周期表にある化学元素の大部分を占める金属は、最も用途が広く、有用な物質として知られています。 材料を作るための金属加工技術の開発は、人類の歴史において最も重要な進歩の1つであったと思われます。 現代社会では、金属はいたるところに存在している。 橋、高層ビル、ダム、自動車など、ほとんどの産業および大規模建造物は、全体または少なくとも部分的に金属で構成されており、金属はほとんどの現代の電子機器に不可欠な要素となっています。 では、金属を金属たらしめているものは何なのでしょうか。また、金属を非常に便利にしているいくつかの特性とは何でしょうか。
What Are Metals?
化学において、「金属」は通常周期表の d ブロックの 3～12 族を占める元素について使われる用語です。 これらの元素は「遷移金属」と呼ばれることもあります。 金属は、その性質によって非金属と区別されます。 金属の一般的な性質には次のようなものがある。
- 硬度 – 金属は硬く、変形しにくい傾向がある
- 可鍛性 & 延性 – 金属は折らずに曲がったり形を変えたりできる
- 伝導性 – 金属は熱や電気をよく伝える傾向がある
- 輝き – 金属には独特のものがある。 磁性 – 多くの金属は強磁性または常磁性である
これらの物理的性質に加え、金属には特定の化学的性質もあります。 金属はイオン化エネルギーが低く、容易に正イオンを形成する傾向があります。 ほとんどの金属は塩基性を持ち、酸と反応して塩と水を形成します。
金属は周期表の元素の大部分を構成している。 既知の118の元素のうち約91が金属に分類される。 6 つの元素（ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル）は一般にメタロイドに分類され、金属と非金属の性質を併せ持つ。
What makes A Metal A Metal?
ここまでは、金属に共通の性質をいくつか挙げてきました。 さらに疑問なのは、なぜ金属はそのような性質を持っているのでしょうか。 つまり、金属元素の構造について、一般的に観察される特性を説明するものは何なのでしょうか。
金属のユニークな特性は、その原子および電子構造によって説明することができます。 周期表の d-ブロックに属する元素は、電子殻に複数の空軌道を持つ傾向があります。 金属原子が集合すると、その電子は非局在化し、原子間で均等に共有されるようになる。 金属は、電子の「海」に囲まれた正電荷の陽イオンの格子と考えることができる。 空の電子軌道が多いため、電子は原子から原子へと容易に移動することができる。 4452>
次のセクションでは、金属のいくつかの重要な性質を詳しく見て、それらがどのように原子と電子の構造から生まれるかを説明します
5 Amazing Properties Of Metals
Hardness
厳密に言うと、すべての金属が標準温度と圧力で硬いわけではないのです。 水銀は常温では液体ですし、ガリウムは暑い日には手のひらで溶けてしまいます。 ナトリウムやカリウムのように非常に柔らかく、ケーキのようにナイフで切ることができる金属もあります。
しかし、多くの金属は丈夫で機械的変形に強いことが知られています。 この靱性は、金属が産業用や大規模な用途に有用である理由の一つである。 金属の硬さは、原子の並び方によって説明することができる。 ほとんどの金属は、分子間の引力が非常に強く、原子が非常に密接に束になっています。 原子の間隔が狭いため、外力を加えてもあまり動くことができない。 同じ原理で、金属の引張強度が一般に高いことも説明できる。
原子の密な物理的配置は、金属が密で重くなりがちな理由も説明している。 密度とは、単位体積あたりの質量を表す尺度である。 原子が非常に接近している場合、単位体積あたりの質量が大きいので、金属は密度が高い
Malleability & Ductility
金属が非常に有用である主要特性の1つは、破損したり靭性を失うことなく形を変えたり成形することができることである。 金属は非常に可鍛性に富んでおり、割れたり砕けたりすることなく圧縮したり平らにしたりすることができるのです。 例えば、金は非常に可鍛性の高い金属です。 マッチ箱ほどの大きさの金の塊を、テニスコートほどの大きさに平らにすることができる。 延性は、靭性を失うことなく成形することができる物質の能力である。 4452>
金属の可鍛性と延性は、金属結合の非局在化した性質によって説明されます。 電子が非局在化されているため、金属原子のシートは、化学結合を切断することなく互いに滑りあうことができます。 これは、例えば脆いイオン性化合物で起こりうることとは正反対である。 イオン性化合物では、原子はプラスイオンとマイナスイオンが互いに整列した硬い構造に固定されている。 ある層が力によってずれると、プラスイオンとマイナスイオンの位置がずれて反発し合う。
熱伝導率 & 電気伝導率
金属は、熱や電気をよく蓄えて伝えることができる「伝導性」を持つことも知られています。 金属が熱や電気を蓄えたり伝えたりする能力を、それぞれ熱伝導率、電気伝導率と呼びます。 金属製のフライパンをコンロで熱して調理に使えるのは、熱伝導率のおかげです。 コンロからの熱は金属鍋に伝わります。 そして、その熱は調理される食品に伝わります。 金属が熱伝導性に優れているのは、原子構造が密に詰まっていて、運動エネルギーを非常に効率よく吸収するためです。 熱は、基本的には分子の運動です。 熱を持つということは、その分子をより速く動かすということと同じなのです。 金属原子は非常に密接に詰まっているので、任意の原子の動き（熱）は隣の原子に容易に伝わります。
電気伝導度 金属は自由に動く非局在電子を持つので、電気をよく通します。 金属に電圧をかけると、電界が発生して電子の電荷が動きます。 電子は非局在化されているので、電界の影響を受けて非常に動きやすい。
Luster
金属は、そのユニークな外観でも知られています。 光の下では、金属は独特の光沢を放つ。 金、銀、プラチナなどの金属のこの美しい光沢は、その価値と宝石や装飾品への使用を説明しています。 金属では、電子は非局在化されており、自由に動き回ることができます。 光（あらゆる電磁波）が表面に当たると、電子は光子を吸収し、励起エネルギー状態になる。 電子が基底状態に戻るとき、光子の形でエネルギーを放出する。 電子が放出する光子は、最初に電子に吸収された光子と同じ周波数であり、系内のエネルギー量は一定でなければならないため、電子が放出する光子は、電子が吸収した光子と同じ周波数となる。
磁性
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金属のもうひとつの特性は、磁場を生成し影響を受ける能力があることです。 電子の基本的な側面は、電子が磁気双極子、すなわち正極と負極を持つ磁気の影響領域を生成することです。 しかし、外部磁場の影響を受けると、電子はその双極子がすべて同じ方向を向くようになります。 双極子の累積作用により、巨視的な磁場となり、物体を押したり引いたりすることができる。 金属が磁化されやすいのは、電子軌道が無数に開いているためです。
外部磁場の影響を受けて磁化する物質を常磁性体と呼びますが、金属は開放電子軌道が多いので、電子が動き回り、向きが大きく変わるので、磁場が整いやすくなります。 家庭でこんな実験をしてみてください。 ドライバーと針と台所用磁石を用意します。 ドライバーの先端に針を当てても吸着しないので、何も起こりません。 次に、針を台所用磁石に1～2分間押し当てます。 針をはずすと、今度はドライバーの先端に引き寄せられているのがわかります。 これは、磁石の磁場が針の電子を整列させ、磁極をそろえたためです。 材料のランダムな熱揺らぎは、最終的に双極子を再び非整列にする。 磁場がなくなっても磁性を保つことができる物質もあります。 このような物質は強磁性体と呼ばれる。 強磁性金属には、ニッケルと鉄があります
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