第3~12族――dブロックと、これまで触れたことのある金属の大部分

遷移金属

鉄、銅、金、銀、チタン、クロム、ニッケル、亜鉛です。dブロックに属する38元素は、硬く、密度が高く、融点が高く、電気を通し、しかも独自に複数の異なる電荷のイオンを形成できます。この柔軟性が、これらの元素が触媒として働き、色を生み、磁性を示す理由です。

構成元素
38
3–12
電子配置
(n−1)d¹⁻¹⁰ ns¹⁻²
放射性
10

周期表でハイライト表示

すべての元素

38個の遷移金属

21 Sc スカンジウム 44.956 u 希土類元素に近い性質を持つ金属で、アルミニウム合金をはるかに強くしますが、その価格のため今も希少です。 固体 22 Ti チタン 47.867 u 鋼鉄と同じくらい強く、45%軽く、海水にも侵されません。インプラント、ジェット機、深海潜水艇に使われる金属です。 固体 23 V バナジウム 50.942 u 酸化数によって、溶液中で4種類の異なる色に変わる遷移金属です。 固体 24 Cr クロム 51.996 u クロムの輝きと、ステンレス鋼の「ステンレス」をもたらす元素です。 固体 25 Mn マンガン 54.938 u 微量では不可欠ですが、大量ではもろく、鋼鉄が寒さで砕けない理由となる元素です。 固体 26 Fe 55.845 u 地球上で質量が最も多い元素であり、恒星の核融合の終着点で、ある時代に名を与えた金属です。 固体 27 Co コバルト 58.933 u 中世のステンドグラスや明朝の磁器の青色を生み、ハードディスクを一体に保つ磁石の半分を構成する元素です。 固体 28 Ni ニッケル 58.693 u 強く、耐食性があり、磁性を持つ元素です。そしてステンレス鋼の成分として2番目に多く使われています。 固体 29 Cu 63.546 u 人類が初めて精錬した金属であり、今も電化された世界の神経系です。 固体 30 Zn 亜鉛 65.38 u 犠牲となる金属です。亜鉛が腐食することで、亜鉛で覆われた鋼鉄は腐食しません。 固体 39 Y イットリウム 88.906 u 実際には珍しくない「希土類元素」で、携帯電話の画面が適切な色に光る理由です。 固体 40 Zr ジルコニウム 91.224 u 中性子に対して実質的に透明であるため、ほぼすべての原子炉で燃料棒の被覆材に使われています。 固体 41 Nb ニオブ 92.906 u 地球上のすべてのMRI磁石で電流を流す超伝導金属です。 固体 42 Mo モリブデン 95.95 u 耐火性材料の主力です。モリブデンは、ほかのほとんどすべての物質を軟化させる温度でも強度を保ちます。 固体 43 Tc テクネチウム 98 u 発見されたものではなく、人類によって初めて作られた元素であり、安定同位体をまったく持たない元素の中で最も軽い元素です。 放射性 合成 固体 44 Ru ルテニウム 101.07 u 白金族金属の一つで、隣接する元素を硬化させ、アンモニア合成を触媒します。 固体 45 Rh ロジウム 102.906 u 重量当たりで地球上で最も高価な貴金属であり、自動車の排気ガスが有毒にならない理由です。 固体 46 Pd パラジウム 106.42 u スポンジのように水素を吸収する金属で、自身の体積の最大900倍まで吸収できます。 固体 47 Ag 107.868 u あらゆる元素の中で最も優れた電気伝導体および熱伝導体で、古代から知られる抗菌物質でもあります。 固体 48 Cd カドミウム 112.414 u 充電式NiCd電池と、昔の塗料の鮮やかな黄色を生み出した、柔らかく有毒な金属です。 固体 72 Hf ハフニウム 178.49 u 化学的にはジルコニウムとほぼ同じですが、原子炉内では正反対で、中性子を吸収します。 固体 73 Ta タンタル 180.948 u ほとんどすべての酸にびくともせず、外科用インプラントに十分な生体適合性を持つ金属です。 固体 74 W タングステン 183.84 u あらゆる金属の中で最も高い融点、3,422°Cを持ち、白熱灯時代のフィラメントに使われました。 固体 75 Re レニウム 186.207 u 地殻中で最も希少な元素の一つで、ジェットエンジンのタービンをより高温で動かせる金属です。 固体 76 Os オスミウム 190.23 u 天然に存在する元素の中で最も密度が高く、オスミウム1リットルの重さは22.6kgです。 固体 77 Ir イリジウム 192.217 u 知られている中で最も耐食性に優れた金属で、恐竜を絶滅させた小惑星の痕跡です。 固体 78 Pt 白金 195.084 u 触媒となる金属です。白金は、本来なら不可能な条件を必要とする反応を進行させます。 固体 79 Au 196.967 u 化学的にほぼ不活性で、非常に延性が高く、これを発見したあらゆる文明で価値を認められてきました。 固体 80 Hg 水銀 200.592 u 室温で液体である唯一の金属であり、強力な神経毒です。 液体 104 Rf ラザホージウム 267 u 最初の超アクチノイド元素で、化学的にはアクチノイドではなく、ハフニウムのより重い同族元素です。 放射性 合成 固体 105 Db ドブニウム 268 u 超重元素化学の研究が大きく発展したロシアの町、ドゥブナにちなみ命名されました。 放射性 合成 固体 106 Sg シーボーギウム 271 u グレン・シーボーグが存命中に命名された元素で、周期表では初めての例です。 放射性 合成 固体 107 Bh ボーリウム 272 u 1個の原子ずつ化学的性質が調べられ、7族元素として予測された挙動を示す超重元素です。 放射性 合成 固体 108 Hs ハッシウム 270 u 化学的性質が実験的に確認された最も重い元素です。 放射性 合成 固体 109 Mt マイトネリウム 276 u 核分裂を説明したものの、ノーベル賞から外されたリーゼ・マイトナーにちなみ命名されました。 放射性 合成 固体 110 Ds ダームスタチウム 281 u 1994年にダームシュタットで、ニッケルと鉛の原子核を融合して作られました。 放射性 合成 固体 111 Rg レントゲニウム 280 u X線の発見者にちなみ命名され、化学的には金に似ると予測されています。 放射性 合成 固体 112 Cn コペルニシウム 285 u 揮発性の液体になると予測されており、希ガスにほぼ似た挙動を示す金属です。 放射性 合成 液体

何によって定義されるか

遷移金属を特徴づける3つのこと

01

一部が満たされたd副殻

これが決定的な特徴です。d軌道は外側のs軌道とエネルギーが近いため、遷移金属はさまざまな数の電子を失えます。鉄は2個または3個、マンガンは2個から7個まで失います。それぞれの電荷状態は異なる化学的性質を示します。

02

色はd軌道の分裂によって生じます。

遷移金属イオンを配位子で囲むと、五つのd軌道はエネルギーがわずかに異なる群に分裂します。可視光によって電子がそのエネルギー差を越えて移動し、目に見える色は残った光の色になります。これが、硫酸銅が青く、ルビーが赤く、同じ元素が複数の異なる色を示すことがある理由です。

03

触媒作用と磁性

一部が満たされたd殻は、優れた一時的結合相手になります。これは、鉄を用いたアンモニア合成から、白金を用いた触媒コンバーターまで、工業触媒の基盤です。同じ不対d電子によって、鉄、コバルト、ニッケルは強磁性を示します。

周期表の傾向

族内での変化

周期に沿って、原子半径は驚くほどほとんど変化しません。陽子が増えると内側へ引き寄せる力が強まり、増えたd電子が外側への遮蔽を行うため、ほぼ相殺されます。各周期の中央では、金属結合に利用できる電子数が最大になるため、密度と融点が最大になります。タングステンの融点は3,695 Kで、金属の中で最も高い値です。

世界での用途

何に使われるか

鋼鉄。圧倒的に最も多く使われる金属で、産業社会の構造基盤です。

電気配線、配管、そして身の回りのあらゆる機器のプリント回路に使われています。導電性は銀に次いで高く、価格ははるかに安価です。

チタン

航空宇宙分野、船舶用金具、医療用インプラントに使われます。鋼鉄と同じ強度を持ちながら45%軽く、海水や体液の影響を実質的に受けません。

クロムとニッケル

それらを組み合わせるとステンレス鋼になります。クロムは目に見えず自己修復する酸化物層を形成し、ニッケルは強靭性と耐食性を加えます。

白金族

触媒作用。白金、パラジウム、ロジウムは自動車の排気ガスを浄化します。ロジウムは、時期によって地球上で最も高価な金属になります。

金と銀

通貨、宝飾品、そして金が決して腐食しないことを利用した高信頼性電子機器の接点めっきに使われます。

取り扱い

安全性

非常に多様です。鉄、亜鉛、銅、コバルト、マンガン、モリブデン、クロム(III)は必須微量栄養素です。一方、クロム(VI)は強力な発がん性物質です。カドミウムと水銀は蓄積性の毒物です。ニッケルは世界で最も一般的な接触アレルゲンです。多くの遷移金属の微細な金属粉末は自然発火性があります。

知っておくとよいこと

  • テクネチウム(43)は、発見されるのではなく初めて作られた元素であり、安定同位体を持たない元素の中では最も軽い元素です。
  • 水銀は室温で液体である唯一の金属です。これは、6s電子に対する相対論的効果の結果です。
  • これまでに採掘された金をすべて集めても、一辺約22メートルの立方体に収まります。

よくある質問

遷移金属の概要

元素を遷移金属にするものは何ですか?

厳密なIUPACの定義では、原子が一部満たされたd副殻を持つ元素、またはそのような原子から陽イオンを形成できる元素です。技術的には、d殻が常に満たされている亜鉛、カドミウム、水銀は除外されます。しかし、これらはdブロックに位置し、ほとんどの場合この族と一緒に教えられます。このサイトでは一般的な慣例に従い、これらも含めています。

なぜ遷移金属は有色化合物を形成するのですか?

周囲の配位子によってd軌道がわずかに異なるエネルギーに分裂し、その差が可視光の光子エネルギーとたまたま一致するためです。電子が光子を吸収してギャップを飛び越えると、補色が見えます。亜鉛化合物が無色なのは、亜鉛のd殻が満たされていて、飛び越えるギャップがないためです。

なぜ1族および2族の金属よりもはるかに密度が高いのですか?

原子1個あたりに金属結合に利用できる電子が最大12個もあるため、原子同士ははるかに強く引き合います。同じ強い結合によって、高い融点と硬さも生じます。6行目の中央にあるオスミウムは、22.6 g/cm³で、存在する元素の中で最も密度が高い元素です。