重金属

鉛の約2倍の密度を持つ重金属であるオスミウムの結晶[1]
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重金属は、比較的高い密度、原子量、または原子番号を持つ金属元素を指す、議論の余地があり曖昧な用語です[2]。使用される基準、および半金属が含まれるかどうかは、著者や文脈によって異なり、「重金属」という用語は避けるべきであると言えるでしょう[3] [4] 。重金属は、密度、原子番号、または化学的挙動に基づいて定義されます。より具体的な定義も発表されていますが、いずれも広く受け入れられていません。本稿で概説した定義は、既知の118種の化学元素のうち最大96種を網羅しており、これらすべてを満たすのは水銀、鉛、ビスマスのみです。このように合意が得られていないにもかかわらず、この用語（複数形または単数形）は科学の世界で広く使用されています。密度が5 g/cm 3を超えることが、一般的な基準として引用されることがあり、本稿でもこの用語を使用しています。

最も古くから知られている金属、すなわち鉄、銅、錫などの一般的な金属と、銀、金、プラチナなどの貴金属は重金属です。1809年以降、マグネシウム、アルミニウム、チタンなどの軽金属に加え、ガリウム、タリウム、ハフニウムといったあまり知られていない重金属も発見されました。

重金属の中には、必須栄養素（典型的には鉄、コバルト、銅、亜鉛）や比較的無害なもの（ルテニウム、銀、インジウムなど）がありますが、多量に摂取したり特定の形態で摂取したりすると毒性を示すことがあります。ヒ素、カドミウム、水銀、鉛など、他の重金属は非常に毒性が強いものもあります。重金属中毒の潜在的な発生源としては、鉱業、鉱滓、製錬、産業廃棄物、農業排水、職業上の曝露、塗料、処理木材などが挙げられます。

重金属の物理的および化学的特性は、関連する金属が必ずしも一貫して定義されていないため、慎重に扱う必要があります。重金属は比較的密度が高いだけでなく、軽金属よりも反応性が低く、可溶性の 硫化物や水酸化物がはるかに少ない傾向があります。タングステンなどの重金属とナトリウムなどの軽金属を区別することは比較的容易ですが、亜鉛、水銀、鉛などの一部の重金属は軽金属の特性の一部を有し、ベリリウム、スカンジウム、チタンなどの軽金属は重金属の特性の一部を有します。

重金属は地殻中に比較的稀にしか存在しませんが、現代生活の多くの側面に存在しています。例えば、ゴルフクラブ、自動車、消毒剤、自動洗浄オーブン、プラスチック、太陽電池パネル、携帯電話、粒子加速器などに使用されています。

定義

物議を醸す用語

命名法を標準化する国際純正応用化学連合（IUPAC）は、「『重金属』という用語は意味をなさず、誤解を招くものである」と述べています。[ 2 ] IUPACの報告書は、科学的根拠が関連性を裏付けないにもかかわらず、「重金属」を毒素と表現することの法的および毒物学的な影響に焦点を当てています。「重い」という形容詞が暗示する密度は、生物学的影響をほとんど及ぼさず、純金属が生物学的に活性な形態をとることは稀です。[5]この特徴づけは、数多くの書評でも繰り返されています。[6] [7] [8]最も広く使用されている毒物学の教科書であるカサレットとダウルの『毒物学』 [9] では、「重金属」ではなく「毒性金属」が使用されています。[5]しかしながら、科学論文や科学関連論文の中には、毒性物質の用語として「重金属」を使い続けているものもあります。[10] [11]科学論文で許容される用語とするためには、厳格な定義が推奨されています。[12]

毒物学以外での使用

周期表における重金属のヒートマップ
123456789101112131415161718
1 H彼
2 李なれBC北おFね
3 ナマグネシウムアルシPS塩素アル
4 KカルシウムScティVCrマン鉄共同ニ銅亜鉛ガゲとしてセBrクル
5 RbシニアはいZr注記モTCルロジウムパッド農業CDでスンSBテ私ゼ
6 Csバ1つのアスタリスクルーHFタW再オスイルPtオー水銀テル鉛バイポーでルン
7 神父ラ1つのアスタリスク左無線周波数デシベルSGBhHsマウントDsRGCNんんフロリダ州マックレベルTsオグ
 
1つのアスタリスクラセ広報ンド午後小欧州連合神様結核ダイホーえーTMYb
1つのアスタリスクアクThパあなたいいえプ午前Cmバック参照エスFMメリーランド州いいえ
 
満たされた基準の数:
要素の数:
  
10
3
  
9
5
  
8
14
  
6～7
56
  
4～5
14
  
1～3
4
  
0
3
  
非金属
19
この表は、このセクションで列挙されている10の基準のうち、各金属が満たす重金属基準の数を示しています。つまり、密度に基づく基準が2つ、原子量に基づく基準が3つ、原子番号に基づく基準が2つ、化学的挙動に基づく基準が3つです。[n 1]この表は、水銀、鉛、ビスマスを除けば、この概念に関する合意の欠如を示しています。

周期表の末尾（第4行目から第7行目）付近にある6つの元素は、半金属とみなされることもありますが、ここでは金属として扱われます。それらは、ゲルマニウム（Ge）、ヒ素（As）、セレン（ Se）、アンチモン（ Sb）、テルル（Te）、アスタチン（At）です。[26] [n 2] オガネソン（Og）は非金属として扱われます。

破線で囲まれた金属の密度は 5 g/cm 3以上です（At および Fm-Ts の場合は、その密度が予測されます） 。

毒性以外の用途においても、重金属の定義は広く合意された基準に基づいていない。レビューでは、この定義は使用すべきではないと推奨されている。[10] [27]文脈に応じて、この用語には異なる意味が付与される場合がある。例えば、重金属は密度に基づいて定義される場合があり、[28]、識別基準は原子番号[29]や化学的挙動[20]である可能性がある。

密度の基準は、3.5 g/cm 3以上から7 g/cm 3以上までの範囲である。[13]原子量の定義は、ナトリウム（原子量 22.98）より大きいもの、 [13]、 40より大きいもの（s ブロックおよびf ブロック金属を除く、したがってスカンジウムから始まる）、[14]、または 200より大きいもの、すなわち水銀以上からの範囲となる。[15]原子番号は、92（ウラン）が上限とされることもある。[16]原子番号に基づく定義は、低密度の金属を含めてしまうとして批判されてきた。例えば、周期表の1 族（列）に属するルビジウムは原子番号が 37 であるが、密度はわずか 1.532 g/cm 3であり、これは他の研究者が使用した閾値を下回っている。[30]原子量に基づく定義でも同じ問題が起こる可能性がある。[31]

米国薬局方では、金属不純物を着色硫化物として沈殿させる重金属試験を実施しています。[17] このタイプの化学試験に基づくと、遷移金属と遷移後金属がこのグループに含まれることになります。[20]

化学に基づく別のアプローチでは、「重金属」という用語を2つの金属グループとグレーゾーンに置き換えることを提唱しています。クラスAの金属イオンは酸素供与体を好み、クラスBのイオンは窒素または硫黄供与体を好み、境界付近または両価のイオンは状況に応じてクラスAまたはクラスBのいずれかの特性を示します。[32]クラスAの金属と他の2つのカテゴリーとの区別は明確です。クラスAとクラスBという用語は、無機系における金属イオンの挙動を指す際に時々使用される「硬い酸」と「柔らかい塩基」という用語に類似しています。 [33]このシステムでは、元素を で分類します。ここで、 は金属イオンの 電気陰性度、はイオン半径です。この指標は 、特定の金属イオンにおける共有結合相互作用とイオン結合相互作用の重要性を測ります。 [34]この手法は、例えば海水中の生物活性金属の分析に適用されていますが[12]、広く採用されているわけではありません。[35]

用語の起源と使用

金、銅、鉄などの天然金属の重さは先史時代にすでに認識されており、その可鍛性を考慮して、金属製の装飾品、道具、武器を作る最初の試みにつながった可能性があります。[36]

1817年、ドイツの化学者レオポルド・グメリンは元素を非金属、軽金属、重金属に分類しました。[37]軽金属の密度は0.860～5.0 g/cm 3、重金属の密度は5.308～22.000でした。[38]「重金属」という用語は、「重元素」という用語と互換的に使用されることがあります。例えば、原子核化学の歴史について議論した際、マギー[39]はアクチニドがかつては新しい重元素遷移群を表すと考えられていたのに対し、シーボーグらは「…重金属の希土類元素のような系列を支持していた…」と述べています。

重金属の対極である軽金属は、鉱物・金属・材料学会によって「伝統的な軽金属（アルミニウム、マグネシウム、ベリリウム、チタン、リチウム、その他の反応性金属）と新興の軽金属（複合材料、積層材料など）」と定義されています[40]。

生物学的役割


平均70kgの人体に含まれる重金属の量
要素ミリグラム[41]
鉄4000
 
亜鉛2500
 
鉛[n 3]120
 
銅70
 
錫[n 4]30
 
バナジウム20
 
カドミウム20
 
ニッケル[n 5]15
 
セレン[n 6]14
 
マンガン12
 
その他[n 7]200
 
合計7000

主に第4周期に含まれる微量の重金属は、特定の生物学的プロセスに必要です。これらは、鉄と銅（酸素と電子の伝達）、コバルト（複雑な合成と細胞代謝）、バナジウムとマンガン（酵素の調節または機能）、クロム（グルコースの利用）、ニッケル（細胞の成長）、ヒ素（一部の動物とおそらく人間の代謝による成長）、セレン（抗酸化機能とホルモン生成）です。[46]第5周期と第6周期には必須重金属が少なく、重い元素は豊富ではなく、希少元素は栄養上必須ではないという一般的なパターンと一致しています。[47]第5周期では、モリブデンが酸化還元反応の触媒に必要です。カドミウムは一部の海洋珪藻類で同じ目的で使用されます。また、スズはいくつかの種の成長に必要である可能性があります。[48]第6期では、タングステンは一部の古細菌や細菌の代謝プロセスに必要とされる。[49]第4～6期の必須重金属のいずれかが欠乏すると、重金属中毒に対する感受性が高まる可能性がある[50]（逆に、過剰になると生物学的に悪影響を与える可能性がある）。

平均体重70kg（150ポンド）の人体には、約0.01％の重金属（約7g、乾燥エンドウ豆2個分の重さに相当、鉄4g、亜鉛2.5g、鉛0.12gの3つの主要成分からなる）、2％の軽金属（約1.4kg、ワイン1本分の重さ）、そして約98％の非金属（ほとんどが水）が含まれています。[51] [n 8]

いくつかの非必須重金属にも生物学的作用が観察されている。ガリウム、ゲルマニウム（半金属）、インジウム、そしてほとんどのランタノイドは代謝を刺激し、チタンは植物の成長を促進する[52]（ただし、必ずしも重金属とはみなされない）。

毒性

重金属はしばしば非常に有毒であるか、環境に有害であると考えられています[53]。確かに有毒なものもありますが、過剰に摂取した場合や特定の形態で接触した場合にのみ有毒となるものもあります。微粒子状または最も一般的な煙として、特定の金属を吸入すると、金属ヒューム熱と呼ばれる症状を引き起こすこともあります。

環境重金属

クロム、ヒ素、カドミウム、水銀、鉛は、その広範な使用、それらの複合形態または単体形態における毒性、そして環境中への広範な分布のために、最も危害を及ぼす可能性が高い。[54]例えば、 六価クロムは、水銀蒸気や多くの水銀化合物と同様に、非常に毒性が高い[要出典] 。 [55]これらの5つの元素は硫黄と強い親和性を持ち、人体内では通常、チオール基（-SH）を介して、代謝反応の速度を制御する酵素に結合します。結果として生じる硫黄-金属結合は、関与する酵素の正常な機能を阻害し、人体の健康を悪化させ、時には致命的となる。 [56]六価クロムとヒ素は発がん性物質であり、カドミウムは骨変性疾患を引き起こし、水銀と鉛は中枢神経系に損傷を与える[要出典]。

鉛は最も一般的な重金属汚染物質である。[57]工業化社会の水環境における鉛濃度は、工業化以前のレベルの2～3倍と推定されている。[58]四エチル鉛（CH
3CH
2）
4鉛は、 1930年代から1970年代までガソリンに広く使用されていました。 [59]北米では1996年までに有鉛ガソリンの使用はほぼ段階的に廃止されましたが、それ以前に建設された道路に隣接する土壌には高い鉛濃度が残っています。[60]その後の研究では、米国における有鉛ガソリンの使用率と暴力犯罪の間に統計的に有意な相関関係があることが示されました。22年のタイムラグ（暴力犯罪者の平均年齢）を考慮すると、暴力犯罪の曲線は実質的に鉛への曝露曲線をたどりました。[61]

潜在的に危険な性質を持つとされるその他の重金属（通常は有毒な環境汚染物質）としては、マンガン（中枢神経系損傷）[62]、コバルトとニッケル（発がん性物質）[63]、銅（植物に有毒）[64] 、 [65]、亜鉛[66] 、セレン[67]、銀[68]（内分泌かく乱、先天性疾患、または魚類、植物、鳥類、その他の水生生物に対する一般的な毒性影響）[69] 、有機スズとしてのスズ（中枢神経系損傷） [69] 、アンチモン（発がん性物質の疑い）[70]、タリウム（中枢神経系損傷）[65] [n 9]などがある。

その他の重金属

その他の非必須重金属の中には、一つ以上の毒性形態を持つものがあります。ゲルマニウムサプリメント（2ヶ月から3年間で合計約15～300gを摂取）の摂取により、腎不全や死亡例が記録されています。[65]四酸化オスミウム（OsO 4 ）への曝露は、永久的な眼の損傷を引き起こす可能性があり、呼吸不全[73]や死に至ることもあります。[74]インジウム塩は、数ミリグラム以上摂取すると有毒であり、腎臓、肝臓、心臓に影響を与えます。[75] 癌細胞を殺すために使用される重要な薬剤であるシスプラチン（PtCl 2 (NH 3 ) 2 ）もまた、腎臓と神経に毒です。[65]ビスマス化合物は過剰摂取すると肝臓に障害を引き起こす可能性があります。不溶性のウラン化合物は、それらが放出する危険な放射線と同様に、永久的な腎臓障害を引き起こす可能性があります。[76]

曝露源

重金属は、産業活動の結果として濃縮されると、空気、水、土壌の質を低下させ、その結果、植物、動物、人間の健康問題を引き起こす可能性がある。 [77] [78]この文脈における重金属の一般的な発生源には、自動車の排気ガス、[79]エンジンオイル、[80 ]肥料、[81]ガラス加工、[82]焼却炉、[83] 処理木材、[84] 老朽化した給水インフラ、[85]世界の海に浮遊するマイクロプラスチックなどがある。 [86]重金属汚染と健康リスクの最近の例としては、日本での水俣病の発生（1932–1968年、2016年現在訴訟進行中）が挙げられる。[87]ブラジルのベント・ロドリゲスダムの災害[88]、米国北東部のミシガン州フリントの住民に供給される飲料水中の高濃度鉛[89]、2015年の香港の飲料水中の重金属事件などである。

形成、豊富さ、発生、抽出

 
地殻中の重金属：
豊富さと主な発生源または供給源[n 10]
123456789101112131415161718
1 H彼
2 李なれBC北おFね
3 ナマグネシウムアルシPS塩素アル
4 KカルシウムScティVCrマン鉄共同ニ銅亜鉛ガゲとしてセBrクル
5 RbシニアはいZr注記モルロジウムパッド農業CDでスンSBテ 私 ゼ
6 Csバ1つのアスタリスクルーHFタW再オスイルPtオー水銀テル鉛バイ
7 1つのアスタリスク
1つのアスタリスクラセ広報ンド小欧州連合神様結核ダイホーえーTMYb
1つのアスタリスクThあなた
 
   最も豊富な（56,300重量ppm）
   稀（0.01～0.99 ppm）
   豊富（100～999ppm）
   非常にまれ（0.0001～0.0099 ppm）
   まれ（1～99 ppm）
 
境界線の左側の重金属は主に親石性元素として存在（または発生）し、右側の重金属は金（親鉄性元素）とスズ（親石性元素）を除き親銅性元素として発生します。

周期表で鉄付近までの重金属は、主に恒星内元素合成によって生成されます。この過程では、水素からケイ素までの軽い元素が恒星内部で連続的に核融合反応を起こし、光と熱を放出しながら、より原子番号の高い重い元素を形成します。[93]

より重い重金属は通常、このようには生成されません。なぜなら、そのような原子核が関与する核融合反応は、エネルギーを放出するのではなく消費するからです。[94]むしろ、それらは主に中性子捕獲によって（より低い原子番号の元素から）合成されます。この反復的な捕獲には、主にs過程とr過程という2つのモードがあります。s過程（「s」は「遅い」の略）では、単一の捕獲は数年または数十年の間隔を置いて行われるため、安定性の低い原子核はベータ崩壊します。[95]一方、r過程（「速い」）では、捕獲は原子核が崩壊するよりも速く起こります。したがって、s過程は多かれ少なかれ明確な経路を辿ります。例えば、安定したカドミウム110核は恒星内部の自由中性子によって連続的に衝突され、不安定なカドミウム115核を形成し、崩壊してインジウム115（ほぼ安定で半減期は（宇宙の年齢の3万倍に相当する）これらの原子核は中性子を捕獲して不安定なインジウム116を形成し、これが崩壊してスズ116を形成し、これが繰り返される。 [93] [96] [注 11]対照的に、r過程にはそのような経路はない。s過程はビスマスで停止するが、これは次の2つの元素、ポロニウムとアスタチンの半減期が短いためであり、これらはビスマスまたは鉛に崩壊する。r過程は非常に速いため、この不安定領域をスキップして、トリウムやウランなどのより重い元素を生成することができる。[98]

重金属は、恒星の進化と破壊の過程の結果として、惑星に凝縮します。恒星は、その寿命の終わりに質量の大部分を放出され、また時にはその後も中性子星の合体によって質量を失います。 [99] [注12]これにより、星間物質中のヘリウムより重い元素の存在量が増加します。重力によってこの物質が合体・崩壊すると、新しい恒星と惑星が形成されます。[101]

地球の地殻は重量比で約5%の重金属で構成されており、そのうち95%は鉄です。残りの95%は軽金属（約20%）と非金属（約75%）で構成されています。[90]重金属は全体的に希少であるにもかかわらず、造山運動、浸食、その他の地質学的プロセスによって、経済的に抽出可能な量まで濃縮されることがあります。[102]

重金属は主に親岩性（岩石を好む）または親銅性（鉱石を好む）として発見される。親岩性重金属は主にfブロック元素と、dブロック元素の中でより反応性の高い元素である。酸素との親和性が強く、比較的低密度のケイ酸塩鉱物として存在することが多い[103]。親銅性重金属は主に反応性の低いdブロック元素と、第4～6周期のpブロック金属および半金属である。これらは通常、（不溶性の）硫化鉱物中に発見される。親銅性重金属は親岩性重金属よりも密度が高く、固化時に地殻のより深いところに沈降するため、親岩性重金属よりも存在量が少ない傾向がある[104] 。

対照的に、金は親鉄元素、つまり鉄を好む元素である。金は酸素や硫黄と容易に化合物を形成しない。[105]地球形成の当時、金は最も貴な（不活性な）金属として、高密度の金属合金を形成する傾向があるため、核に沈んでいった。その結果、金は比較的希少な金属である。 [106] [検証失敗]その他の（それほど貴ではない）重金属、すなわちモリブデン、レニウム、白金族金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金）、ゲルマニウム、スズは親鉄元素として数えられるが、地殻ではなく、地球（核、マントル、地殻）で主に発生するという点からのみである。これらの金属はそれ以外の場合には地殻に少量、主に親銅元素として存在する（天然の形で発生することは少ない）。[107] [注13]

地殻下の重金属濃度は一般的に高く、そのほとんどは鉄・ケイ素・ニッケルを主成分とする核に存在します。例えば、白金は地殻全体で約1ppbですが、核ではその濃度が約6,000倍高いと考えられています。[108] [109]最近の推測では、核内のウラン（およびトリウム）が、プレートテクトニクスを駆動し、最終的には地球の磁場を維持する大量の熱を発生させている可能性があると示唆されています。[110] [注14]

一般的に、いくつかの例外はあるものの、親石性重金属は電気処理または化学処理によって鉱石から抽出できるのに対し、親銅性重金属は硫化鉱石を焙焼して対応する酸化物を生成し、これを加熱して原料金属を得る。 [112] [注 15]ラジウムは採掘量が少なすぎて経済的に採掘できないため、使用済み核燃料から得られる。[115]親銅性白金族金属（PGM）は、主に他の親銅性鉱石と少量（混合）で産出される。これらの鉱石は製錬、焙焼され、硫酸で浸出されてPGMの残留物を生成する必要がある。これを化学的に精製することで、個々の金属を純粋な形で得ることができる。[116]他の金属と比較して、PGMは希少性[117]と生産コストの高さ[118]のために高価である。

親鉄性金は、最も一般的には、含まれる鉱石をシアン化物溶液に溶解して回収されます。[119]金はジシアノ金酸塩(I)を形成します。例えば、2 Au + H 2 O + ½ O 2 + 4 KCN → 2 K[Au(CN) 2 ] + 2 KOHとなります。混合物に亜鉛を加えると、金よりも反応性の高い亜鉛が金を置換します。2 K[Au(CN) 2 ] + Zn → K 2 [Zn(CN) 4 ] + 2 Au となります。金は溶液からスラッジとして沈殿し、濾過して溶解されます。[120]

用途

重金属の一般的な用途には、導電性や反射率などの金属の一般的な特性、または密度、強度、耐久性などの重金属の一般的な特性に依存するものがあります。その他の用途は、栄養素や毒物などの生物学的役割やその他の特定の原子特性など、特定の元素の特性に依存します。このような原子特性の例には、有色化合物の形成を可能にする部分的に満たされたd軌道またはf軌道（多くの遷移重金属、ランタノイド重金属、アクチノイド重金属）、[121]重金属イオン（白金、[122]セリウム[123]またはビスマス[124]など）が異なる酸化状態で存在できるため触媒に使用されていること、[125]磁気効果を生じる3d軌道または4f軌道での強い交換相互作用（鉄、コバルト、ニッケル、またはランタノイド重金属）[126]および核科学への応用を支える高い原子番号と電子密度などがあります。[127]重金属の典型的な用途は、大まかに以下のカテゴリーに分類できます。[128]

重量または密度に基づく

小さな木製の船のような形をした船の頂上を見下ろしている。4本の金属弦が​​船の長軸に沿って中央に張られている。弦は船の中央に置かれた小さな木製のブリッジの上を通り、チェロの甲板の上に張られている。
チェロ（上記の例）やビオラではC弦にタングステンが使われることがあります。タングステンの高い密度により、弦の直径を小さくすることができ、反応性が向上します。[129]

スポーツ、機械工学、軍事兵器、核科学など、重金属の一部の用途では、その比較的高い密度が利用されている。水中ダイビングでは、鉛はバラストとして使用される。[130]ハンディキャップ競馬では、過去の成績などの要素に基づいて、各馬が指定された重量の鉛を持ち運ばなければならず、さまざまな競技者のチャンスを平等にする。[131]ゴルフでは、フェアウェイクラブとアイアンにタングステン、真鍮、または銅のインサートを入れることでクラブの重心が下がり、ボールを空中に打ち出しやすくなる。[132]また、タングステンコアのゴルフボールは飛行特性が良いとされている。[133]フライフィッシングでは、シンキングフライラインにタングステンパウダーが埋め込まれたPVCコーティングが施されているため、必要な速度で沈む。[134]陸上競技では、ハンマー投げや砲丸投げで使用される鋼球には、国際ルールで定められた最低重量を満たすために鉛が詰められています。[135]ハンマー投げのボールには少なくとも1980年まではタングステンが使用されていましたが、当時は高価な金属（他のハンマーの3倍のコスト）ですべての国で入手できなかったため、ボールの最小サイズが1981年に拡大されました。[136]タングステンハンマーは密度が高すぎるため、芝生に深く突き刺さってしまいます。[137]

弾丸の密度が高いほど、より効果的に重装甲板を貫通できます... Os、Ir、Pt、Re は高価です... U は、高密度、適正なコスト、高い破壊靭性という魅力的な組み合わせを提供します。

AM RussellとKL Lee 「非鉄金属の
構造と特性の関係」
（2005年、16ページ）

重金属は、ボート[138]、飛行機[139]、自動車[140 ]のバラストとして、または車輪やクランクシャフトのバランスウェイト[141] 、ジャイロスコープ、プロペラ[142]、遠心クラッチ[143]、最小限のスペースで最大限の重量を必要とする状況（たとえば時計のムーブメント）で使用されます。[139]

軍事兵器では、タングステンまたはウランが装甲板[144]や徹甲弾[ 145]のほか、核兵器にも使用され、効率を高めている（中性子を反射し、反応する物質の膨張を一時的に遅らせる）[146] 。 1970 年代には、タンタルは密度が高く、力の集中が大きく、変形しやすいことから、成形炸薬や爆発成形の対装甲兵器において銅よりも効果的であることがわかった。 [147]銅、スズ、タングステン、ビスマスなどの毒性の低い重金属、そしておそらくはマンガン（および半金属のホウ素）が、一部の軍隊で使用されているグリーン弾や一部のレクリエーション射撃用の弾薬で鉛やアンチモンの代わりに使用されている。[148]タングステンの安全性（または環境への配慮の証明）については疑問が生じている。[149]

生物学的および化学的

淡黄色の粉末が入った小さな無色の皿
酸化セリウム(IV)はセルフクリーニングオーブンの触媒として使用されます。[150]

一部の重金属の殺生物効果は古代から知られています。[151]白金、オスミウム、銅、ルテニウム、ヒ素などの他の重金属は抗がん治療に使用されているか、またはその可能性があると示されています。[152]アンチモン（抗原虫）、ビスマス（抗潰瘍）、金（抗関節炎）、鉄（抗マラリア）も医学において重要です。[153]銅、亜鉛、銀、金、または水銀は防腐剤の配合に使用されます。[154]一部の重金属は、たとえば冷却塔での藻類の増殖を制御するために少量使用されます。[155]肥料または殺生物剤としての意図された用途に応じて、農薬にはクロム、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、または鉛などの重金属が含まれる場合があります。[156]

特定の重金属は、燃料処理（例えばレニウム）、合成ゴムおよび繊維製造（ビスマス）、排出ガス制御装置（パラジウムおよび白金）、およびセルフクリーニングオーブン（このようなオーブンの壁に含まれる酸化セリウム(IV)が炭素ベースの調理残留物の酸化を助ける）における触媒として使用されます。 [157]石鹸化学では、重金属は潤滑グリース、塗料乾燥機、および殺菌剤に使用される不溶性石鹸を形成します（リチウム以外にも、アルカリ金属とアンモニウムイオンは可溶性石鹸を形成します）。[158]

色彩と光学

綿菓子のような色をした、半透明のピンク色の小さな結晶
硫酸ネオジム（Nd 2 (SO 4 ) 3）、ガラス製品の着色に使用される[159]

ガラス、陶磁器の釉薬、塗料、顔料、プラスチックの色は、一般的にクロム、マンガン、コバルト、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、銀、スズ、プラセオジム、ネオジム、エルビウム、タングステン、イリジウム、金、鉛、ウランなどの重金属（またはその化合物）を添加することで生成されます。[160]タトゥーのインクには、クロム、コバルト、ニッケル、銅などの重金属が含まれている場合があります。[161]一部の重金属の高い反射率は、精密天文機器などの鏡の製造に重要です。ヘッドライトの反射板は、ロジウムの薄膜の優れた反射率を利用しています。[162]

電子機器、磁石、照明

重金属またはその化合物は、電子部品、電極、配線、太陽電池パネルに使用されています。モリブデン粉末は回路基板インクに使用されています。[163]家庭の電気系統は、ほとんどの場合、その優れた導電性のために銅線で配線されています。[164]銀と金は、その高い導電性と、表面への不純物の形成を防ぐ、または最小限に抑える能力により、電気・電子機器、特に接触スイッチに使用されています。 [165]重金属は、少なくともボルタが1800年に銅と銀のボルタ電池を発明して以来、200年以上にわたって電池に使用されてきました。 [166]

磁石は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ニオブ、ビスマス、プラセオジム、ネオジム、ガドリニウム、ジスプロシウムなどの重金属で作られることが多い。ネオジム磁石は市販されている永久磁石の中で最も強力なもので、例えば自動車のドアロック、スターターモーター、燃料ポンプ、パワーウィンドウなどの重要な部品として使用されている。[167]

重金属は照明、レーザー、発光ダイオード（LED）に使用されています。蛍光灯は水銀蒸気を利用して作動します。ルビーレーザーは酸化アルミニウム中のクロム原子を励起することで深紅色のビームを生成します。ランタノイドもレーザーに広く使用されています。銅、イリジウム、プラチナは有機LEDに使用されています。[168]

核

大きなガラス球。球の内部には、片方の端に固定されたスピンドルがあり、スピンドルにはアームが取り付けられています。アームの先端には小さな突起があり、これが陰極です。球のもう一方の端には、回転可能な幅広の金属板があり、この金属板は球の端から突き出たローター機構に接続されています。
回転陽極を備えたX線管。通常はモリブデン芯にタングステン-レニウム合金を貼り、グラファイトで裏打ちされている[ 169] [n 16]

密度の高い物質は、軽い物質よりもガンマ線などの特定の種類の放射性放出をより多く吸収するため、重金属は放射線遮蔽や線形加速器および放射線治療の用途における放射線ビームの集束に役立ちます。

原子番号の大きい重金属のニッチな用途としては、診断用画像、電子顕微鏡、原子力科学などがある。診断用画像では、コバルトやタングステンなどの重金属がX線管の陽極材料として使われている。[172]電子顕微鏡では、鉛、金、パラジウム、白金、ウランなどの重金属が過去に導電性コーティングの材料として、また染色、ネガティブ染色、真空蒸着などによって生物標本に電子密度を導入するために使われてきた。[173]原子力科学では、クロム、鉄、亜鉛などの重金属の原子核を他の重金属ターゲットに照射して超重元素を生成することがある。[174]重金属は中性子生成のための核破砕ターゲットとしても利用されている。 [175]アスタチンなどの非原始元素の同位体（後者の場合は鉛、ビスマス、トリウム、ウランを使用）[176]

注記

  1. ^ 使用された基準は密度であった：[13] (1) 3.5 g/cm 3以上、(2) 7 g/cm 3以上、原子量： (3) > 22.98、[13] (4) > 40（s-およびf-ブロック金属を除く）、[14] (5) > 200、[15] 原子番号： (6) > 20、(7) 21–92、[16] 化学的挙動： (8) 米国薬局方、[17] [18] [19] (9) ホークスの周期表に基づく定義（ランタノイドとアクチノイドを除く）、[20]および(10) ニーボーアとリチャードソンの生化学的分類。[21]元素の密度は主にエムズリーによる。[22] At、Fr、Fm – Tsには予測密度が使用されている。[23] Fm、Md、No、Lrの指示密度は、原子量、推定金属半径、[24]、および予測された最密充填結晶構造に基づいて導出された。 [25]原子量はEmsleyによる[22] 、裏表紙の内側
  2. ^ しかし、ホークスは「半金属（すなわち半金属）を重金属に含めるかどうかを決定する必要はない」と述べ、半金属は周期表に基づくホークスの定義から除外された。[20]
  3. ^ 鉛は蓄積性毒物であり、歴史的に広く使用され、人為的に環境中に排出されたため、比較的多く存在しています。[42]
  4. ^ ヘインズはスズの量については17mg未満を示している[43]
  5. ^ アイアンガーはニッケルの量を5mgと記録している。[44]ヘインズは10mgと示している。[43]
  6. ^ セレンは非金属です。
  7. ^ 10mg未満の量で存在する45種の重金属を含み、その中にはAs（7mg）、Mo（5mg）、Co（1.5mg）、Cr（1.4mg）が含まれる[45]
  8. ^ 一般的に半金属として認識されている元素のうち、B と Si は非金属として数えられ、Ge、As、Sb、Te は重金属として数えられました。
  9. ^ Ni、Cu、Zn、Se、Ag、Sbは米国政府の有害汚染物質リストに掲載されています。[71] Mn、Co、Snはオーストラリア政府の国家汚染物質目録に掲載されています。[72]
  10. ^ 微量元素（Tc、Pm、Po、At、Ra、Ac、Pa、Np、Pu）は示されていません。存在比はLide [90]とEmsley [91]によるものです。また、産状はMcQueen [92]によるものです。
  11. ^ 場合によっては、例えば高エネルギーガンマ線の存在下や非常に高温の水素に富む環境下では、対象となる原子核は中性子の損失や陽子の獲得を経験し、（比較的まれな）中性子欠乏同位体を生成する可能性がある。[97]
  12. ^ 2つの中性子星が衝突したときに物質が放出される原因は、潮汐力、地殻の破壊、そして衝撃波加熱（エンジンが冷えているときに車のアクセルを踏み込んだときに起こる現象）の相互作用によるものと考えられている。[100]
  13. ^ 鉄、コバルト、ニッケル、ゲルマニウム、スズも地球全体の観点からは親鉄性元素である。[92]
  14. ^ 固体の内核から逃げる熱は、液体の鉄合金でできた外核に運動を生み出すと考えられています。この液体の運動によって電流が発生し、磁場が発生します。[111]
  15. ^ 自然界に存在する量が少なく、経済的に採掘できない重金属（Tc、Pm、Po、At、Ac、Np、Pu）は、人工的な変換によって生産されます。[113]後者の方法は、アメリシウム以降の重金属を生産するためにも使用されます。[114]
  16. ^ タングステン陽極に衝突した電子はX線を発生させる。[170]レニウムはタングステンの耐熱衝撃性を高める。[171]モリブデンとグラファイトはヒートシンクとして機能する。また、モリブデンの密度はタングステンのほぼ半分であるため、陽極の重量を軽減できる。[169]

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  • ウィキメディア・コモンズの重金属関連メディア
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