DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

面白い金属たち 実はいろいろな性質を持っている?

この世の中には様々な金属があり、原子の半分以上が金属です。

そして金属は硬くて重い固体のイメージがありますがそれは鉄をイメージしているからであり、柔らかく、軽い物もあります。

では金属について紹介していきたいと思います。

 

1. 金属とは

金属とは原子の間を自由電子と言う電子が動き回っている構造をしているものを指します。

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青が金属原子黄色が電子

 

このように電子が電気を流す媒体となっているため、電気をよく通す性質があります。また、金属原子と書きましたが正確には原子は陽イオンとなっているために水溶液中では基本的に陽イオンとして存在する性質を持っています。つまり、周りに電子を渡しやすい性質であるのです(電子は負電荷を帯びているため)。

また、この自由電子を持つという性質は延びやすい(延性)、広げやすい(展性)、光沢をもつという特徴も裏付けています。

 

金属原子とは単体でこの性質を持っているものを指し、木星の内部では液体金属水素が存在すると前書きましたが木星内部では水素だけで金属の性質を持っているためにこう呼ばれています。まあ、金属原子は常温常圧下で判定した場合ですけど...

 

 

 

2. 水よりも軽い金属

金属は重いというイメージがあり、実際に大半の金属は水よりも重いですが(軽いことで有名なアルミニウムも2.7倍程度ある)一部の金属は水よりも軽いです。

軽いものはリチウム、ナトリウム、カリウムの3つだけです。

これらの金属はアルカリ金属と呼ばれるものであり、反応性が非常に高い金属です。

特にリチウムの密度は常温常圧下で0.53g/㎤であり、水の半分程度しかありません。

では、水に浮くかと言いますと...

 

浮くには浮きますが水と反応して水に溶けてしまいます

実はアルカリ金属は反応性が高いと書きましたが想像以上に高く、水ぐらいでもすぐ反応し、空気中におくとあっという間に酸化(さび)してしまいます。

なぜこのように反応性が高いかと言いますと電子軌道に問題があります。

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これはリチウムの例ですがアルカリ金属の電子軌道は安定な配置(希ガス構造と呼ばれる)のすぐ外側の軌道に電子が1つある構造をしており、この電子が抜けることにより安定化するために反応性が高いのです。放出された電子は空気中の酸素なり、水なりと反応して、酸化物イオン、水酸化物イオンに変えてしまいます。

電子をe-と書くとこのような反応が起きています。

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ここでの赤がそれぞれ酸化物イオン、水酸化物イオンです。

下の反応に注目しますと水酸化物が発生し、水をアルカリ性にしてしまいます。動画とかで川にリチウム等を投げている物がありますがあのようなことをすると水質がアルカリ性となり、川が汚染し生物が死去するためマネしないでください。ちなみにリチウムイオンには特に害はありません。

また、リチウムを水に多量に入れると爆発するがこれは同時に発生した水素が反応熱によって空気中の酸素と反応しているためです。

 

反応性が高い金属は電子移動によりすぐ反応し、その時熱を放出するため結構危険です。

 

あれ? 何の話をしてたんだっけ?

そうだそうだ水よりも軽い金属についてだった。

水よりも軽い金属は全てアルカリ金属だから話がそっちのほうに行ってしまったが一応特殊な条件下では(真空中等)水よりも軽い金属があるということです。

ちなみにこれらの金属は非常に柔らかく、すぐ曲がってしまいます。

 

 

 

3. 液体の金属

液体の金属と言えば水銀が有名ですが実は常温常圧下で液体の金属は水銀しかありません

しかし、少しだけ温度を上げれば液体と化す金属が実はあるのです。

それは原子番号31番ガリウム(Ga)であり、周期表ではアルミニウムの下に存在する金属で、アルミニウムと深い関係があります

この金属は窒素との化合物である窒化ガリウム(GaN)半導体として用いられていることで有名です。

ガリウムの融点はわずか29.8度であり、夏場になると簡単に溶けてしまいます。もし、夏に太陽が当たる所に置くと昼は溶けて夜は固まるという現象が起きてしまうということです。

しかし、沸点は非常に高く、2,403度もあり、液体の範囲が非常に広い金属です。

ちなみにアルミニウムの融点は660度と結構高いです。

 

 

ここまでガリウムの話をしましたがやっぱり水銀の話もしたいです。

水銀は全金属中で最も融点が低く、周期表の原子の中で臭素と水銀だけ液体です(もちろん常温常圧下で)

しかし、最近オガネソンと言う原子番号118番の原子が常温常圧下で液体と噂されているが...。まあこれは人工原子なのですぐ崩壊するが

とまあ、これらのことは置いといて水銀の融点はマイナス38.8度ぐらいであります。

この温度は日本ではほぼ観測されず、北海道でかなり昔にマイナス41度になったことがあるのでこの時には水銀は固体となります。

また、南極では水銀の融点を下回る日が多いため、もはや南極では水銀と言っていいのだろうか?

 

また水銀は有毒な物質で特にメチル基と結合したメチル水銀は非常に恐ろしいものであり、水俣病の元凶となったために水銀規制は激しく、かつては水銀温度計なるものが流通していましたが現在ではアルコール温度計が流通しています。

 

ちなみに水銀と呼ばれていますが水銀は銀とは全く似ておらず、どちらかと言いますと亜鉛やカドミウムと似ています。

また、亜鉛はやはり鉛とは似ておらず鉛はゲルマニウムや錫と似ています。 

ちなみに水銀は他の金属を溶かし、アマルガムと言う合金を作ります。