesium） ●ヒトを含む動物や植物の代表的なミネラル（必須元素）であり、植物の光合成に必要なクロロフィルで配位結合の中心 ●酸素と結合しやすく強い還元作用を持つ。空気中で放置すると、表面が酸化され灰色を帯びる。二酸化炭素、水、亜硫酸とも反応するが、不動態皮膜となるためアルカリ金属やCaと異なり腐食は進行せず、鉱油中で保存する必要はない ●空気中で加熱すると炎と強い光を発して燃焼する。 さらにN2やCO2中でも燃焼し、それぞれ窒化マグネシウム (Mg3N2)、酸化マグネシウム(MgO)となる CO2 + 2Mg → 2MgO + C ●熱水や塩水、薄い酸には容易に溶解し水素を発生する。 2H2O + Mg → Mg(OH)2 + H2 ●非常に軽い軽合金材料、Al, Cuとの合金：ジュラルミン（金属疲労に弱く、腐食しやすいのが欠点） ●潮のにがり：MgCl2, MgSO4
Ca（calcium） ●非常に柔らかい金属, 空気中で放置すると酸素・水・二酸化炭素と反応して腐食するため、鉱油中で保存。 2Ca + O2 → 2CaO（生石灰）、 Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2 水酸化カルシウム（消石灰）溶液を石灰水という。石灰水に二酸化炭素を通すと炭酸カルシウムが沈殿するが、加熱すると元に戻る。 Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O ●セメント・モルタルなど、建設・建築用資材として多用 ●骨や歯の成分：リン酸カルシウム(Ca3(PO4)2, CaCO3) ●炭化カルシウム（Ca2+（CC)2-、カルシウムカーバイド） アセチレンランプ CaC2 + 2 H2O → C2H2（アセチレン） + Ca(OH)2
Sr(strontium), Ba(barium), Ra(radium) 有毒 ●Sr:軟らかく銀白色のアルカリ土類金属で、化学反応性が高い。空気にさらされると、表面が黄味を帯びる。花火や発煙筒の炎の赤い色の発生には塩化ストロンチウムなどが用いられる。人工放射性90Srは骨に吸収され、放射線（b）を長期間出し続けるので危険。 ●Ba:銀白色の軟らかい金属。Ca, Srよりも反応性が高い。炭酸バリウムが殺鼠剤として用いられるようにBa2+イオンは毒性を有している。硫酸塩（X線造影剤）は水に対する溶解度が非常に低いために問題とならないが、その他のバリウム化合物の用途は特定の分野に見られるのみで、人体に危険 ●Ra:ラジウムそのものの崩壊ではアルファ線しか放出されないが、その後の娘核種の崩壊でベータ線やガンマ線なども放出される(危険)
１２族（亜鉛族Zn, Cd, Hg） ２価陽イオン（２族に似る） ●亜鉛（zinc）: 青味を帯びた銀白色の金属。湿った空気中で錆び易く、灰白色の塩基性炭酸亜鉛で覆われる。トタン：鉄板に亜鉛メッキ、真鍮：Cuとの合金 生体では鉄の次に多い必須微量元素で細胞分裂を活性化（酵素の構造形成および維持に必須で、それらの酵素の生理的役割は、免疫機構の補助、創傷治癒、精子形成、味覚感知、胎発生、小児の成長など多岐にわたる）。 ●カドミウム（cadmium）:青色を帯びた展性のある銀白色金属。ニッケル・カドミウム電池（ニッカド電池）。中性子を吸収する性質から、原子炉の制御用材料。 毒性：人体にとって有害（腎臓機能に障害が生じ、それにより骨が侵される）で、Cdによる環境汚染で発生したイタイイタイ病（富山県）が問題となった。Cdとその化合物は発癌性がある
●水銀（mercury、汞）: 常温常圧で液体の金属、比重13 歯の治療：銀やPdのアマルガム 大仏：金アマルガムを塗り、加熱して金メッキとする 毒性：古代においては、水銀や辰砂（鮮血色をしている）はその特性や外見から不死の薬として珍重されてきた。特に中国の皇帝に愛用され、不老不死の薬、「仙丹」の原料と信じられていた（錬丹術）。それが日本に伝わり飛鳥時代の持統天皇も若さと美しさを保つために飲んでいたとされる。しかし毒を飲んでいるに等しく、始皇帝を始め多くの権力者が命を落としたといわれている。中世期以降、水銀は毒として認知されるようになった。メチル水銀Me2Hgの中枢神経系（脳）に対する毒性は強力（熊本 水俣病、新潟 第2水俣病）
１３族（ホウ素族） B以外は金属(Al, Ga, In, Tl) ●Al(aluminum, aluminium)銀白色金属。良い熱伝導性・電気伝導性を持ち、軽量（比重2.7）で加工性が良 く、広く用いられる。空気中では表面にできた Al2O3酸化膜により内部が保護される（不動態、 アルマイト）。鉱物のボーキサイトを水酸化ナトリ ウムで処理し、アルミナ（酸化アルミニウム）を取 り出した後、氷晶石（ヘキサフルオロアルミン酸ナ トリウム、Na3AlF6）と共に溶融し電気分解を行う。 Alを作るには大量の電力が消費されることから 「電気の缶詰」と呼ばれることもある。粉末Alは可 燃物であり、粉塵爆発を起こす。スペースシャトル の固体燃料補助ロケットでも燃料として使用された。 ルビーやサファイアはAl2O3に少量の不純物を含む 宝石 ボーキサイト アルミニウム ルビー スターサファイア
●Ga(garium)青みがかった金属光沢がある柔らかな金属。融点は 29 ●Ga(garium)青みがかった金属光沢がある柔らかな金属。融点は 29.8 ℃ と低いが、一方、沸点は 2403 ℃（異なる実験値あり）と非常に高い。水と同じように、液体の方が固体よりも体積が小さい異常液体である。Gaを高温でアンモニアと反応させると青色発光ダイオードの素材として知られる窒化ガリウム GaN が得られる。P, As, Sbとも反応して二元化合物GaP、GaAs、GaSb を形成する。これらの化合物は閃亜鉛鉱型構造を取り、GaAsは半導体材料、GaPは発光ダイオードの材料として利用される。 ●In(indium)銀白色の柔らかい金属。常温では空気中で安定である。酸には溶けるが、塩基や水とは反応しない。 ITO (Indium Tin Oxide) と略称される酸化インジウムスズは、導電性があるのに透明であることから液晶やプラズマといったフラットパネルディスプレイの電極（透明導電膜）に使われている。 ●重要課題：Inを用いない透明電極の開発
●Tl(thallium)銀白色の柔らかい金属 猛毒 重金属の中でも特に強い毒性を持ち、摂取すると神経障害を起こす。強力な脱毛作用。重い物質の比重を測定するのに蟻酸タリウムがもちいられていた。 KGB は、放射性Tlを毒殺用の毒物として使用していた。有名な例では、元 KGB 工作員のニコライ・ホフロフ が1957年に放射性Tlを盛られ、瀕死の重態となったが一命を取り留めた例がある（ホフロフは2007年に死去）。これは、初めて公式に確認された KGB の放射性元素による殺人（未遂）事件である（二番目が2006年にPoを盛られて死亡したアレクサンドル・リトヴィネンコ）。