遷移金属の日常的な使用

私たちの世界は主に金属でできています。私たちは毎日金属に遭遇しますが、遭遇する金属の大部分は、周期表の 3 番目のカテゴリーである遷移金属に分類される可能性があります。遷移金属とは何ですか?日常生活のどこで遭遇する可能性がありますか?

遷移金属の性質

まず、遷移金属とは？このセクションには多くの要素があります。遷移金属は、周期表の 3 ～ 12 族で構成されています。これにより、合計で 38 の要素が作成されます。各要素については後ほど詳しく説明します。遷移金属には以下が含まれます:

これらの金属は、表の両側にある主族元素間の遷移またはブリッジと見なされます。それらは、表の左側にある活性金属として知られるアルカリ金属とアルカリ土類金属と、表の右側にある金属、半金属、および非金属との間に橋を架けます。

これらの金属は、1921 年に英国の化学者であるチャールズ ベリーによって元素の遷移系列と呼ばれたときに、その名前が付けられました。

国際純正応用化学連合 (IUPAC) は、これらの遷移金属を「部分的に満たされた d 電子サブシェルを持つ任意の要素」と定義しています。元素は、s、p、d、f と呼ばれる 4 つの異なる電子軌道の 1 つに分割されて定義されます。後者の 3 つには、さらに多くの電子を保持できるサブレベルまたはサブシェルもあります。軌道指定は、化学者が各元素が周期表のどこにあるかを決定するのに役立ちます。

周期表を左から右に移動すると、これらのサブシェルは徐々に満たされます。

これらの遷移金属のユニークな特性の 1 つは、それらが生物学的生命が機能するために不可欠であるという事実です。鉄やコバルト、銅、モリブデンなどの多くは、私たちの生命と健康を維持するために必要です。血流に十分な鉄がないと、体は酸素を体中に運ぶことができません。銅やコバルトなどの他の遷移金属は微量元素として体内に存在し、それらの用途の全範囲は完全には理解されていません.

周期表の下部には、ランタニドとアクチノイドの 2 つのカテゴリがあります。原子番号が遷移金属の最後の 2 列の最初と 2 番目の要素の間にあるため、内部遷移金属と呼ばれることがあります。ただし、これらについては後日取り上げます。

化学的および物理的特性

これらの要素はすべて金属です。つまり、外観が光沢があり、金属として定義される明確な金属光沢を示します。それらのほとんどは非常に硬く、融点と沸点が非常に高く、到達するのはほぼ不可能です。それらのほとんどすべてが熱と電気の伝導に優れているため、さまざまな用途に役立ちます.

ピリオド 4、5、6 の金属の最も一般的な用途は合金であり、非常に用途が広いです。合金は、最終製品をより強く、より軽く、または扱いやすくするための 2 つ以上の金属の混合物です。

それらは通常非常に順応性がありますが、作業に十分な順応性を持たせるために非常に高い温度が必要なものもあります.鉄や銅などのこれらの金属の多くは、有用な構造特性も備えています。それらは、構造の完全性と強度を失うことなく、曲げたり形を変えたりすることができます。鉄や銅を何度も何度も曲げて結合を弱めたり、破損させたりすることはできますが、ほとんどの用途では、これらの金属は形状に関係なく構造的完全性を保持しています。

これらの金属は、原子レベルで、結合時に電子を失う傾向があります。これにより、プラスイオンが生成されます。これらの金属は、色付きの錯体を形成することもよくあります。つまり、異なる化合物または溶液でそれらを見つけると、非常にカラフルになる可能性があります。このいくつかの例には、明るい緑色のマラカイト、通常は鮮やかな青色に見えるアズライト、深い赤色のプルースタイトが含まれます。

このカテゴリの金属の一部は反応性がありますが、アルカリ金属カテゴリの金属ほど速くも激しくも反応しません。それらの部分的に満たされた電子サブシェルは、これらの金属が複数の異なる酸化状態を示し、通常は単一の電子で区切られていることも意味します。これらのさまざまな酸化状態により、ほとんどの遷移金属も常磁性になります。これらは弱い磁気吸引力を示しますが、永久磁性を保持しません。このカテゴリには、鉄と見なされる少なくとも 3 つの金属があり、それらは磁性を持ち、磁場に強く反応するため、ほとんどと言います。

遷移金属も高い触媒活性を示します。つまり、このセクションの元素とその化合物は、優れた触媒として機能します。それらは何かと反応してその過程で酸化状態を変化させるか、または表面にある物質を吸収してそれらを活性化します.触媒は、反応が続くための触媒経路を作成することによって機能します。これらの金属は、喜んで新しい電子を受け取ったり、これらの反応を促進するためにすでに持っているものを寄付したりします.

遷移金属の多くは、地球上で最も豊富な元素の 1 つです。鉄は4番目に多い。チタンは 10 位、マンガンは 13 位です。金や銀などの他の遷移金属も豊富に含まれていますが、前述のものほど高くはありません。

遷移金属のメンバーの正式なファミリーはありませんが、特に最も一般的に使用されているものに対して、人々はしばしば非公式の指定を与えます.遷移金属グループの最も一般的な呼称と、実際に遭遇する可能性のある場所を見てみましょう.

実際のアプリケーション

すべての元素に共通の用途があるわけではないため、これらの元素の一部を分解するのは難しい場合があります。そこで、一般的に使用される遷移金属の非公式のグループ指定をいくつか見てみましょう。

鉄または磁性金属

鉄金属は、磁場に反応する金属です。スチール製の冷蔵庫には磁石をくっつけることができるのに、アルミ製の車のバンパーには磁石をくっつけられないのはこのためです。これらの金属には次の元素が含まれます。

鉄

鉄は、周期表で最もよく知られている元素の 1 つです。人類は 5,000 年以上にわたって鉄をさまざまな形で利用してきました。鉄とそのさまざまな用途だけで記事全体を書くことができます.日常生活で遭遇する可能性のあるいくつかのアプリケーションを次に示します。

鉄の用途

• 鋼: 鉄をマンガンとクロム (どちらも遷移金属) と混ぜると鋼になります。この合金は、当社のグローバル インフラストラクチャの多くのバックボーンです。スチールは、ほんの数例を挙げると、建設から自動車、航空機まで、あらゆるものに使用されます。
• ヘモグロビン: また、血中にはヘモグロビンの形で鉄が含まれています。これらの細胞は、酸素を肺から臓器や組織に運び、二酸化炭素を肺に戻して吐き出すことができるようにします。
• 料理: 鋳鉄製のフライパンで間違いはありません。鉄を炭素またはシリコンと混合すると、装飾や調理器具として人気のある鋳鉄になります。

コバルト

コバルトの名前は、ドイツ語の kobald、 に由来します。 これは、トラブルを引き起こすのが好きな地下のノームを指します.ドイツの鉱山労働者は、採掘が信じられないほど難しいため、このいたずら好きな小さなノームにちなんで名付けました。コバルトは元素の形では鮮やかな青色ですが、ヒ素も含まれているため、信じられないほど有毒です。コバルトの典型的な用途は何ですか?

コルバルトの用途

• 塗料、インク、顔料: その鮮やかなコバルト ブルーは、発見後、この元素をアーティストに非常に人気のあるものにしました。現在でも使用されていますが、残留ヒ素を除去するために慎重に処理されているため、より安全に作業できます。
• 充電式電池: 現代の電子機器の多くは充電式電池に依存しており、それらの電池はコバルトに依存しています。世界のコバルト供給量の 50% 以上が充電式電池になります。
• 合金: エンジニアや金属作業者は、コバルトをさまざまな金属と合金化して、磁性と強度を向上させ、腐食を抑えることができます。

ニッケル

ニッケルは、鉱夫に適合させるために使用される別の金属です。地中では銅に似ているため、ドイツの鉱山労働者はクプファーニッケル、と名付けました。 「インプ銅」を意味します。過去に同じ名前のコインに使用されていた可能性がありますが、これらの 5 セント硬貨にはニッケルは含まれていません。

ニッケルの用途

• 合金: ニッケルは、スチールや鉄から、銅、クロム、コバルト、その他ほとんどの遷移金属まで、あらゆるものとよく合金化します。
• 防食コーティング: 「ニッケルメッキ」というラベルが付いたものを見たことがあるなら、この用途の例を見たことがあるでしょう。ニッケルは本来非腐食性であり、酸素の存在下で酸化する可能性のある金属をコーティングするのに最適です。
• バッテリー: ニッケルは充電式電池の主成分です。 NiMH、またはニッケル水素とマークされたものを探してください。

硬貨の金属

名前が示すように、人々はこれらの金属を過去にコインに使用したか、現在でも通貨に使用しています.

ゴールド

この金属は説明が必要ですか？私たちは何世紀にもわたってコインやジュエリーに金を使用してきました。米国は、1930 年代まで自国の通貨を支えるために金本位制を使用していました。連邦政府は、今日に至るまで大量の金地金を保管しています。この金属は柔らかく、順応性があります。 1 トロイオンスを 68 平方フィート以上のシートに打ち込むことができます。金はほとんど何でも形作ることができます。ジュエリーやコイン以外の一般的な用途は何ですか?さまざまなアプリケーションを見てみましょう。

ゴールドの用途

• エレクトロニクス: 金は信じられないほどの導電性と耐食性を備えており、エレクトロニクス業界であらゆる種類の用途を生み出しています。中央処理装置 (CPU) やプリント回路基板のピンなどに見られます。
• 歯科: 金は、リストの中で最も反応性の低い金属の 1 つです。水や酸に反応しないため、歯科の詰め物やクラウンに最適な金属です。
• 食べ物: 信じられないかもしれませんが、実際に金を食べることができます。信じられないほど薄く叩いた金箔は、高価な料理の付け合わせとして人気があります。

シルバー

シルバーは、コインとジュエリーの両方で信じられないほど人気のあるもう 1 つの金属です。金ほど展性はありませんが、溶かしてほぼどんな形にも鋳造できます。また、豊富にあるため金ほどの価値はありませんが、アクセサリーとして非常に人気があります。シルバーの興味深い活用方法をいくつかご紹介します。

シルバーの用途

• エレクトロニクス: 銀は、熱伝導率と電気伝導率が高いため、エレクトロニクスに最適な金属の 1 つです。安価な金属に置き換えることはほとんど不可能なほど、うまく機能します。
• 写真: 世界のほとんどがデジタル写真に移行していますが、フィルムを好む伝統主義者もいます。フィルムのハロゲン化銀結晶は光に敏感で、写真家が後で現像できるように画像を記録します。
• 抗菌コーティング: 銀は酸素を吸収し、表面に接触したバクテリアを殺し、素晴らしい抗菌物質になります.火傷を治療するための創傷被覆材や軟膏にも使用されています。

銅

銅について考えるとき、ほとんどの人はペニーを想像しますが、米国のペニーに銅が含まれてから長い時間が経ちました.今日、これらの 1 セントのピースは、色を保持するために表面に銅の薄いコーティングを施した亜鉛で作られています。銅には非常に多くの異なる用途があり、すべてをリストすることはできないので、これは良いことでした.

銅の用途

• エレクトロニクス: 銅の導電率は、このリストにある他のほとんどの金属に匹敵しません。また、可鍛性があり、ワイヤーに引き込みやすいため、電子機器から壁の配線まで、あらゆるものに使われていることがよくあります。
• 彫像: 銅は酸化すると青緑色になります。他に緑がかった青色を知っていますか?自由の女神。この国で最も有名な像の 1 つは銅でできています。
• 料理: 銅は熱伝導性も非常に優れているため、調理器具や調理器具として人気があります。

合金金属

合金金属は、現代のプロジェクトで豊富に使用され、頻繁に使用されるため、ほとんどの現代建築に不可欠です。自然界では一緒にいることが多いため、そのうちの 11 種類がこのグループを構成しています。これらの金属について簡単に見てみましょう。

チタン

チタンはギリシャ神話のタイタンにちなんで名付けられましたが、これはその信じられないほどの強さによるものです。鉱山労働者は 1700 年代にそれを発見しましたが、1910 年まで分離して使用することができませんでした。これを達成すると、さまざまな用途に役立つようになりました.

チタンの用途

• 建設: チタンは強度と軽量性に優れているため、現代の建設に不可欠な要素であり、鉄鋼では不可能な大規模な高層ビルや精巧な構造を作ることができます。
• 車と飛行機: チタンは軽量で強度が高いため、航空機や自動車の建設中に構造物の総重量を減らす場合に人気があります。
• 宇宙船: ロケットを宇宙に打ち上げるには費用がかかるため、エンジニアは可能な限り重量を削減しようとしています。チタンは耐腐食性もあり、軌道上の過酷な環境にも耐えることができます。

ジルコニウム

科学者たちは、鉱物ジルコンの中にジルコニウムを発見しました。これは、その名前の由来でもあります。科学者は、チタンの発見とほぼ同時期にジルコニウムを発見しましたが、1900 年代初頭までそれを分離することができませんでした.

ジルコニウムの用途

• 原子力: ジルコニウムは中性子を十分に吸収しないため、原子力発電所で燃料要素の被覆材としてよく使用されます。
• 超電導マグネット: 低温では、ジルコニウムは超伝導体になります。ニオブと合金化すると、超電導磁石になります。
• 炉内張り: ジルコニウムはすぐには熱を伝えませんが、熱衝撃には強いため、炉のライニングや実験室のるつぼによく使われます。

残りの合金金属には多くの用途はありませんが、いくつかをリストしました.これらはおそらく日常生活で遭遇することはないでしょうが、無機化学の中で独自の場所を持っています:

• ハフニウム :この金属は常にジルコニウムと一緒に発見され、しばしばジルコニウムから分離することは不可能です.電球のフィラメントに使用されます。
• クロム :クロムは、ガラスの染色や金属のクロム処理に使用されます。バナジウム:この元素は、鋼とチタンの合金を作る際に結合剤として機能します。
• タンタル :この金属は融点が高く、その中に存在する合金の融点を上昇させます。
• ニオブ :ニオブは常にタンタルと一緒に発見され、多くの場合、タンタルから分離することはできません.
• モリブデン :この金属はタングステン合金を強化します。
• タングステン ：この元素は金属の中で最も融点が高く、金属の融点を上げるために使用されます。ジュエリーを作成するために使用することもあります。
• マンガン :マンガンは、製鋼時に金属の強度を高めます。
• レニウム :レニウムはタングステン合金をより強力にします。

タングステンでできたものを扱ったことがある場合は、いくつかの内部遷移金属を含む、ほとんどの合金金属が 1 か所にある可能性があります。ただし、それを構成要素に分解しないと、見分けることはできません。

ジンクファミリー

このカテゴリのメンバーは、周期表で同じグループを占めるため、「亜鉛族」と呼ばれます。ただし、それらは非常に異なる特性を示す傾向があります.

亜鉛

日常生活で亜鉛に遭遇した場合、それは通常、多くの合金または化合物の 1 つになります。亜鉛自体は、酸化しやすい銀白色の金属です。他の金属と合金化すると、その可能性は無限大です。

亜鉛の用途

• 栄養: 食事で十分な亜鉛を摂取することは、健康的なライフスタイルを作成するために不可欠です.亜鉛は、牛肉、ひまわりの種、チーズなどに自然に含まれています。
• 防食コーティング: 主に、亜鉛は腐食しやすい他の金属に亜鉛メッキを施すために使用されます。亜鉛メッキは錆びを防ぐため、車体や橋など、屋外用途に亜鉛メッキされた鉄や鋼が使用されている場所で見られます。
• 真鍮: 亜鉛と銅を混ぜると真鍮になります。この金属は最も初期の金属合金の 1 つであり、人類の進歩と、今日私たちが当たり前と思っている現代世界を形作っています。

カドミウム

カドミウムの起源は 1817 年にまでさかのぼります。ドイツの科学者が溶融カラミンに隠れているカドミウムを発見しました。これは亜鉛カーボナイトの別名です。カドミウムと亜鉛は一緒に採掘され、現在使用されているカドミウムのほとんどは亜鉛採掘の副産物です。

カドミウムの使用

• はんだ: パイプや電気部品を接続するとき、ほとんどのエンジニア、電気技師、配管工ははんだに手を伸ばします。この物質はカドミウムと銀の合金で、どちらの卑金属よりも融点が低いです。
• 電気めっき: 亜鉛と同様に、カドミウムは他の金属を電気メッキして耐食性を高めるためによく使用されます。
• 原子力: カドミウムは中性子を吸収するため、発電所の核制御棒を作るのに理想的な選択肢です。

マーキュリー

水銀は、世界で最も有毒な元素の 1 つです。それは数千年前にさかのぼり、紀元前 2,000 年にさかのぼる古代中国とエジプトで発見されました。その融点は華氏マイナス 37 度であるため、ほとんどの場合液体です。いくつかの超伝導特性を示しますが、それを確認するにはほぼ絶対零度まで冷却する必要があります.

マーキュリーの用途

• アマルガム: アマルガムを作成するために、銀、金、亜鉛などの他の多くの遷移金属と水銀合金。これらの水銀合金は、乾電池から歯の詰め物まで、あらゆるものに含まれています。
• 科学機器: 液体水銀は家庭用体温計の充填によく使用されていましたが、壊れると家庭が危険にさらされる可能性がありました。今日、水銀機器は科学研究所に追いやられています。
• スイッチ: 液体かもしれませんが、水銀は電気を通しません。位置に依存するスイッチを作成するのに役立ちます。

プラチナ グループ

人々は次のグループをプラチナ グループと呼びます。ただし、これらの金属すべてに共通の用途があるわけではありません。

プラチナ

プラチナは今日では貴金属かもしれませんが、鉱山労働者はこれを厄介者だと考えていました。鉱山労働者が金を見つけるのと同じ地域によく現れましたが、当時はプラチナの用途はあまりありませんでした.今日、この遷移金属はさまざまな用途で切望されています。

プラチナの用途

• ジュエリー: 貴金属として、プラチナはジュエリーとして人気があります。ゴールドの価格でシルバーの外観を備えているため、従来のイエロー ゴールドの外観が気に入らない人に最適です。
• 触媒コンバーター: 触媒コンバーターは車の排気システムの最後の部分であり、プラチナが含まれています。貴金属は、排気ガス中の一酸化炭素を酸化して、車の排出ガスを削減します。
• ロケット エンジン: プラチナは非常に高い融点を持っているため、ロケット科学でも使用されています。現代のロケット エンジンの多くは、プラチナまたはプラチナ合金で作られています。

イリジウムとオスミウム

これらの 2 つの要素は、ほとんどの場合、自然界で一緒に見られます。イリジウムは、その見事な多色の色合いからその名前が付けられました。どちらも用途が非常に限られているため、ここではうまく適合します

イリジウムとオスミウムの用途

• レーザー結晶: イリジウムの唯一の実際の用途は、特に高温に耐えるレーザー結晶の作成です。
• 電気用途: オスミウムは、さまざまな用途で電気接点を作るのに役立ちます。
• 万年筆: オスミウムの最も一般的な用途の 1 つは、高品質の万年筆のペ​​ン先を作成することです。

パラジウム、ロジウム、ルテニウム

プラチナ ファミリーの最後の 3 つの要素は、たとえあったとしてもほとんど用途がありません。

• 水素抽出: パラジウムの主な用途は水素抽出です。自重の最大 900 倍の水素を吸収できます。
• プラチナ合金: ロジウムは赤みを帯びた赤色からその名前が付けられていますが、唯一の用途はプラチナの硬化剤です。
• 既知のアプリケーションなし: ルテニウムには既知の用途がありません。

あなたが遭遇したくない名誉ある言及または要素

上記の要素のうち、言及していない要素がまだいくつかあることに気付いたでしょう。これらの要素は日常生活にはまったく当てはまりません。願わくば、それらに遭遇することはありません。

科学者たちはスカンジナビアでスカンジウムとイットリウムを発見しました。スカンジウムには知られている用途がなく、イットリウムは合金で他の金属に強度を加えるのに役立ちます.

残りの遷移金属は自然には発生しません。 1936 年に研究室で作成されたテクネチウムを除いて、これらの元素はすべてウランよりも原子番号が大きいため、超ウラン元素と呼ばれています。これらの元素には遭遇したくありません — それらはすべて非常に放射性があります.ただし、そうではない可能性があります。科学者は実験室でしか作成できず、作成されると劣化するまで数分しかかかりません。遷移金属は周期表の中央部分全体を占めており、38 種類の元素から選択できるため、日常生活の中で少なくとも 1 つの元素に遭遇するでしょう。これを携帯電話で読んでいる場合は、銅、銀、そしておそらくプラチナを手にしています.日常生活のどこで遷移金属に遭遇しましたか?