Metal - kinzoku (English spelling) metal

Japanese: 金属 - きんぞく（英語表記）metal

Generally, it is a general term for a substance that has a distinctive luster, is a good conductor of electricity and heat, and is malleable and ductile at room temperature (however, mercury is a liquid at room temperature).

Three-quarters of elements are metals. As of 2016, 118 elements are known. There is little reliable data on elements 104 and above, but in 2014, element 106, seaborgium, was demonstrated with a high degree of confidence to have chemical properties characteristic of group 6 elements. All elements with atomic numbers 93 and above are artificially created, but four other elements, technetium (43), promethium (61), astatine (85), and francium (87), do not exist in nature. About two-thirds of these elements are metal elements, but if elements with metallic properties are included, the number increases to three-quarters.

The solids formed by these metallic elements (hereinafter, unless otherwise specified, "metals" refers to metallic solids) have various distinctive properties that distinguish them from salt, sugar, or rocks. Metals are good conductors of heat and electricity, and can be formed into wires or sheets by hammering or stretching. They are opaque to light and have a unique metallic luster. Some metals, such as the alkali metals, react easily with oxygen, while others, such as gold and platinum, hardly oxidize. Some metals, such as tin, are metallic at room temperature, but change to a grayish-white nonmetallic state when cooled.

On the other hand, there are substances such as pyrite (ferric sulfide) that have a golden appearance but are not metals. In physics, a metal is defined as a substance that has a Fermi surface, but this is too technical an expression. In chemistry, an element that reacts with an acid to form a salt can be defined as a metallic element, but this is a property of the atom, not a characteristic of a metallic crystal.

[Seizo Nagasaki and Makoto Hirabayashi, April 17, 2015]

What gives metals their properties?

Many of the properties of metals are due to the fact that when metal atoms condense to form a crystal, the electrons (called valence electrons) that form the outermost core around the atomic nucleus become conduction electrons and can move freely around the crystal. Taking a monovalent metal (one valence electron per atom) such as sodium as an example, one valence electron per positive ion can be likened to a cloud-like structure floating in the space within the crystal lattice. A metal is a lattice of positive ions and a cloud of negatively charged electrons that condense together due to electrostatic forces (Coulomb attraction). The electron cloud is the valence electrons that spread throughout the crystal as waves, and if we consider them as particles, they are equivalent to conduction electrons moving around freely.

Metals are malleable and can be rolled into thin sheets or drawn into wires because the cohesive forces between the electron cloud and the lattice of the ions do not change much even if the lattice is displaced by an external force. In contrast, in crystals such as rock salt or diamond, deformation by an external force breaks the bonds.

Metals can be easily deformed due in part to metallic bonds, but also because various defects in the metal crystals allow metal atoms to move easily when external force is applied, and because the crystal planes can slide against each other. Therefore, the force required to slide the crystal planes of real metals is one or two orders of magnitude smaller than the value theoretically calculated if there were no defects. Taking gold, which is the easiest to deform, as an example, one gram of gold can be stretched to more than 2,000 meters without annealing in between to make gold thread. Gold leaf can also be made to a thickness of just 0.07 micrometers.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal structure sensitivity

Many properties of metals are often changed significantly by certain treatments. For example, the properties can change significantly when various metallic elements are added to make alloys, when appropriate heat treatments are applied, when mechanical deformations are applied, or when neutron irradiation is applied. The mechanical stress at which a metal starts to undergo plastic deformation is called the yield point. For high purity iron, the yield point is about 1 kilogram per square millimeter, but when a few atomic percent of carbon is added and appropriate heat treatments are applied (such as steel), the yield point can rise to as much as 200 kilograms per square millimeter. The same thing happens with electrical conductivity and corrosion resistance. Such metal properties are called structure-sensitive properties, but the melting point, density, heat capacity, etc. do not change much even with the above-mentioned treatments.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal Crystal Structure

Many metals form relatively simple crystal lattices such as face-centered cubic, close-packed hexagonal, and body-centered cubic lattices. What we usually see is a collection of fine crystals (called polycrystals).

There are two ways to stack spheres closely together: one is a face-centered cubic lattice, and the other is a close-packed hexagonal lattice. First, the spheres are arranged closely together on a plane. This is one way. Next, there is also one way to stack spheres closely on top of this. There are two ways to stack the spheres in the third layer: either in the same position as the first layer, or in the empty space in the second layer, and the fourth layer is the same as the first layer again. The former stacking method is called hexagonal stacking, and corresponds to the close-packed hexagonal lattice. The latter stacking method is called cubic stacking, and corresponds to the face-centered cubic lattice. A body-centered cubic lattice has spheres at the eight corners of a cube and one sphere in the center of the cube. It looks like there are 14 spheres (atoms) in total, 8 at each corner and 6 at the center of the faces, but in fact only 4 belong to this unit cell. The eight corner spheres are shared by eight adjacent unit cells, and the central sphere of a face is shared by two adjacent unit cells (in the case of a body-centered cubic structure, two belong to this unit cell).

Gold, silver, copper, platinum, nickel, aluminum, and lead have a face-centered cubic structure, while iron, tungsten, chromium, sodium, and potassium have a body-centered cubic structure, and magnesium, titanium, and zirconium have a close-packed hexagonal structure. Cadmium and zinc have a close-packed hexagonal structure that resembles stacked spheres stretched vertically like a rugby ball. Elements other than these three crystal structures are exceptional and in the minority, including uranium, manganese, tin, indium, gallium, and mercury.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal transformation phenomenon

Iron has a body-centered cubic structure at room temperature, but changes to a face-centered cubic structure at about 910°C, then changes back to a body-centered cubic structure at about 1400°C, and melts at 1538°C. Under high pressure, it also changes to a close-packed hexagonal structure. Uranium melts at about 1133°C, but before that, its crystal structure changes three times, from α (alpha), β (beta), and γ (gamma). Manganese changes four times, from α, β, γ, and δ (delta). Titanium and zirconium transform from a close-packed hexagonal structure to a body-centered cubic structure at 880°C and 870°C, respectively. This transformation phenomenon is seen not only in pure metals but also in alloys, and in practical applications, some metals, like iron, can use this phenomenon to obtain various properties, but like uranium, if it remains a pure metal, it will deform abnormally during use due to the transformation, so it is used as an alloy or compound to prevent this transformation and to be used as nuclear reactor fuel.

When tin is cooled, it changes from its metallic form to semiconducting gray tin. This transformation does not occur at everyday temperatures because the rate of transformation is too slow, but in January 1868 in St. Petersburg, Russia, temperatures reached -38°C, and many works of art and pipes of pipe organs were destroyed by this transformation. This phenomenon is called tin plague or tin disease.

The theoretical elucidation of the mechanisms of transformation phenomena, as well as their practical applications, is an important and fascinating topic in metallurgy.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal shine and color

Metals are characterized by an opaque shine that does not transmit light, rather than the transparent shine of diamonds. Aluminum and silver surfaces are used as mirrors because they reflect light well. Decorative plating is the shine of chrome. These reflect white light directly, so they have a colorless shine, but the source of this shine is the metal's ability to conduct electricity well.

Light is an electromagnetic wave, but when the frequency of electromagnetic waves becomes very high, they can only penetrate to the very surface of a metal due to the skin effect. The thickness of this skin is about 0.3 mm for 10 MHz radio waves and several hundred angstroms for visible light, so the light is reflected without penetrating beyond the skin depth, which gives rise to the metallic luster.

Many metals have a colorless metallic luster, but gold is yellow and copper is red. On the other hand, silver is white. Copper absorbs all of the orange to short wavelengths of incident white light, so the reflected light appears red, while gold absorbs all of the green to short wavelengths, so the reflected light appears yellow. However, in the case of silver, only wavelengths shorter than ultraviolet light, which is about 3,200 angstroms, are absorbed, so all visible light is reflected and no color is produced.

When the thickness is several hundred angstroms, as in the case of gold leaf, some of the absorbed light cannot be absorbed and passes through. When gold leaf is held up to the sun, it appears green because light with wavelengths longer than green is reflected and light with wavelengths around green, which does not have a large absorption coefficient, passes through.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal smelting

Precious metals such as platinum and gold may exist in their elemental form, but many exist in the form of oxides, sulfides, hydroxides, etc. The technology of reducing these metals in an appropriate manner to extract the metal (smelting) is called metallurgy. In addition to iron and zinc, other metals that can be reduced with carbon include magnesium, copper, tin, nickel, titanium, cobalt, and silver. Various metals can be obtained by hydrogen reduction, but the only practical application is the production of metallic tungsten and molybdenum by reducing oxides. Iron and nickel can also be reduced with hydrogen for special purposes.

Metals with stronger reducing power can be used to reduce other metals. Thermite (Goldschmidt) process is one example. Titanium is reduced with magnesium or sodium. Before the current molten salt electrolysis method was developed, aluminum was produced by reducing aluminum chloride with sodium.

High-purity metals can be produced by creating unstable metal compounds and thermally decomposing them, but this is difficult to do on an industrial scale (titanium is produced by decomposing titanium tetraiodide or titanium tetrabromide, and nickel is produced by decomposing nickel carbonyl). Sodium, magnesium, calcium, aluminum, etc. can be obtained by melting the salts of these metals at high temperatures and electrolyzing them.

Copper can also be smelted by the dry process, but it can also be obtained by dissolving copper oxide in dilute sulfuric acid and electrolyzing it to produce an aqueous solution of copper sulfate. Nickel, zinc, and silver can also be smelted in the same way.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal workability

The ease of various processes, in addition to the physical and chemical properties, further enhances the usefulness of metals as materials. Casting, in which metal is melted, poured into a mold, and then solidified to create a shaped object, has been practiced since the Yin and Zhou dynasties several thousand years ago, but in recent years it has become possible to create objects with extremely high precision and special mechanical properties, making it an increasingly important technique.

Plastic processing technology, in which metal blocks are hammered and stretched to make plates, rods, wires, tubes, etc., is a processing technology that makes the most of the properties of metals. The products are extremely diverse, ranging from wires a fraction of the thickness of a human hair, to thin pipes and oil pipelines with diameters of several meters, and from plates one meter thick to foils far thinner than one micrometer (aluminum foil used for cooking is about 20 micrometers).

Welding and brazing are also essential techniques for using metals.

When fine metal powder is solidified and heated at high temperatures (below the melting point), the powder fuses together and becomes solid (a process called sintering). This technique has long been used to process platinum, and today it is used in a variety of applications, including the manufacture of high-melting-point metals such as tungsten and molybdenum, various precision parts, and the creation of composite materials by mixing metals that cannot be alloyed by conventional methods.

Recently, a non-crystalline (amorphous) state has been obtained by rapidly cooling a metal in a liquid state at a speed said to be tens of thousands of degrees Celsius per second to prevent crystallization. Metals in this state have properties not seen in ordinary materials in terms of corrosion resistance, mechanical strength, and physical properties, and new avenues for their use are being opened up.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal Purity

No industrial material is as pure as a metal. The success of the transistor was due to the availability of high-purity germanium and silicon. Metals contain various impurities that are introduced into the ore or during the smelting process. Depending on the nature of the impurities, they are refined by methods such as distillation, re-electrolysis (aluminum), and melting in a high vacuum.

A method often used in the field of semiconductor materials is called zone refining, in which a very narrow molten region is created at one end of a rod-shaped sample, which is then melted in sequence toward the other end, sweeping up impurities by utilizing the difference in solubility, just as one would sweep up garbage. By repeating this process, the impurities gather at one end.

The purity of silicon and germanium is expressed by the resistance value. It is generally expressed as three-nines or four-nines aluminum, but this does not mean that the aluminum itself is 99.9% or 99.99%. In the case of aluminum, the purity of aluminum is determined by analyzing the impurities that are problematic for its use, such as copper, iron, and silicon, and subtracting the result from 100. If necessary, other elements are also analyzed and the total is subtracted from 100. Therefore, there are many other elements present, although in small amounts. Even if the net aluminum is 99.9, it is only 99.7 or 99.8. In this way, purity is determined as a rule according to each purpose. Each country sets its own standards, but in Japan, the Japanese Industrial Standards (JIS) determine what is analyzed and how purity is expressed.

When purity is extremely high, it becomes difficult to determine purity by chemical analysis, so for semiconductors such as silicon and germanium, it is determined by the value of electrical resistance, and in physical research, electrical resistance at liquid helium temperature (4.2K absolute temperature) is extremely sensitive to purity, so the ratio of this value to the value at room temperature, which is not very dependent on purity, is called the residual resistivity ratio (RRR) and is used as a guideline. The higher this value, the higher the purity, with values of tens of thousands for gold, silver, and copper, and hundreds of thousands for molybdenum and tungsten. Note that purity can refer not only to the amount of impurities, but also to physical purity, such as the number of defects (lattice defects) in the metal lattice.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metal Corrosion and Oxidation

In nature, metals other than precious metals such as gold and platinum exist in the form of oxides, sulfides, hydroxides, carbonates, etc. This is because these are the stable forms. The metals obtained by the process of separating them from oxygen and ions and turning them into elements, that is, smelting, using a huge amount of energy, are in an unstable form, so depending on the environment, they will eventually change back to their original stable form.

This phenomenon called corrosion takes different forms depending on whether the environment is air, water, or high temperature, but it is the most important problem when using metallic materials. One method to prevent this is to make the oxide film that forms on the surface uniform and without large cracks. For this purpose, it is purified or other metals are added to create a strong film (chromium oxide) like stainless steel. Or a strong oxide film is intentionally created like aluminum. Plating is the application of a strong metal film that is more resistant to rust (chrome plating, gold plating, rhodium plating on silver products, etc.). Another method is to paint. However, rusting is the fate of metals, and because of this, metals can be regenerated and the earth will not be covered with unusable metal structures.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

Metals Research and Equipment

The properties of metals and alloys can change dramatically depending on minute changes in composition, internal structure, surface texture, etc., and instruments that measure these properties play a major role in metal research and applications.

Metals are opaque to visible light, so their structure cannot be seen with a typical light-transmitting optical microscope. Metallurgical microscopy was developed about 200 years ago, in which the surface of a metal sample polished to a mirror-like smoothness is slightly corroded with acid or other chemicals, and the difference in the way the metal is corroded due to its structure, phase, etc. is utilized to examine the metal using reflected light. Even today, this method remains the most basic means of examining the structure, processing method, and presence of impurities in metals. However, because light is used, the magnification is limited to 1000x, and only the surface can be observed.

Thermal analysis, a method for capturing changes in the physical properties of a sample as a function of temperature, was developed at the end of the 19th century and remains an important technique for studying the melting points and transformations of metals and alloys.

X-ray diffraction, a method for investigating the crystal structure of metals, was established in the mid-1910s, and since then the structures of many metals and alloys have been clarified. More recently, electron diffraction and neutron diffraction have made it possible to clarify structures that cannot be determined by X-rays.

After World War II, the development of electron microscopes allowed us to see the misalignment of crystal lattices in metals, the presence of various defects, and the form of impurities at the atomic level. In addition, scanning electron microscopes came into practical use in the 1970s, making it possible to observe changes in the surface structure of metal materials due to destruction and corrosion at magnifications of several tens to tens of thousands of times. Furthermore, the development of technologies using electron beams and X-rays allowed us to know the trace impurities in metals, the composition of minute parts, and the form of oxides on the surface. Furthermore, there were significant advances in the means of component analysis, such as activation analysis, which activates and measures minute impurities by irradiating them with radiation, spectroscopic analysis using plasma, and atomic absorption analysis, and impurities and components became known at the ppm and ppb levels, leading to a remarkable development in metal research.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

The future of metals

From the bronze age to the iron age, and then in the 20th century, aluminum and more recently titanium appeared. Copper has been largely replaced by other materials except for electrical uses, and although iron still maintains its position as a structural material and electromagnetic material, it has ceded significant areas of use to aluminum and plastics in general products.

Aluminum, too, still maintains a strong position as a building material, tableware, household goods, and aircraft material due to its lightness, corrosion resistance, and workability, but in aircraft it has been largely replaced by titanium due to its heat resistance. In aircraft fuselages, it has been replaced by new carbon-based materials in recent years. In addition, new metals such as rare earth metals have recently become relatively easy to obtain as simple metals due to advances in smelting technology, and are therefore popular as alloy elements.

Manganese is by no means a new metal, but it is said that there are nearly infinite reserves on the deep seabed, and its utilization is being discussed. However, due to its workability and the complexity of its transformation, manganese is unlikely to be used as a standalone metallic material, and at best it can only be used as one of the alloy elements, and its oxides can be used as battery materials and inorganic chemicals.

Metals such as niobium, tantalum, and zirconium are also useful for special applications such as superconducting materials, nuclear reactor materials, and high-temperature resistant materials, but are not structural materials that can replace aluminum or iron.

Although there may be some fluctuations in the amount and manner of use of the so-called common metals such as iron, copper, and aluminum, they will not lose their importance as metallic materials that support our technological civilization in the future. However, resources are limited, and even metals that seem to be very abundant, such as iron, are becoming less abundant in high quality, and strong caking coal, which is necessary for smelting, is becoming scarce. Many metallic materials can be recycled and reused, so effective recycling is necessary.

In contrast to common metals, there is a classification of metals called "rare metals" or "less common metals." This is a classification in which metals are grouped together from the same perspective, such as their history of use, production volume, and applications, and they are classified as common metals, base metals (normal metals), rare metals, minor metals, and precious metals, but these classifications are a mixture of geochemical and practical perspectives, so strict definitions are impossible. Nevertheless, in the field of new material development, various functional materials are being created that utilize the unique physical properties of rare metals. To give a few examples, they include ferromagnetism, superconductivity, semiconductors, batteries, high-temperature resistance, corrosion resistance, photoelectric conversion, and thermoelectric conversion.

[Seizo Nagasaki April 17, 2015]

History of metal use

The history of metal use depends on the difficulty of the metallurgical operations to extract the metal from its ore. Although native gold, silver, and copper are also produced, metals are often produced in the form of oxides and sulfides. The stronger the bonds between these compounds, the more difficult it is to extract the metal through metallurgical operations. Gold, silver, copper, and iron have been known since ancient times, followed by lead, tin, zinc, and more recently aluminum, all due to the strength of these bonds.

Native gold, native copper and meteoric iron are thought to have been used for 4,000 to 5,000 years, but it is believed that humans began smelting metals in ancient times, even before recorded history. Initially, easily reducible ores happened to be found in places where campfires were made, and these were reduced by the heat and reducing flames to produce metals and alloys (bronze and brass).

Copper ore was said to have been mined and refined in Mesopotamia 5,000 to 6,000 years ago, and further in Egypt. It is said to have been in China 4,000 years ago, and copper is estimated to have been introduced to Japan around 2,000 years ago. Copper was first mined in Japan at the end of the 7th century. In 708, copper was presented from the Chichibu region of Saitama Prefecture, and the era name was changed to Wadō, and the first Wadokaichin copper coins were minted in that year.

Later, in the Edo period, copper ore was mined in various places such as Ashio and Besshi, and large quantities were exported through trade with the Netherlands and China. During the Genroku period (1688-1704), Japan's copper production was said to be about 6,000 tons per year, making it the world's largest copper-producing country at the time.

Bronze is made by mixing copper ore with ores containing tin and lead and reducing the mixture. This alloy is hard and useful as it can be cast into objects, so it spread from the ancient Orient to Europe, China and other parts of Asia, and finally to Japan, where it was used to make fine weapons, religious ceremonial vessels, statues, mirrors, and more. It is believed that the ancient Chinese knew that the properties of the alloy changed depending on the ratio of copper and tin used, and made various tools accordingly, but it is questionable how much they understood given the knowledge of metallurgy at the time.

Bronze is an alloy of copper with various ratios of tin and lead. Using lead as a clue, research is being conducted to determine the origins of the ores used to make ancient bronze vessels in China, Korea, and Japan, and to determine whether Japanese-made mirrors were made from imported or domestic ores. This research makes use of the fact that the abundance ratios of lead isotopes (there are four types: 204, 206, 207, and 208) differ depending on the place of origin, and it is believed that such research will gradually shed scientific light on the relationship between metals and humankind (see Mabuchi Fumio et al., Natural Scientific Research on Ancient Cultural Properties, 1984).

It can be said that ironmaking began wherever there was ore, which is a common feature everywhere. In Japan, there have long been iron smelting methods, such as the tatara iron smelting method, which mainly used iron sand from the Chugoku mountain range, and the iron smelting method using magnetite (called mochitetsu) in the Iwate region, but the amount of iron produced by these methods was very limited, and it was used mainly for weapons such as swords.

Western-style blast furnaces using iron ore, charcoal, and coal as raw materials were introduced from the end of the Edo period through the Meiji period, and steelmaking was centered in Kamaishi, Iwate Prefecture, but it was not until 1901 (Meiji 34) that a modern-scale steelworks was established in Yahata, Kitakyushu, that modern industrial steelmaking began. This was also the year that U.S. Steel, the world's largest steel manufacturer at the time, was founded in America.

In ancient and medieval times, it was not possible to obtain high temperatures sufficient to melt and reduce iron ore, so the method used was to forge semi-molten iron, squeeze out the slag, and then press the iron into various shapes. In the early 14th century, a charcoal blast furnace using air blown by a water wheel was developed, which made it possible to obtain molten iron, but this method led to a large consumption of wood resources, and as a result, coal began to be used around the 18th century, and blast furnaces were made larger in scale. However, the pig iron obtained from the blast furnace contained carbon, so although it could be used for casting, it could not be forged. Wrong-cast iron with reduced carbon became possible to obtain with the invention of the puddle process by H. Cort in England in 1784. In the mid-19th century, H. Bessemer developed a method of blowing air into molten iron to oxidize it and turn it into steel, followed by the invention of the converter by G. Thomas, and the use of electric furnaces. The age of steel began in the second half of the 19th century.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do.

In Japan, one kilogram of aluminum bullion was melted at the artillery arcade in Osaka in 1894 (Meiji 27) to create military supplies. At the time, it was prized under the name "Keigin" because it was as beautiful as silver and light. It was recently successful in factory-scale smelting, and was founded at Nihon Denko (now Showa Denko) in Omachi, Nagano Prefecture in 1934 (Showa 9). The aluminum alloy duralumin was manufactured in 1919 (Taisho 8) at Sumitomo Shinko Copper Station (now Nippon Steel & Sumikin) and was called Sumitomo Light Silver, and was produced from the following year in 1920, but the technology was introduced from Germany as compensation for World War I.

In addition, a report from China that said that metal aluminum was already known in ancient China led to a stir, but this was a misconception.

Zinc as a metal is also relatively new, and is said to have been released from the 17th to the 18th century. It is believed that zinc became known to Japan through China until the 18th century.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do. It is said that in Rome at the time, lead was used for water pipes and buildings, and there was also knowledge of solder , an alloy of lead and tin. Although there was already a warning about the toxicity of lead at the time, bronze was too expensive to use as a water supply pipe, it was only used in valves and other parts. It is not clear when lead came to Japan, but it is speculated that it was in the 7th or 8th centuries, etc.

It was only after World War II that new metals such as titanium and rare earth metals, or semi-metals such as germanium and silicon, began to appear as industrial materials. With the emergence of these new faces, the world of metal materials became a wide variety, but the main character was steel, and although it had become a bit fainter, copper was also a new one.

Iron has three different transformations, and carbon is incorporated into its crystal lattice to make steel, and it has the properties of producing tens of thousands of different types of materials with various mechanical properties by processing, heat treatment, and the addition of a few alloying elements, and is also available in large quantities at low prices. It also has the unique property of ferromagneticity not found in metals other than nickel and cobalt. Although there are sectors where carbon is incorporated into its crystal lattice, it is likely that its importance as a structural material will not be lost.

Copper also has many excellent features, such as the second highest electrical and thermal conductivity after silver, the ability to easily obtain a variety of alloys, and good bonding properties. Even if the amount of use is reduced, its raison d'etre will not be lost.

［長崎誠三 2015年4月17日］

"Konda Nariyasu, "Metalology of 1 Million People: Basics" (1965, Agne/Reprinted Edition, 2003, Agne Technical Center)" ▽ "Million People: Materials Edition" (1965, Agne)" ▽ "Metalology of 1 Million People: Materials Edition" (1965, Agne)" ▽ "Metalology of 1 Million People: Materials Edition" (1965, Agne)" ▽ "Nagasaki Seizo, "Basic Lecture of Metal Properties 1: Introduction to Metal Properties" (1977, Maruzen)" ▽ "Encyclopedia of Knowing Metals" (1978, Agne)" ▽ "Hirone Tokutaro, "Metalology of 1 Million People: Science Edition" 2nd Edition (1990, Agne)" ▽ "Konamisaki Seizo, "Metal Glossary" (1995, Metal Society of Japan)" ▽ "Metal Terminology Dictionary" (2004, Agne Technical Center) edited by the Metal Terminology Dictionary Editorial Committee

Periodic table of elements and crystal structure of metals at room temperature.
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Periodic table of elements and crystal structure of metals at room temperature.

Typical crystal lattice of metals
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Typical crystal lattice of metals

Resistivity of various materials at room temperature
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Resistivity of various materials at room temperature

Absorption spectra of copper, gold and silver
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Absorption spectra of copper, gold and silver

Electrical resistance of germanium rods before and after purification by the band melting method.
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Germanium rod before and after purification by the belt melting method...

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

一般に、特有の光沢をもち、電気と熱をよく伝え、展性・延性をもつ常温で固体の物質の総称（ただし水銀は常温で液体）。

　元素の4分の3は金属である。2016年の時点で118の元素が知られている。104番以降の元素は信頼性の高いデータはほとんど得られていないが、2014年106番元素のシーボーギウムは第6族元素に特徴的な化学的性質をもつことが高い信頼度で実証された。原子番号93番以上の元素はすべて人工的につくられたものであるが、それ以外でも43番のテクネチウム、61番のプロメチウム、85番のアスタチンと87番のフランシウムの4種は天然には存在しない。これらの元素のうち約3分の2が金属元素であるが、金属的な性質をもつ元素までを含めると4分の3にもなる。

　これらの金属元素が形づくる固体は（以下とくに断らないときは、金属とは金属固体を意味する）、塩や砂糖、あるいは岩石などとは異なり、さまざまな際だった性質をもっている。金属は熱や電気をよく伝え、たたいたり伸ばしたりすることによって、線にしたり板にすることができる。光に対して不透明で特有の金属光沢をもっている。アルカリ金属のように酸素と反応しやすい金属もあれば、金や白金のようにほとんど酸化されない金属もある。スズのように室温では金属であるが、冷やすと灰白色の非金属状態に変化するものもある。

　一方、黄鉄鉱（硫化第二鉄）のように黄金色の外観をもつ物質ではあるが金属でないものもある。物理的には「金属とは一つのフェルミ面をもつ物質である」と定義づけられるが、これはあまりに専門的な表現である。化学的には、酸と反応して塩(えん)をつくる元素を金属元素というと定義することができるが、これは原子としての性質であり、金属結晶の特性ではない。

［長崎誠三・平林　眞　2015年4月17日］

金属の特質は何によるか

金属の特質の多くは、金属の原子が凝集して結晶になるとき、原子核の周りの最外核を形成する電子（価電子という）が伝導電子となって結晶の中を自由に動き回れる状態になることに起因している。ナトリウムのような1価の金属（価電子が原子当り1個のもの）を例にとると、正イオン当り1個の価電子が結晶格子内の空間に雲のようにたなびいているようすに例えられる。正イオンの格子と負の電荷をもつ電子の雲が静電気的な力（クーロン引力）を及ぼし合って凝集しているのが金属である。電子雲というのは、価電子のそれぞれが波動として結晶全体に広がっているもので、それらを粒子としてみれば、伝導電子が自由に動き回っていることに相当する。

　金属に展延性があり、圧延して薄板に成形したり、線引きして針金にしたりできるのは、イオンの格子が外力によってずれても、全体に広がった電子雲との凝集力があまり変化しないからと考えられる。これに反して岩塩やダイヤモンドのような結晶では、外力で変形させることは結合を断ち切ることになる。

　金属が容易に変形できるのは、一つは金属結合によっているが、さらには金属結晶の中にある種々の欠陥を仲立ちとして金属原子が外力をかけたとき容易に動けること、結晶の面が互いにずれ合えることによっている。したがって、実在の金属の結晶面を滑らすために必要な力は、理論的に欠陥がないとして計算した値に比べて1桁(けた)も2桁も小さい。もっとも容易に変形させやすい金でいえば、途中なましたりしないで1グラムの金で2000メートル以上に引き伸ばして金糸をつくれる。また、金箔(きんぱく)としては0.07マイクロメートルもの薄さにすることができる。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の構造敏感性

金属の多くの性質は、特定の処理を行うことによって、しばしば著しく変化する。たとえば、各種の金属元素を添加して合金をつくったり、適当な熱処理を施したり、機械的な変形を加えたり、中性子で照射したりすると、著しく性質が変化することがある。金属が塑性変形を開始するときの機械的応力を降伏点というが、高純鉄では1平方ミリメートル当り約1キログラムなのに対して、炭素を数原子％加え、適当な熱処理を施すと（鋼がこれである）1平方ミリメートル当り200キログラムもの値にまで上昇する。同様なことは、電気伝導度、耐食性などでもおこる。このような金属の性質を構造敏感な性質とよぶが、融点、密度、熱容量などは、前述のような処理によってもあまり変化しない。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の結晶構造

多くの金属は面心立方格子、最密六方格子、体心立方格子という比較的簡単な結晶格子を形づくっている。通常われわれが見ているのは、細かい結晶が集まったもの（多結晶という）である。

　球を密に積み重ねる方法には2通りあるが、一つは面心立方格子になり、一つは最密六方格子になる。まず、平面に球を密に並べる。これは1通りである。次にこの上に球を密に積む方法も1通りである。3層目に球を積む方法には、1層目と同じ位置に積む場合と、2層目のあいたところに積み、4層目はまた1層目と同じになる場合との2通りがある。前者の積み方を六方の積み方といい、最密六方格子がこれにあたる。後者の積み方を立方の積み方といい、面心立方格子はこれである。体心立方格子は、立方体の八つの隅に球があり、立方体の中心に球が1個の形である。これには各隅8個、面の中心にある6個、計14個の球（原子）があるように見えるが、実は4個だけがこの単位胞に属している。隅の8個は隣り合う8個の単位胞により共有され、面の中心の球は隣り合う2個の単位胞により共有されているからである。体心立方構造の場合は2個がこの単位胞に属している。

　金、銀、銅、白金、ニッケル、アルミニウム、鉛などが面心立方構造をとり、鉄、タングステン、クロム、ナトリウム、カリウムなどが体心立方構造を、マグネシウム、チタン、ジルコニウムなどが最密六方構造をとる。カドミウムと亜鉛は、ラグビーのボールのように縦に伸ばした球を積んだ形の最密六方構造である。この3通りの結晶構造以外のものは、ウラン、マンガン、スズ、インジウム、ガリウム、水銀など、例外的で少数派のものである。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の変態現象

鉄は室温では体心立方構造であるが、約910℃で面心立方構造に変わり、さらに約1400℃でふたたび体心立方構造に変わり、1538℃で溶ける。また高圧下では最密六方構造の鉄に変わる。ウランは約1133℃で溶けるが、それまでにα(アルファ)、β(ベータ)、γ(ガンマ)と3回も結晶構造が変わる。マンガンはα、β、γ、δ(デルタ)と4回も変わる。チタンとジルコニウムはそれぞれ880℃と870℃で最密六方構造から体心立方構造へと変態する。このような変態現象は純金属だけではなく合金にもみられ、実用上からは、鉄のようにこれを利用して、さまざまな性質が得られるものもあるが、ウランのように、純金属のままでは使用中に変態により異常に変形したりするので、合金や化合物としてこの変態を阻止し、原子炉燃料に用いる。

　スズは低温になると金属的な形から半導体の灰色スズに変わる。この変態は、日常の使用温度では変態の速度が遅いのでおこらないが、1868年1月のロシアのペテルブルグでは零下38℃に達し、多数の美術品やパイプ・オルガンのパイプがこの変態のためぼろぼろになった。この現象をスズペストあるいはスズ病という。

　変態現象の機構の理論的解明は、その実用化とともに金属学における重要で興味深いテーマである。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の輝きと色

金属は、ダイヤモンドのような透明な輝きではなく、光を通さない不透明な輝きを特徴とする。アルミニウムや銀の表面はよく光を反射するので鏡として用いられる。装飾用のめっきはクロムの輝きである。これらは白色光をそのまま反射するので無色の輝きを示すが、その源は金属がよく電気を通す性質による。

　光は電磁波であるが、電磁波も周波数が非常に大きくなると表皮効果により、金属のごく表面にしか入らない。この表皮の厚さは10メガヘルツのラジオ波では約0.3ミリメートル、可視光線に対しては数百オングストロームであるので、光は表皮厚さより中へは入れずに反射され、これが金属光沢をもたらす。

　多くの金属は無色の金属光沢をもつが、金は黄色く、銅は赤い。一方、銀は白い。銅は入射白色光のうち橙(だいだい)色から短波長側がすべて吸収されるので反射光は赤く、金は緑から短波長側がすべて吸収されるので反射光は黄色く見える。しかし銀の場合は、吸収されるのは約3200オングストロームの紫外線より短波長であるから、可視光線はすべて反射されて色がつかない。

　金箔のように厚さが数百オングストロームになると、吸収光の一部は吸収しきれず透過してしまう。金箔を陽(ひ)に透かすと緑色に見えるのは、緑の波長よりも長波長の光は反射され、吸収係数がそれほど大きくない緑付近の光が透過するからである。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の製錬

白金や金などの貴金属は単体で存在することもあるが、多くは酸化物、硫化物、水酸化物などの形で存在している。これらを適当な方法で還元して金属を取り出す（製錬）技術を冶金(やきん)という。炭素で還元するものには鉄、亜鉛などのほかにマグネシウム、銅、スズ、ニッケル、チタン、コバルト、銀などがある。水素還元により種々の金属が得られるが、実用されているのは酸化物の還元による金属タングステン、モリブデンの製造である。鉄やニッケルも特殊な目的のために水素還元することがある。

　より還元力の強い金属で他の金属を還元することができる。テルミット（ゴルトシュミット）法もその一つである。チタンはマグネシウムまたはナトリウムで行う。アルミニウムも現在の溶融塩電解法が行われる前には塩化アルミニウムをナトリウムで還元して製造された。

　不安定な金属化合物をつくり、これを熱分解する方法により高純度の金属をつくれるが、工業的に大量にはむずかしい（四ヨウ化チタンまたは四臭化チタンの分解によるチタン、ニッケルカルボニルの分解によるニッケルの製造）。ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウムなどは、これらの金属の塩類を高温で融解し、これを電気分解して得られる。

　また銅は乾式法でも製錬できるが、酸化銅を希硫酸に溶かして硫酸銅水溶液として電解して得られる。同様にニッケル、亜鉛、銀なども製錬可能である。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の加工性

各種の加工の容易さが、金属の材料としての有用性を物理的・化学的性質に加え、いっそう高めている。金属を溶かして型に流し込み、固めて形状物をつくる鋳造は数千年前の殷(いん)・周の時代から行われているが、近年はきわめて精密かつ機構的にも特殊な性能を備えたものがつくられるようになり、ますます重要な技術になっている。

　金属の塊をたたいたり伸ばしたりして板、棒、線、管などをつくる塑性加工技術は、金属の特性をもっともよく生かした加工技術である。人間の髪の毛の数分の1の太さの針金や、細いパイプから径数メートルに及ぶ油送管や、厚さ1メートルの板から1マイクロメートルよりはるかに薄い箔（調理用のアルミニウムフォイルは約20マイクロメートル）までその製品はきわめて多様である。

　溶接、ろう付けも金属の使用には欠かせない技術である。

　微細な金属の粉末を固め、高温（融点以下）で加熱すると、粉どうしが融着して固形化する（焼結という）。この技術は古くから白金の加工に使われていたものであり、今日ではタングステンやモリブデンなどの高融点金属の素材や、各種精密部品の製造、通常の方法では合金化しない金属どうしを混ぜて複合材料をつくるなど、さまざまに利用されている。

　最近では液体状態の金属を毎秒何万℃ともいわれる速さで急冷して結晶化を阻止することにより非晶質（アモルファス）状態が得られる。この状態の金属には耐食性、機械的強さ、物理的性質などにおいて一般の材料ではみられない特性があり、新しい利用の道が開かれつつある。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の純度

工業用材料のなかで金属ほど純粋なものが使われているものはない。トランジスタが成功したのも、高純度のゲルマニウムやシリコンが得られたからである。金属には原鉱石や製錬の過程で入ってくる不純物がいろいろある。不純物の性状に応じて、蒸留、再電解（アルミニウム）、高真空中での溶融などの方法で精製されている。

　半導体材料関係でよく使われるのは帯(たい)精製といわれる方法で、棒状試料を一端からごく狭い幅の溶融領域をつくり、これを順次他端に向かって溶かしていき、ちょうどごみを掃き寄せるように、溶解度の差を使って不純物を掃き寄せていく。こういう操作を繰り返すと不純物は一端に集まる。

　シリコンやゲルマニウムなどは抵抗の値で純度を表す。一般にはスリーナインとかフォアナインのアルミニウムといった表現をするが、これはアルミニウムそのものが99.9％とか99.99％あるという意味ではない。アルミニウムの場合、用途のうえから問題になる不純物、銅、鉄、ケイ素を分析してそれを100から引いたものをもってアルミニウムの純度とする。さらに必要があればその他の元素も分析し、これらの合計を100から引く。したがって、このほかにもいろいろな元素がわずかではあるが入っている。正味のアルミニウムは99.9といっても、99.7とか99.8しかないことになる。このように純度というのは、それぞれの目的に応じて約束事として決まっている。各国で規格を決めているが、日本では日本工業規格（JIS(ジス)）で何と何とを分析して純度はどう表現するかを決めてある。

　非常な高純度になると、化学分析では純度を規定しにくくなるので、シリコンやゲルマニウムのような半導体では電気抵抗の値で規定し、また物理的研究では液体ヘリウム温度（絶対温度4.2K）での電気抵抗は純度にきわめて敏感なので、その値と純度にあまり依存しない室温での値との比を残留抵抗比（RRR）といい、これを目安とする。この値が大きいほど純度が高く、金、銀、銅などでは数万、モリブデンやタングステンでは数十万といった値が得られている。なお、純度という場合は、不純物の量だけでなく、金属格子中の欠陥（格子欠陥）の多少のような物理的純粋さを問題とすることもある。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の腐食と酸化

自然界では金、白金などの貴金属以外の金属は酸化物、硫化物、あるいは水酸化物、炭酸塩などの形で存在しているが、これはとりもなおさず、これが安定な形であるからである。膨大なエネルギーを使って酸素やイオンから切り離して単体とする操作、つまり製錬をした結果得られた金属は不安定な形であるから、置かれた環境によって、いずれは元の安定な形へ変わっていく。

　この腐食といわれる現象は、置かれた環境が大気中であるか、水中であるか、あるいは高温の雰囲気にあったか否かなどにより形態は異なるが、金属材料を使用するうえでもっとも重要な問題である。これを防ぐために、表面にできる酸化皮膜を大きな、亀裂(きれつ)がない一様なものにするなども一方法である。このために純粋化する、あるいは他の金属を加えてステンレス鋼のようにじょうぶな皮膜（酸化クロムの）をつくる。あるいはアルミニウムのように故意にじょうぶな酸化物の皮膜をつくる。めっきはより錆(さ)びにくい、じょうぶな金属の皮膜をつけることである（クロムめっき、金めっき、銀製品の上のロジウムめっきなど）。塗料を塗るのも一方法である。しかし、錆びることは金属の宿命であり、また、それあるがゆえに金属を再生することも可能であり、地球上が使えなくなった金属構造物で覆い尽くされることもないのである。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の研究と機器

金属や合金は組成、内部構造、表面組織などの微細な変化に応じて性質が著しく変わることがあり、これらを測定する機器が金属の研究、利用に対して果たしている役割は大きい。

　金属は可視光に対して不透明であるから、一般の光透過型の光学顕微鏡では組織を見られない。鏡のように平滑に磨いた金属試料の表面を酸などの薬品でわずかに腐食し、組織、相などによるその腐食され方の違いを利用し、反射光によって金属を調べる金属顕微鏡法が開発されたのはいまから約200年前のことである。この方法は現在でも金属の組織、加工のされ方、不純物の存在などを調べるためのもっとも基本的な手段である。ただ、光を使うために倍率は1000倍どまりであることと、表面のみの観察という限界はある。

　試料の物性の変化を温度の関数としてとらえる方法である熱分析は19世紀末に開発され、金属、合金の融点、変態などを研究する手段として現在でも重要な技術の一つである。

　金属の結晶構造を調べる手段であるX線回折法が確立したのは1910年代のなかばで、以後数多くの金属、合金の構造が明らかにされてきた。最近ではさらに電子回折、中性子線回折によってX線では不明な構造を明らかにすることができるようになった。

　第二次世界大戦後は、さらに電子顕微鏡の発達によって、金属中における結晶格子の食い違い、各種の欠陥の存在、不純物の形態などが原子的な段階でわかるようになった。また、走査型の電子顕微鏡が1970年代に実用化され、破壊、腐食などに伴う金属材料の表面組織の変化を数十倍から数万倍の拡大率で観察することができるようになった。また電子線、X線を利用する技術の発達により、金属の微量不純物、微小部分の組成、表面の酸化物の形態などが知られるようになった。さらに放射線で照射して微小不純物を放射化して測定する放射化分析、プラズマを利用した分光分析、原子吸光分析など成分分析の手段も格段に進歩し、ppm、ppbの桁(けた)で不純物や成分が知られるようになり、金属の研究は格段の発展を遂げるようになった。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属の将来

青銅時代から鉄の時代へ、そして20世紀に入ってからアルミニウムが、また最近ではチタンが登場した。銅は電気用以外では大幅に他の材料にとってかわられ、鉄も構造材、電磁気材料としては不動の立場を保っているものの、一般用品ではアルミニウムやプラスチックに相当の分野を明け渡した。

　アルミニウムも、その軽さ、耐食性、加工性によって建材、食器、家庭用品、航空機材料としてはいまだ確固とした立場を保っているが、航空機では耐熱性の点でチタンにかなりとってかわられている。胴体などでは最近の炭素系の新素材にかわっている。また、最近は希土類金属をはじめとする新しい金属が製錬技術の進歩により比較的容易に単体として得られるようになり、各種の合金元素用としてもてはやされている。

　マンガンはけっして新しい金属ではないが、深海底に無限に近い埋蔵量があるといわれ、その利用が論議されている。しかしマンガンはその加工性、変態の複雑さなどからみて単独の金属材料として使われる可能性はなく、せいぜい合金元素の一つとして、またその酸化物は電池材料として、そのほか無機薬品としての用途があるにすぎない。

　ニオブやタンタル、ジルコニウムなどの金属も超伝導材料、原子炉材料、高温耐熱材料など特殊な用途に有用であって、アルミニウムや鉄などにとってかわる構造用材ではない。

　鉄、銅、アルミニウムなど、いわゆるコモンメタル（普通金属）は、それぞれの使用量、使われ方に多少の変動はあっても、将来にわたってわれわれの技術文明を支える金属材料としての重要性を失うことはないであろう。しかし、資源は有限であり、鉄のように非常に豊富に思えるものでも、品位の高いものは少なくなり、また、製錬のために必要な強粘結炭は乏しくなってきている。多くの金属材料は循環再生使用が可能であるから、有効なリサイクルが必要である。

　コモンメタルと対照的に「レアメタル（希金属）」または「レスコモンメタル」という金属の分類がある。これは金属を使用の歴史、生産量、用途などを同じ視点からグループ化して扱うもので、コモンメタル、ベースメタル（通常金属）、レアメタル、マイナーメタル、貴金属などの仕分けがあるが、これらの分類には地球化学的視点と実用的視点が混合しているので厳密な定義は不可能である。それでも新材料開発の分野ではレアメタルのもつ特異な物性を活用したさまざまな機能素材がつくられている。数例をあげると、強磁性、超伝導、半導体、電池、高温耐熱性、耐食性、光電変換、熱電変換などである。

［長崎誠三　2015年4月17日］

金属利用の歴史

金属の利用の歴史は、その金属を鉱石から取り出すという冶金的操作の困難さに依存している。自然金、自然銀、自然銅といったものも産出するが、金属は多くの場合、酸化物、硫化物の形で産出してくる。これらの化合物の結合が強いほど冶金的操作で金属を抽出することはむずかしくなる。金、銀、銅、そして鉄が古くから知られ、続いて鉛、スズ、より下って亜鉛、さらに近世になってアルミニウムが抽出されるのは、この結合力の強弱によっている。

　自然金や自然銅あるいは隕鉄(いんてつ)は4000～5000年も前から利用されていたと考えられるが、人類が製錬をして金属をつくりだしたのも有史以前のかなり古い時代と思われる。初めは、たき火をしていた場所にたまたま還元されやすい鉱石があって、それが熱と還元性の炎のために還元され、金属や合金（青銅や黄銅）が得られたのであろう。

　銅は5000年ないし6000年前にメソポタミア地方で、さらにエジプトで鉱石が採掘され製錬されたという。中国では4000年前といわれ、日本に銅が渡来したのは約2000年前と推定されている。日本で初めて銅がとれたのは7世紀末ごろである。埼玉県秩父(ちちぶ)地方から銅が献上されたので和銅と年号を改めたのは708年のことで、この年に初めて和同開珎(わどうかいちん)の銅銭がつくられた。

　下って江戸時代には足尾、別子など各地で銅鉱石が採掘され、オランダや中国との貿易で大量に輸出された。元禄(げんろく)（1688～1704）のころの日本の銅の産出額は年に約6000トンともいわれ、当時としては世界一の産銅国ではなかったかという。

　銅鉱石とスズや鉛を含んだ鉱石を混ぜておき、それを還元する方法で青銅がつくられる。これは硬く、また鋳込んで器物をつくれる有用な合金として古代オリエントからヨーロッパに、そして中国はじめアジア各地に、さらに日本へと伝わり、精鋭な武器や宗教的儀式用の器、像、鏡などがつくられた。古代中国では、銅とスズの配合の割合によってその合金の性質の変わることを心得ていて、それに応じて各種の器具をつくったと考えられているが、当時の冶金の知識からいって、どの程度の理解であったか疑問もある。

　青銅は銅にスズと鉛を種々の割合で含んだ合金である。この鉛を手掛りに、中国、朝鮮、日本の古銅器の材料の鉱石の産地や、日本製の鏡であっても、その材料が舶載品であるか、あるいは日本産の鉱石であるか、などを明らかにする研究が行われている。これは鉛の同位体（204、206、207、208の4種がある）の存在比が産地により異なるのを利用したものであるが、このような研究がしだいに金属と人類とのかかわりを科学的に明らかにしていくと思われる（馬淵文夫ほか著『古文化財の自然科学的研究』〈1984〉参照）。

　製鉄が、まず鉱石のある所で始まったことは、どこでも共通のことといえる。日本には古くから中国山脈一帯の砂鉄を中心としたたたら製鉄や、岩手地方の磁鉄鉱（餅鉄(もちてつ)といわれる）を利用した製鉄があるが、これらによる産出量はごく限られ、もっぱら刀剣などの武器に使われた。

　鉄鉱石と木炭および石炭を原料とする洋式高炉が江戸末期から明治にかけて導入され、岩手県の釜石(かまいし)を中心に製鉄が行われたが、1901年（明治34）に近代的規模の製鉄所が北九州の八幡(やはた)に設立され、初めて近代的な工業的製鉄が始まったといえる。これはアメリカで当時世界最大の鉄鋼業USスチール社が成立した年でもあった。

　古代・中世の技術では鉄鉱石を溶かして還元するに足る高温を得られず、半溶融状態の鉄に鍛錬を加えて鉱滓(こうさい)を絞り出し、鉄を圧接してさまざまな形のものに加工する方法がとられていた。14世紀初期に水車を利用した送風による木炭高炉が開発され、これにより溶けた鉄が得られるようになるが、この方法は木材資源の大量消費を招き、その結果18世紀ごろから石炭が使われるようになり高炉を大規模化した。しかし高炉から得られる銑鉄は炭素を吸っているので、鋳物にはなったが鍛錬することはできなかった。炭素を減らした鍛錬できる鉄は、1784年イギリスのH・コートによるパドル法の発明によって得られるようになった。さらに19世紀のなかばにH・ベッセマーが、溶鉄中に空気を吹き込んで酸化させて鋼とする方法を開発し、続いてG・トーマスにより転炉が発明され、また電気炉の利用も行われるようになり、19世紀後半から鋼の時代の幕が開くのである。

　金属としてのアルミニウムの歴史は非常に新しい。1782年にフランスの化学者ラボアジエが明礬(みょうばん)石の中に新元素アルミニウムの存在することを示唆したが、金属として取り出されたのは1825年デンマークの物理学者エールステッドによるといわれる。2年後の、1827年にはドイツのウェーラーも金属アルミニウムの抽出に成功したが、針の頭ほどの微細な粉であったという。1854年にフランスのサント・クレール・ドビルHenri Étienne Sainte-Claire Deville（1818―1881）がウェーラーの方法を改良した還元法で、アルミニウムをより多く、安くつくることに成功した。当時のフランス皇帝ナポレオン3世の援助で1856年パリ郊外に工場をつくったが、当時は白金に匹敵するほど貴重で高価なものであった。1886年にアメリカのホールとフランスのエルーとがそれぞれ独立に、氷晶石を使った溶融塩電解法によりアルミニウムを抽出する方法を発明し、アルミニウムは初めて工業的に利用できる金属となった。

　日本では1894年（明治27）に大阪の砲兵工廠(こうしょう)で1キログラムのアルミニウム地金が溶かされ軍用品をつくったのが加工の初めという。当時は銀のように美しく、しかも軽いので「軽銀(けいぎん)」と称して珍重された。工場規模の製錬に成功するのはより近年のことで、1934年（昭和9）長野県大町の日本電工（現、昭和電工）においてである。アルミニウム合金であるジュラルミンの製造は1919年（大正8）住友伸銅所（現、新日鉄住金）で試作され、住友軽銀と称され、翌1920年から生産されたが、さらに第一次世界大戦の賠償としてドイツから技術が導入された。

　なお、古代中国ですでに金属アルミニウムが知られていたという報文が中国から出て話題をよんだが、これは何かを誤認したものであったという。

　金属としての亜鉛が取り出されるのも比較的新しく、17世紀から18世紀にかけてのことといわれている。中国を経由して日本に亜鉛が知られるのは18世紀に入ってからのことと考えられる。

　ヨーロッパでは鉱石の関係で、古くから銅と亜鉛の合金である黄銅（真鍮(しんちゅう)）製品がつくられているが、中国や日本で亜鉛を含んだ銅合金がつくられるのはごく近世になってからのことである。中国、日本の古い銅器、青銅器には亜鉛は痕跡(こんせき)程度にしか含まれていない。したがって亜鉛を1％以上含んだ青銅製品は近世の贋作(がんさく)と断定されている（アメリカのフリヤ博物館の報告には多くの青銅器の分析例と真贋(しんがん)の鑑定が掲載されている）。ヨーロッパの古い文献（『旧約聖書』『新約聖書』など）には黄銅と青銅とが記載されているが、はたしてはっきり別種の合金として意識されていたかどうかは疑わしいという（B・W・スミス著『銅の6000年』による）。紀元前3000年ごろのエジプトの遺物から鉛製のおもり、耳環(みみわ)などがみつかっているが、大量に使われるようになるのは紀元前後のローマ時代からである。当時のローマでは水道管や建築物にも鉛を用い、鉛とスズの合金であるはんだの知識もあったといわれる。鉛の毒性については当時すでに警告されていたが、青銅は給水管として使うには高価すぎたので、弁などに一部使われただけであるという。日本に鉛がいつ渡来したかは明確ではないが、正倉院文書などから7、8世紀のことではないかと推測されている。

　チタンや希土類金属などの新しい金属、あるいはゲルマニウムやシリコンなどの半金属が工業材料として登場してくるのは第二次世界大戦後のことである。これらの新顔の登場により金属材料の世界は多種多様なものとなったが、やはり主役は鉄鋼であり、多少影は薄くなったとはいえ銅である。また新しいものとしてはアルミニウムである。

　鉄には3通りの変態があり、また炭素をその結晶格子の中に取り入れて鋼とし、加工や熱処理や、わずかの合金元素の添加によってさまざまな機械的性質をもつ何万という種類の材料を生み出す特性をもっており、しかも安価に大量に入手できる。またニッケル、コバルト以外の金属にはみられない強磁性という特異な性質を有している。アルミニウムあるいは他の無機・有機材料によって代替される部門もあるが、構造材料としてのその重要性が失われることはないであろう。

　銅も銀に次ぐ高い電気伝導性と熱伝導性、容易に多様な合金を得られるという特性や接合性の良好さなど、多くの優れた特徴をもっている。使用量は減っても、その存在意義は失われないであろう。

［長崎誠三　2015年4月17日］

『幸田成康編『100万人の金属学　基礎編』（1965・アグネ／復刻版・2003・アグネ技術センター）』▽『三島良績編『100万人の金属学　材料編』（1965・アグネ）』▽『金属術語辞典編集委員会編『金属術語辞典』（1965・アグネ）』▽『長崎誠三編『金属物性基礎講座1　金属物性入門』（1977・丸善）』▽『『金属を知る事典』（1978・アグネ）』▽『廣根徳太郎編『100万人の金属学　科学編』第2版（1990・アグネ）』▽『長崎誠三編『金属用語集』改訂増補版（1995・日本金属学会）』▽『金属用語辞典編集委員会編著『金属用語辞典』（2004・アグネ技術センター）』