金属元素 融点・沸点の違い

金属元素 融点・沸点の違い|小野キャスト

多くの方に読んで頂けたので~
追記していきます。
時々、ご訪問して下さいませ。

金属の融点の違い
イオン価数の積が大きいほど、融点や沸点が大きくなり、
イオン間距離が大きいほど融点や沸点が小さくなる。
融点が高い金属は遷移金属元素に多く見られる。

遷移金属のd軌道の電子が多いために結合が強くなりやすく
軌道をまわる電子に密集した部分と、そうでない部分があり、
隣接する原子の電子が密集した部分同士で結合を作ることによって、
結合の電子密度が上がり、結合が強く引き合う為、融点が高くなる。
その中でもd軌道の電子が多い元素は融点がさらに高くなる。

*遷移元素(transition element)とは?
周期表で第3族元素から第11族元素の間に存在する元素のこと。

水銀とガリウム金属・・・
軌道は両方とも閉殻している為、融点・沸点ともに低くなります。

閉殻:原子が持っている最外殻に含まれる電子の数が8(K殻のみ2)
電子軌道において最外殻のs軌道とp軌道が電子計8個で満たされたときを閉殻という。

d軌道
金属の色、触媒作用、金属の性質を大きく左右しますので、
何となくでも覚えておくと便利が良いです。
とは言え、何となくが・・・理解されていません。

合金になると、別な融点が現れ、奥が深くなって行きます。
軌道とは何か?分かれば、いろんなことが理解出来てきます。

*軌道の説明・特性は、説明が不十分なので、下記に追記していきます。

*****************************

実務的な温度測定方法

融点の違いについて悩まれ、ここに来られた方。
同じ合金素材の温度変化に悩まれているのではないでしょうか。
同じ合金を加工したり、溶解・鋳造・加工しているのに
品質が安定しない。など・・・

融点の測定は、難しく判定できない
製品製造工程において、使用合金の融点・凝固点温度は、
製品製造の品質安定性を維持する上で重要なポイントになります。

状態図や文献・参考書に記載されている温度帯を信頼して
高周波溶解炉の温度設定すると、失敗します。

絶対値
製造面での絶対値は、使用する機械に依存します。
各個人・各企業・自社内で使用している装置や放射温度計・熱電対の使用環境が異なり、
使用する素材も、微妙に配合量のバランスも異なっているものです。
使用する測定装置の誤差や測定方法も異なる為、文献の温度が絶対値ではないのです。

使用する機械での測定が絶対値
使用素材の融点を測定する方法は?徐々に溶解する為、測定不能です。
凝固点、金属が凝固すると少しの間、凝固温度が固定する性質があります。
(励起と遷移が平衡状態になる温度帯が凝固温度、数秒間温度計が止まります)
その温度帯を計測することで、使用素材の正しい温度が引き出せます。
励起と遷移の意味が分からなければ、理解に苦しみますので、下記に記載します。

元素・合金そのものを研究するより、現場において現実的な数値が理解できます。
唯一絶対値は、使用する機械で測定した、凝固温度。

その温度から、プラス〇〇℃で、条件設定すると安定します。
使用素材そのものも、今回の素材はNGです・・・
など判定が出しやすいものです。

同じ配合で、合金された金属素材でも、凝固温度がいつもと違う?
凝固温度が定まらず、下がり続ける。
いつもより高い温度帯で凝固するなど変化が、てきめんに分かります。

合金素材が酸化されていたり、分量が異なっていたり
合金した会社の配合ミス・偏析も見つけることが出来ます。

*弊社のノウハウでもありますが、困っている方が多いようです。
Ptの融点は、文献だと1772℃、弊社の凝固温度は1585℃
真空中でガラス屈折もある為、異なります。

*社内で、温度補正すれば良いのですが、基準の元素も誤差が出る
定期的な補正をするより、毎回、現状の凝固点から製造温度を決めています。
(機械補正するには、時間がかかり過ぎる為。一番の理由です)

弊社内測定した、新規材料のPt9995の凝固温度は、1600℃~1610℃です。
不純物・ガスを溶解再生して取り除くと、安定して1590℃に変わります。
さて、ここで何が起こっているのでしょうか?・・・

*仮説として
元素測定機器では、簡単に測定出来ない元素・化合物が存在する。
または、元素の隙間が広くなっている。

焼結材料でも、同じことが言える。
同じ素材の問題点は、素材が持っている他元素のガスに要因がある。
分析装置では、測定は出来ないので 厄介なものです。

***************************

基本的な元素の分類
電子の軌道の説明を簡単にするのは難しく、
その前の段階、元素とは?原子とは?・・・
と基本的なことの説明が必要になります。

用語の持つ意味を理解されてなければ、
説明を続けると、もともと何の説明をしていたか?
分からなくなって来たり、ダジバンダリー。

*知っておいた方が分かりやすい用語*
下記の内容は、覚えているとモノの見方が変わります。
順番に覚えていくと理解しやすいと思います。
今更、人に聞けない内容です。

元素の分類
一般常識と思って説明してるつもりですが、違ったみたいです。
元素の分類から始めます。元素周期表の区分けの内容。

典型元素
元素周期表の1族2族・12族~18族までの47元素のこと。

遷移元素
元素周期表の3族~11族にある元素
原子番号は103番ローレンシウムまで。
原子番号が増すにしたがい、
d軌道・f軌道に電子が満たされていく性質を持つ。
d軌道の電子が多い元素は融点がさらに高くなる。

アルカリ金属
典型元素の1族に入る6種類の元素
リチウム ナトリウム カリウム ルビジウム
セシウム フランシウム
+1価の陽イオンを生じる。
融点が低く、電気・熱伝導性が良い。

アルカリ土類金属=2族元素
典型元素の2族に入る4種類の元素。
カルシウム ストロンチウム バリウム ラジウム
+2価の陽イオンを生じる。

典型元素の2族に入るベリリウム・マグネシウムも含め6種類の元素も
広義的にアルカリ土類とよばれます。

炎色反応の有無・水との反応の有無の理由から
Be Mg=なし
Ca Sr Ba=反応あり
ベリリウムとマグネシウム金属は、アルカリ土類に含まれていません。

ハロゲン元素
典型元素の17族に入る5種類の元素
フッ素 塩素 臭素 ヨウ素 アスタチン
1個の電子を受け取ると、希ガス構造になる。
-1価の陰イオンを生じる・2原子分子になりやすい。X2

希ガス元素
典型元素の18族に入る入る6種類の元素
ヘリウム ネオン アルゴン クリプトン
キセノン ラドン
科学的に不活性である為、不活性ガスと呼ばれる。

ランタノイド・希土類
*3族6周期と7周期は、周期表の下方にランタノイドとアクチノイド
別表に記載されている。
同位体ではなく陽子数が変わっても似た特性を持つ。

3族6周期 原子番号57番ランタルから原子番号71番ルテチウムまでの15元素
広義には、3族4周期 原子番号21番スカンジウム・
3族5周期 原子番号39番イットリウムも含めた17種類の元素。
ランタノイド・希土類とよばれる。
単離することが難しかったことから、希土類とよばれてきた。
資源としては、スカンジウム以外は、鉱山が豊富に存在する。

ランタノイド 収縮
周期表では、同じ族なら原子番号が増えるに従い最外殻電子が
埋まっていき原子半径が大きくなることが普通です。
周期表ランタノイド(ランタン)から、f軌道から電子が埋まるようになり
原子核の陽子+電荷の増加により、電子-eを引き付ける力が強くなる。

ランタノイドから、原子番号が増えるに従い原子半径が減少する。
ランタノイド収縮とよばれる。(f-ブロック元素)
例外もありますが、重たくなっていく。が分かりやすい。

アクチノイド
原子番号89番アクチニウムから原子番号103番ローレンシウムまでの15元素
原子番号94番プルトニウムまでは、天然に存在する。
原子番号95番以降は、人工的に作られた元素である。

アクチノイドは、ランタノイドと同じく、f軌道に電子を持つ元素
(f-ブロック元素)

同位体
原子番号が同じで、質量数が異なる元素。
陽子の数が同じで、中性子の数が異なる原子核を持つ原子。

原子核=陽子と中性子からなり、陽子の数が原子番号。
陽子と中性子の総数が質量と等しい。

陽子=水素の原子核。
中性子と共に、原子核の構成要素
陽電荷をもつ。スピンは1/2。
陽子の安定性は、物質の安定性の基礎になり、プロトンである。

中性子=陽子よりわずかに大きい質量を持ち、電荷を持たない。
物質中の透過性が強い。
陽子と共に、原子核を構成する。ニュートロンである。

電子 -e
原子・分子の構成要素で素粒子の一つ。
原子半径と軌道を理解する。

2006年の実験による上限値
1.0×10(-22乗m)
いろんな説があり、広くなる傾向。

ニールス・ボーアの原子模型図が定着し、仮説から発展して
現在も、超ひも理論などから、いろんな仮説が提案されている。

もとは、電子は飛び飛びのエネルギー準位をもつ原子軌道を、
通常は最も低いエネルギー準位の軌道から順に占有していく、
という量子力学に基づいた原子模型から発展している。

水素元素の説明だと、理解しやすい
原子番号が増えていくと、複雑になっていく。

水素原子が1cmだとしたら、電子は、半径220m~1000m
直径440m~2000mの範囲で、雲のような半透明な状態で
回っている。
(誤差範囲や励起状態もあり、だいたいのイメージと思って下さい)

小軌道
原子番号・陽子の数が増えていくと、原子の形に合わせて電子の軌道が変わる。
電子軌道は、電子が動き回れるボヤっとした範囲・形といえる。
電子は、光速に近い速さで動いているので雲のようにランダムな形。
電子の軌道は自由な位置を取れず、決まった軌道に決まった数の電子が
入るようになる。それらを電子殻という。ちょっと分かりづらい・・・

電子殻
原子核を取り巻く雲のような境界線である電子の集まりを電子殻という。
電子殻には、決まった数の電子しか入らない膜で、軌道は形。
エネルギー準位の低い方からK殻・L殻・M殻・N殻・O殻・P殻と並ぶ。
電子は軌道に沿って別な殻に移動する。

量子数の小さい電子殻から順に入るようになっている。
このため電子殻の数は、元素によってそれぞれ異なり、
元素周期を決定する要素となる。

各電子殻上で32個より多く電子をもつ原子は発見されていない。

電子軌道と電子殻
量子力学的な軌道をオービタルとよび、電子殻と混同しそうになる。
小軌道は電子殻を構成する電子軌道の集まりで、
エネルギー準位の低い内側のs軌道、p軌道 d軌道 f軌道 g軌道と続く。
各電子軌道の電子容量の和がその電子殻の電子容量となる。

K殻ではs軌道の2個のみ、L殻ではs軌道の2個とp軌道の6個の計8個、
M殻では、s軌道の2個、p軌道の6個、d軌道の10個の合計の18個となる。

元素それぞれの特徴的な姿・形が軌道と思えば分かりやすい。
この文書では・・・まだ分かりずらいと・・・
もう少し編集が必要だと思います。

イオン(ion)=
-e電子の意味が分かってくれば、
イオンについて理解しやすくなります。
元素そのものや、化合物になった分子それぞれの電子が
過剰または、少なくなった状態のことをイオンという。

電子は-e負の電荷である為、原子・分子が電子を放出すると
電荷は、+プラスになり陽イオンになる。
金属原子の多くは、陽イオン。
金属が酸化して化合物になれば、陰イオンになるものがある。
マンガン・クロムが主な金属。

原子・分子が-e電子を受け取ると、電荷は-マイナスになり
陰イオンとなる。ハロゲン族や酸素など、安定した陰イオンになる。

マイナス・イオンと言う科学用語はない=
疑似科学用語として、広く使わられ人の心理を上手く利用している。
信じることで効果が得られる。

一般的な電機メーカーは、陰イオン・負イオンと意味付けしている。。
英語では、negative ion ネガティブ・イオンが正しい。

空気中にある陰イオンという説明が正解らしい?
-e電荷を受け取った状態を指す。
17族であるハロゲン族は、陰イオンになり安定しやすい。
同じ効果があるのだろうか。

陽イオンは、英語でpositive ion ポジティブ・イオン

弊社内では、空気中の陰イオンを静電気除去装置として使っています。
帯電した製品や体の静電気が吸収されます。
部屋中~ネガティブ・イオン~だらけだけど・・・
健康とは結び付いてない感じです。
おそらく、精神修行が足りないからなのです。

*滝のある場所などに出かけマイナス・イオンを感じると
言葉を発してる方、理算系の人達は、口には出しませんが
この方ヤバイと~感じますので、気を付けて下さい。
もしかしたら、帯電した静電気が取れてるのかも知れません。

プラズマは、見て分かりやすい陽イオン
プラズマは、固体・液体・気体に続く物質の第4の状態
固体⇔液体⇔気体⇔プラズマ
気体を構成する分子が電離し陽イオンと電子に分かれて運動している状態。

固体からも昇華しプラズマ状態になります。
ターゲット(蒸着)材料からイオンプレーティングなど利用されている。

プラズマの分かりやすい状態例として

蛍光灯・ネオン

オーロラ

電解質
これも、イオン状態という。
塩とか砂糖が水に溶けて、塊から肉眼で見えない状態になると、
分子を繋いでいたイオン結合がはずれ、静電気もなくなり
安定したイオンになる。この状態を解離と呼び、
その水溶液を電解液という。
スポーツ飲料水などはナトリウム電解液であり、
直ぐに体内に水分が吸収されやすくなる。

生体では、すべてイオン状態で複雑な電解質の平衡により
細胞が成り立っている。

光・光子はどのようにして生まれるか?
遷移元素の軌道まで理解できると、光の不思議が理解できます。
何故光が放射されるのか?説明できる方は、少ない。

遷移元素
周期表で第3族元素から第11族元素の間に存在する元素のこと。

励起(れいき)
原子に電子衝撃を与えたり、光を照射や熱を与え温度を上げたり、
電圧をかけたりすると原子の最外殻を回る電子がエネルギーを得て、
より高いエネルギーレベルにある外側の軌道に持ち上げられます。
電子が高い軌道に移動した原子の状態を 励起(れいき)という。

遷移
この励起された状態の原子は、不安定な状態なので、
電子は短時間でもとの低い軌道である安定した状態に戻ります。
高いエネルギー状態から他のエネルギー状態へ変化することを遷移とよび
高いエネルギー状態から低いエネルギー状態に電子が遷移する瞬間に光を放出する。
(励起状態にとどまれる時間は0.00000001秒)

*熱膨張と凝固収縮もその影響で現れる現象。
*ガリウム・ゲルマニウム・ビスマス金属は、
凝固すると、相転移して結晶状態が変わり
大きく膨らむ特性がある。よって、固体の体積が増える。
水が氷になると体積が増すのと同じく相転移している。

遷移元素は、そのような意味合いから分類されています。
この特性を利用して、可視光線の単色レーザー光や
発光ダイオードなども作られています。

*遷移元素でなくても、遷移は起こる。

UV. 紫外線 (ultraviolet)
紫外線の光は、エネルギー密度が高く物質を励起させるエネルギーがある。
そのような理由で、人にとって目・肌に影響を与える。
波長10~400nm 肉眼で見える紫色より外側(波長が短い電磁波)
可視光線ではないので、肉眼では見えません。

光の利用
3D・CAD/CAM 樹脂造形や女性に大人気ジェルネイルに使用される光硬化性樹脂は
紫外線のエネルギーにより、樹脂を励起させて連鎖硬化を起こし硬化する。

*励起(れいき)という単語には、面白い話がたくさんあります。
想像つくかもしれませんが・・・
読み慣れていない人の多くの方が 勃起(ぼっき)と読み間違えます。
大勢の前で読むと、悲惨です。人の性(さが)、気を付けましょう

波長
光の持つエネルギー=光子の粒が持つエネルギー(パケット)
光子が持つエネルギーの大きさによって、光の波長が決まります。
可視光線=肉眼で見える光は通常400~700 nmの範囲

自然光と蛍光の違い
励起・遷移という単語が理解できてくれば、光とは?蛍光とは?
少し、意味が分かってきます。

光子が物質に衝突すると、そのエネルギーは物質の電子に移動する。
電子は 励起状態になり、すぐに余剰のエネルギーを失う。
そのエネルギー損失で光子放射が起こる。
その光からのエネルギーを得た光子放射を蛍光という

*鏡の反射とは意味が異なる。

蛍光の光子は、もとの光子よりも低いエネルギーになる為、
もとより長い波長になり、異なる色として放射します。
このような理屈で、波長の低い電磁波に変わる。
(紫外線から波長の低い可視光線に変換される)

分析装置への応用
蛍光の特性を利用した機械装置は、数多く作られている。

蛍光・ルミネセンス(luminescence)
今までの言葉のおさらいとして、端的に書くと
蛍光とは、物質が光子エネルギーによる、励起から遷移して放射される電磁波を蛍光という。

蛍光灯
水銀に電流を流しエネルギーを与え発光させると紫外線を放射する。
紫外線からの光子放射エネルギーを吸収し、蛍光として可視光線を放射する照明管。

蛍光の意味合いが理解出来ました。

蛍光X線
紫外線よりエネルギー密度が高いX線、その中でもさらにエネルギー密度の高い
要するに、波長の短いX線を物質に照射すると、元素それぞれ特定の波長でX線を蛍光する。
特性X線・固有X線といい、蛍光X線分析装置など、元素測定に利用される。

分析装置を使用する場合、このことを理解して使用すると
いろんな応用法を思いつきます。

蛍光の利用
蛍光利用でもっとも熱い内容として、医療で大きく発展しています。
肉眼では見えない細胞を、顕微鏡で可視化して立体的に観察。
ips細胞など、その利用無しでは研究が進みません。

癌細胞を可視化して、摘出手術や小さな癌細胞まで見つけるなど、
応用方法はあるものだと感じています。

癌細胞に酵素を結び付け、近赤外線の光で励起させ
癌細胞のみを死滅させる方法など、医療の世界で取り組まれています。

臨床試験が終われば、その治療法はスタンダードになり、
近い将来、癌治療方法も大きく変わって行きます。

臨床試験は3段階あり、現在臨床試験2段階フェーズ(Phase)2
副作用が出にくい治療である為、フェーズ3が省略されると認可が早まる。

期待しています。

近赤外線を照射してがん細胞を消滅させる
癌患者にとって、期待できる内容です。
早く認可されるよう願います。

酸と塩基(アルカリ)
ここで、躓き(つまづき)科学を嫌いになる人が多い。
教師の教え方に問題がある気がします。
元素の基本を知って、こちらに入る方が理解しやすい。

塩基=水酸化物・水溶液をアルカリ(性)という(alkali)
酸=acid

アレニウスの定義
水溶液をルールにしたのがアレニウスの定義で、
水素イオン(H+)を放出するものを酸
水酸化物イオン(OH-)を放出するものを塩基
アンモニアの反応など、定義に入らないものが現れる

ブレンステッド・ローリーの定義
水素イオン(H+)を放出してその濃度を高くする物質が酸
水素イオン(H+)を受け取り、濃度を低くする物質が塩基
アンモニアの反応が説明できた。
水素イオンの受け渡し反応ではない酸と塩基は?

アルカリ金属
典型元素の1族に入る6種類の元素
リチウム ナトリウム カリウム ルビジウム
セシウム フランシウム
+1価の陽イオン

ハロゲン族
典型元素の17族に入る5種類の元素
フッ素 塩素 臭素 ヨウ素 アスタチン
1個の電子を受け取ると、希ガス構造になる。
-1価のイオン

私は、この1属・17族で、酸と塩基が分からなくなりました。
ナトリウムは、水が無くてもアルカリなのか?
先生は、水溶液の授業だからと教えてくれませんでした。

ルイスの定義
電子の受け渡しをルールにしたのがルイスの定義(電子対)
現在は、ルイスの定義が一般的と言うより説明が成り立つ。

入門では、アレニウスの定義で説明される為、
矛盾を生じても、教科書通りなので質問できない。
化学記号 H・OH・O2 のない反応をどう考えればよいか?

Ag2S 硫化銀
CuCl2 塩化銅

酸化という言葉も、電子の受け渡しとして考えると、
理解しやすくなり、スッキリした記憶があります。

酸素(O2)が無いから酸化ではないと言う人も現れて来る。
基本的なことを理解していると、ん?こいつ何言ってるんだ?

上記内容が、ある程度ぼんやりでも理解できると、
ちょっとした文献を読むだけで、内容が理解出来るようになります。
学校の先生に~困った質問をしてみたくもなります。

単位
数値化する為の決め事・約束事。
単位を見ると、何についての説明をしているのか理解できる。

一つの事柄でも、いろいろ異なる単位がある為、
何を意図とするか決めた上で、単位を選択する必要があります。

1L=100dlと、どうでもよいテスト問題が作られる。
デシ=1/10のこと。
↑これも、科学が嫌いになるテスト問題にあたります。

何について説明しているかを伝える単位のことであり、
大きさを詳しく知る必要はなく、その都度調べれば良いのです。

光年という単位も、普通に想像できる単位ではなく
だいたいのイメージが分かればそれだけで良いのです。
そもそも、光年なんて想像できない大きさです。

科学的なことも、物理的なこともほとんど
頭の中で、だいたいなイメージ計算をして
方向性が見えたら、正しく計算をやり直し
答えを見つけていけば良いのです。

凡そ・だいたいのイメージが次に繋がり大切です

 

お問い合わせ・ご質問事項
関連記事

抗ウイルス金属 プラチナ・金・銀・銅 素材提案
金属アレルギーの仕組み
↑現代の金属アレルギー発症は、ホント正しいのか?疑問形↑
金属元素 融点・沸点の違い
金属間化合物と酸化
金属はすべて凝固すると収縮する??

母体金属と添加元素

 

関連記事

  1. 金合金・銀合金の悪夢

    金合金・銀合金の悪夢

  2. アレルギーの先に

    ブライダル・プレゼントジュエリー素材には貴金属を

  3. 貴金属高騰の陰に

    貴金属高騰の陰に

  4. アレルギーの先に

    金属アレルギーの仕組み

  5. 真鍮①|小野キャスト

    真鍮 其の1~其の5

  6. 高融点金属の可能性③ <Irイリジウム>