金属のソースを表示

{{otheruses|物質|青森県弘前市の地名|金属町}}
[[ファイル:Gallium1 640x480.jpg|thumb|250px|right|[[ガリウム]] の結晶。]]
[[ファイル:Lithium paraffin.jpg|thumb|250px|right|[[リチウム]]。[[原子番号]]が一番小さな金属]]
[[化学]]において、'''金属'''（きんぞく、{{lang-en-short|metal}}）とは、[[一部]]の[[化学物質]]を指す総称である。具体的な定義については、[[#定義]]を参照。

金属は、[[水銀]]を例外として[[常温]]・[[常圧]]状態では[[透明]]ではない[[固体]]となり<ref name="koujien733">{{Cite book|和書|year=1999|title=広辞苑|edition=第五版第一刷|publisher=岩波書店|page=733|chapter=【金属】|isbn=4-00-080113-9}}</ref>、液化状態でも良導体性と光沢性は維持される<ref>{{Cite book|和書|year=1994|title=岩波理化学辞典|edition=第四版第九刷|publisher=岩波書店|pages=327-328|chapter=【金属】|isbn=4-00-080015-9}}</ref>。

[[単体]]で金属の性質を持つ[[元素]]を「[[金属元素]]」と呼び<ref>{{Cite book|和書|year=1999|title=広辞苑|edition=第五版第一刷|publisher=岩波書店|page=733|chapter=【金属元素】|isbn=4-00-080113-9}}</ref>、金属内部の[[原子]]同士は[[金属結合]]という[[陽イオン]]が[[自由電子]]を媒介とする[[金属結晶]]状態にある<ref>{{Cite book|和書|year=1999|title=広辞苑|edition=第五版第一刷|publisher=岩波書店|page=733|chapter=【金属結合】|isbn=4-00-080113-9}}</ref>。周期表において、[[ホウ素]]、[[ケイ素]]、[[ヒ素]]、[[テルル]]、[[アスタチン]]（これらは[[半金属]]と呼ばれる）を結ぶ斜めの線より左に位置する元素が金属元素に当たる。

異なる金属同士の混合物である[[合金]]、ある種の非金属を含む相でも金属様性質を示すものは金属に含まれる<ref name="koujien733" />。

== 定義 ==
=== 性質からの定義 ===
以下の5つの特徴をすべて備えるものを「金属」と定義する。

# [[電磁波]]を[[反射]]する。（特に[[可視光]]を反射したときのの[[光沢]]を[[金属光沢]]という。）
# [[熱伝導性]]に優れている。
# [[電気伝導性]]に優れている。
# [[展性]]を持つ。
# [[展延性|延性]]を持つ。

ただし、金属元素以外でも特定環境下では金属状態となる可能性も指摘され、例えば[[常温]]・[[高圧]]（約200[[ギガ|G]][[パスカル (単位)|Pa]]以上）下では[[水素]]は金属と同じような性質を帯びると推測されている。これを[[金属水素]]と呼称する<ref>{{Cite book|和書|year=1994|title=岩波理化学辞典|edition=第四版第九刷|publisher=岩波書店|page=329|chapter=【金属水素】|isbn=4-00-080015-9}}</ref>。

=== 化学結合からの定義 ===
金属を[[原子]]の[[化学結合]]で定義する場合、特有の[[金属結合]]で説明される。これは、カチオン化した金属元素が規則正しく並び、その間を自由電子が動き回りながら、これらが[[クーロン力]]で結びついている結合を指し、常温下でこのような結合状態にある物質を金属と定義している<ref name="osawa1-1">[[#大澤|大澤p.11-35 I.金属の化学 1.金属とは]]</ref>。

原子の配列は、ほとんどの場合、[[面心立方格子構造]] (fcc)、[[体心立方格子構造]] (bcc)、[[六方最密充填構造]] (hcp) のいずれかを取り、元素の種類や同じ元素でも状態によってそれぞれの構造となる。この構造はそれぞれ[[原子充填率]]が異なり、金属の[[塑性変形]]に影響を与える<ref name="osawa1-1" /><ref name="kyutech9">{{Cite web|和書|url=http://genkai.matsc.kyutech.ac.jp/information/opencampus/9/index.htm|language=日本語|title=9.金属の不思議|publisher=[[九州工業大学]]マテリアル工学科オープンキャンパス|accessdate=2010-04-17}}</ref>。
[[ファイル:Kinzoku999.jpg|thumb|280px|right|外部の力が加わった際の、イオン結合と金属結合に起こる差異]]

自由電子理論では、金属とは陽子がつくる[[格子]]状[[立体]]の中を電子が自由に飛び回っている状態 (Drude, 1900)、自由電子の気体の中に鋼体球（陽イオン）が浸かっている状態 (Lorentz, 1923) という表現で、カチオンと[[電子雲]]が結合する様子と自由電子のふるまいを説明した<ref>{{Cite book|和書|date=2005年（初版1982年）|title=リー 無機化学|author=J.D.Lee、浜口博・菅野等 訳|edition=第一版第二十二刷|publisher=[[東京化学同人]]|page=81|chapter=2.結合と構造 金属中の結合の理論|isbn=4-00-080113-9}}</ref>。この自由電子の存在が金属の特徴をもたらす。物体に外部の力が加わってズレが生じた際、[[イオン結合]]の物質は[[クーロンの法則|静電反発]]が起こり[[破壊|壊れる]]のに対し、金属は自由電子が取り囲んでいるため結合が[[安定]]する<ref name="saitoh1-2">[[#齋藤|齋藤p.32-50 I.金属の化学 2.金属の物理的性質]]</ref>。金属光沢は、自由電子がほとんどの[[可視光]]をはねかえす、実際は自由電子の集団が様々な[[波長]]の光を吸収して再放出するため、全体では[[反射]]し光沢を持っている様に見えることによる<ref name="NewtonSP66884-20">{{Cite book|和書|author=編集長：水谷仁|coauthors= |year=2010|title=[[ニュートン (雑誌)|ニュートン]]別冊 完全図解「周期表」第2版|chapter=3.周期表を読み取ろう 金属の性質はなぜ生まれるのか？|pages=56-57|publisher=[[ニュートンプレス]]|location=東京都渋谷区代々木2-1-1新宿マインズタワー|isbn=978-4-315-51876-4}}</ref>。導電性には、[[電荷]]を持つ電子が自由に動き回りながら[[電極]]間に電荷を受け渡すことで寄与している<ref name="NewtonSP66884-20" />。

=== バンド理論からの定義 ===
[[ファイル:BandGap-Comparison-withfermi-J.PNG|thumb|left|金属、[[半導体]]、[[絶縁体]]の[[バンド構造]]の模式図]]
原子中の電子が取りうるエネルギーのレベルは、複数の原子が存在する状態下ではおのおのが重ならない[[電子軌道]]を取る。[[バンド理論]]と呼ばれる理論を用いた場合、金属は以下のように定義される。

[[量子力学]]が要請する分裂によって生じる軌道は、金属において[[アボガドロ数]]程度の原子が存在する状況ではエネルギーが低いところから順々に埋められ、最も高いエネルギー（[[フェルミエネルギー]]）を持つ電子が球状の[[フェルミ面]]を形成し、全体として定まった幅を持つ<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.sc.niigata-u.ac.jp/hasegawa/information/shibukai-m.html|language=日本語|title=Ce化合物の電子構造とフェルミ面|author=眞榮平孝裕、樋口雅彦、長谷川彰|publisher=[[新潟大学]]|accessdate=2010-04-17}}</ref>。これは「[[バンド構造]]」と呼ばれる。このバンドには物質によっては電子が軌道を取りえない断絶したエネルギー領域（[[バンドギャップ]]、禁制帯）があり、電子が取りうる最大のエネルギー領域がこのバンドギャップ部分にあると、電子軌道はギャップよりも低く原子核に束縛される<ref name="tohoku9">[[#東北大学|東北大学p.260-292 3.エネルギー、環境、情報分野の基盤をつくる材料 9.環境材料としての光触媒]]</ref> バンド領域（価電子帯、バレンスバンド）に詰まってしまい、電流は流れない。しかし金属にはこのバンドギャップが無いため、電子は自由に動くことができ、電流が流れる<ref name="tohoku2">[[#東北大学|東北大学p.44-87 1.材料学の基礎 2.物質の構造]]</ref>。

半導体は、このバンドギャップが1[[電子ボルト|eV]]前後であるため、光や熱のエネルギーを加えることで電子の一部をバンドギャップよりもエネルギー位置が高いところにある伝導帯（コンダクションバンド）まで引き上げることができ、結果通電するようになる物質である<ref name="tohoku2" />。

== 性質 ==
=== 融点 ===
[[系 (自然科学)|系]]の[[自由度]]を規定する[[ギブスの相律]]では、物質の状態は以下の式で示される。
: <math>F \, = C-P+2</math>
: ただし、
* <math>F</math> は、自由度（平衡状態中に取り得る外的因子の数）。
* <math>C</math> は、成分の数。
* <math>P</math> は、その体系中において存在する相の数。
金属の相律を考える際、わずかな圧力変化が及ぼす影響は無視してかまわないため、変数2が表す[[示強性]]のうち圧力を減らした次式を用いる。
: <math>F \, = C-P+1</math>
純金属の成分<math>C</math>は1となるため、上式を変形すると
: <math>F \, = 2-P</math>
となり、<math>P</math> = 2 すなわち[[固相]]と[[液相]]が共存する状態での自由度 <math>F</math> は0になる。これは、純金属が一定の[[融点]]を持つことを示す。一方、[[合金]]では <math>C</math> は2、<math>F</math> は1となり、融け始める温度（固相線温度）と完全に融ける温度（液相線温度）が異なるため、固相線温度を融点と置いている。これら[[相]]の変化は、溶融状態の金属を徐々に[[冷却]]しながら[[凝固]]させ得られる冷却曲線から分析する<ref name="osawa1-2">[[#大澤|大澤p.36-79 I.金属の化学2.やさしい金属学]]</ref>。

この、一定である純金属の融点（[[凝固点]]）は、温度の定点として利用されている。[[温度#国際温度目盛|国際温度目盛]]1990年改訂 (ITS-90) では[[スズ]]、[[アルミニウム]]、[[金]]、[[銀]]などの凝固点が採用されている<ref name="osawa1-2" />。[[融点]]から[[沸点]]の間で[[液体]]状になった金属、または狭義では室温付近で液体状になる金属を'''[[液体金属]]'''という<ref>[https://kotobank.jp/word/液体金属-1509603 液体金属]（コトバンク）</ref><ref name=hokudai>[https://www.eng.hokudai.ac.jp/engineering/archive/2017-07/feature1707-03.html 液体金属実験が詳らかにする現象の「なぜ？」] 北海道大学大学院工学院 No.411［平成29年7月号］、著：エネルギー環境システム部門 流れ制御研究室 准教授 田坂 裕司</ref>。

=== 硬さ ===
金属は一般には硬いものとしてイメージされ、ひっかき硬さなどの意味に置いては実際に硬いものが多い。しかし、[[アルカリ金属]]や[[アルカリ土類金属]]のように柔らかいものもある。また、塑性という観点に立てば、むしろ金属は柔らかく（延性があり）加工しやすいのが特徴といえる。工業的に大量に利用されている理由も、強度と加工しやすさのバランスの良さにある。

[[ファイル:Slip system.gif|thumb|right|辷り（すべり）]]
塑性には、金属原子がどのような構造配列を持っているかも影響を与える。金属の塑性変形は原子密度が高い辷り面（すべりめん）と呼ばれる結晶面に沿って、原子の間隔が広く[[抵抗]]が少ないところから間隔が狭い方向（辷り方向）に起こる。この辷り面と辷り方向の組み合わせは「辷り系（すべりけい）」と呼ばれ、原子の構造配列によって数が異なる。それぞれの系の数は、fccが12、bccが48、hcpが4となる。ただし、bcc構造は原子密度が高い領域が無いため、辷りを起こすためには大きな[[せん断力]]が必要になる。このような理由から、fcc構造の金属は比較的簡単に塑性を起こし、bcc構造の金属は力が必要だが多様な形に変形させることができる<ref name="osawa1-1" />。

金属材料の硬さ評価は、JIS規格にて[[ブリネル硬さ]]、[[ビッカース硬さ]]、[[ロックウェル硬さ]]、[[ショア硬さ]]の4種類の測定法が定められている<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.aichi-inst.jp/html/news/znews05/znews018p4.pdf|format=PDF|language=日本語|title=硬さ試験法|author=来川保紀|publisher=[[愛知県]]産業技術研究所|accessdate=2010-04-17}}</ref>。ブリネル硬さ試験は鋳物などに限られ、荷重の幅が広いビッカース硬さ試験は柔らかい金属から超硬合金まで対応が可能。ロックウェル硬さ試験は黄銅や焼入れ合金などで用いられる<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.aichi-inst.jp/riyou/1060soudan/1062naruhodo/sou3201kinzai.html|language=日本語|title=金属の硬さを知りたいのですが、どのような方法があるのか教えてくさだい。|publisher=[[愛知県]]産業技術研究所|accessdate=2010-04-17}}</ref>。

=== 変態 ===

物質が[[相]]を[[固体]]、[[液体]]、[[気体]]に変えることを[[相変態]]というが、ほとんどの金属はこれ以外に固体状態で結晶構造を変える現象を起こし、これを「固相変態」、「同素変態」または単に「（金属の）変態」と言う。この変態は温度変化によって起こされ、大抵のケースでは低温のfccやhcp構造を取る金属が固有の温度（変態温度）でbcc構造へ変わる。しかし例外として[[鉄]]は特殊な変態を見せ、低温時のbcc構造（[[フェライト相|α-Fe]]）から、912℃を境界にfcc構造（[[オーステナイト|γ-Fe]]）へ変り、さらに加熱すると1400℃でbcc構造 ([[デルタフェライト|δ-Fe]]) となる。これは、低温の鉄は磁性が強いために起こる現象と説明されており、この特性が鉄の用途を広げる理由ともなっている<ref name="kyutech9" /><ref name="osawa1-2" />。

高温の金属が冷却されbcc構造になる変態を「[[マルテンサイト]]変態」と言い、これは開始温度 M<sub>s</sub> で始まり終了温度 M<sub>f</sub> で完了する。逆にbcc構造の金属を加熱し起こす変態は「逆変態」と呼ばれ、温度 A<sub>s</sub> で始まり A<sub>f</sub> で完了する。これらの温度は M<sub>f</sub>＜M<sub>s</sub>＜A<sub>s</sub>＜A<sub>f</sub> の関係にある<ref>{{Cite web|和書|url=http://safety-info.nifs.ac.jp/mailQA/m-A11.html|language=日本語|title=ご質問11：形状記憶合金？|publisher=[[自然科学研究機構]][[核融合科学研究所]](NIFS)|accessdate=2010-04-17}}</ref>。

この変態を[[工学]]に応用する例には、[[原子力発電所]]で利用する[[ウラン]]処理がある。668℃以下で[[斜方晶]]構造 (α-U) のウランは発電において鍛造や圧延加工を施し[[棒]]状に成形されるが、これには集合組織が形成されるため何度も加熱するうちに[[熱膨張]]を起こして数倍に伸びる。そこで、ウラン棒を加熱し[[正方晶]]構造 (β-U) へ変態させた上で急冷し、集合組織を除去する。これによって熱膨張を低減させることができる<ref name="osawa1-2" />。

=== 導体、超伝導 ===
自由電子のふるまいによって、金属の[[熱伝導率]]と[[電気伝導率]]は高くなり、しかも[[比例]]する（[[ヴィーデマン＝フランツ則]]）。金属は[[温度]]が下がると電気伝導性が上がり、逆に温度が上がると伝導性は減少する<ref name="osawa1-1" />。これは温度の上昇に伴って[[伝導電子]]がより[[散乱]]されるためである<ref name="saitoh1-2" />。この性質から、[[絶対零度]]に向けて金属の[[電気抵抗]]はゼロになることを検証する過程で、[[超伝導]]が1911年に[[ヘイケ・カメルリング・オネス]]によって発見された。超伝導となる温度（[[転移温度|臨界温度]]、Tc）は金属によって異なり、例えば[[ニオブ]]は9.22K、アルミニウムは1.20Kとなる<ref name="saitoh1-2" />。

=== 腐食 ===
{{See also|腐食}}
[[ファイル:Rust and dirt.jpg|thumb|200px|right|金属腐食の一例：[[錆]]]]
[[貴金属]]など一部を除き金属は本来、[[酸化]]や[[硫化]]された状態が安定している。工業利用では[[還元]]反応を用いて[[化合物]]を取り除いているが、自然な状態に置いた金属は再び[[酸素]]や[[硫黄]]などと結びつこうとする性質を持ち、[[錆]]や[[脆化]]が発生する。これらや、[[酸]]による反応などは一般に[[腐食]]と呼ばれる。腐食は、「化学的腐食」に相当する[[溶液]]による「湿食」や腐食性[[気体|ガス]]がもたらす「乾食」がある。「電気化学腐食」は、合金を含め複数の金属が接触しているものに対し、[[電極]]の[[電位]]差から起きる腐食であり、[[イオン化傾向]]が強い金属が陽極（[[アノード]]）となって[[電解腐食]]（ガルバニ腐食）を起こす<ref name="osawa1-2" />。

一方、化学的腐食のうち酸などが金属の表面を侵した段階で、この部分が[[酸化皮膜]]化してそれ以上の腐食が起こらなくなる現象がある。例えば鉄を[[希硝酸]]に漬けると溶解するが、硝酸濃度を上げ40%を超えると溶解速度は遅くなり始め、65%以上では溶解しなくなる。これは、鉄の表面に数10[[オングストローム|Å]]厚の不溶性である[[酸化鉄(II,III)]]が生成されるためである。このような状態となった金属を[[不動態]]と言う<ref name="osawa1-2" />。

金属が酸素と結びつく酸化反応には、激しく起こるものと緩やかに進行するものがある。[[金属粉]]が酸化する場合、急な[[発熱]]や[[光|閃光]]を伴うことがあり、[[爆発]]事故に繋がる場合がある。この現象を逆利用したものが[[アルミニウム]]粉末を用いた[[溶接]]の手段である[[テルミット法]]や、[[マグネシウム]]を利用する[[写真]]用[[閃光電球|フラッシュ]]などである<ref name="osawa1-2" />。

=== 破壊 ===
[[ファイル:Ductility.svg|thumb|right|157px|丸い金属棒の[[引張試験]]結果の分類<br/>(a) 脆性破壊<br/>(b) 延性破壊<br/>(c) 完全な延性破壊]]
塑性がある金属でも、過大な力が掛かれば破壊する。引張破壊を例にすると「[[脆性破壊]]」と「[[延性破壊]]」に分かれる。ぜい性破壊は亀裂を起因とするもので破壊箇所に塑性変形が見られず、金属の結晶面に沿って破壊が始まり、劈開（ヘキカイ）破面と呼ばれる断面が2km/秒という瞬時に金属に走って断裂する。これは部品設計上の問題が大きい。延性破壊は荷重のため金属が延伸し、その限界に達したところで断裂を起こす。そのため、破断部分に伸び細った様子が見られ、破断面にはディンプルと呼ばれる小さなくぼみが多数観察される。このような破壊に対し、破断面を観察し研究する分野はフラクトグラフィ（破面学）と呼ばれる<ref name="osawa1-2" />。

一方で、破壊を引き起こさない程度の力が繰り返し同じ箇所に掛かるような時にも破壊が起こる。これは「[[金属疲労]]」もしくは単に「[[疲労 (材料)|疲労]]」と呼ばれる<ref name="osawa1-2" />。

== 金属の分類 ==
[[ファイル:Goldkey logo removed.jpg|thumb|200px|right|[[金]]：[[非鉄金属]]（[[貴金属]]。レアメタルには含まれない。）、[[面心立方格子構造]]の結晶を持ち、比重では[[重金属]]の範疇に入る。有色金属。]]
金属の分類にはいくつかの方法がある<ref name="osawa1-1" /><ref name="saitoh1-5">[[#齋藤|齋藤p.91-110 I.金属の種類と性質 5.金属の種類]]</ref>。

=== 化学的性質による分類 ===
* [[典型金属]]：（[[アルカリ金属]]：[[リチウム|Li]]、[[ナトリウム|Na]]、[[カリウム|K]]、[[ルビジウム|Rb]]、[[セシウム|Cs]]。[[アルカリ土類金属]]：[[カルシウム|Ca]]、[[ストロンチウム|Sr]]、[[バリウム|Ba]]、[[ラジウム|Ra]]。）
* [[マグネシウム族元素]]：[[ベリリウム|Be]]、[[マグネシウム|Mg]]、[[亜鉛|Zn]]、[[カドミウム|Cd]]、[[水銀|Hg]]
* [[アルミニウム族元素]]：[[アルミニウム|Al]]、[[ガリウム|Ga]]、[[インジウム|In]]
* [[希土類元素]]：[[イットリウム|Y]]、[[ランタン|La]]、[[セリウム|Ce]]、[[プラセオジム|Pr]]、[[ネオジム|Nd]]、[[サマリウム|Sm]]、[[ユウロピウム|Eu]]
* [[スズ族元素]]：[[チタン|Ti]]、[[ジルコニウム|Zr]]、[[スズ|Sn]]、[[ハフニウム|Hf]]、[[鉛|Pb]]、[[トリウム|Th]]
* [[鉄族元素]]：[[鉄|Fe]]、[[コバルト|Co]]、[[ニッケル|Ni]]
* [[土酸元素]]：[[バナジウム|V]]、[[ニオブ|Nb]]、[[タンタル|Ta]]
* [[クロム族元素]]：[[クロム|Cr]]、[[モリブデン|Mo]]、[[タングステン|W]]、[[ウラン|U]]
* [[マンガン族元素]]：[[マンガン|Mn]]、[[レニウム|Re]]
* [[貴金属]]（銅族、貨幣金属<ref>{{Cite book|和書|date=2005年（初版1982年）|title=リー 無機化学|author=J.D.Lee、浜口博・菅野等 訳|edition=第一版第二十二刷|publisher=東京化学同人|pages=389-398|chapter=6.d-ブロック元素 銅族（貨幣金属）|isbn=4-00-080113-9}}</ref>）：[[銅|Cu]]、[[銀|Ag]]、[[金|Au]]
* [[白金族元素]]：[[ルテニウム|Ru]]、[[ロジウム|Rh]]、[[パラジウム|Pd]]、[[オスミウム|Os]]、[[イリジウム|Ir]]、[[白金|Pt]]。
* [[放射性元素|天然放射性元素]]：[[ウラン|U]]および[[トリウム|Th]]を母体とする放射能壊変産物。U、Th、Ra、Rn、[[アクチノイド]] <ref>{{Cite web|和書|url=http://www.chs.nihon-u.ac.jp/syllabus/syllabus/kagaku/57-290-2.pdf|format=PDF|language=日本語|title=放射化学Ⅱ|publisher=[[日本大学]]文理学部|accessdate=2010-04-17}}</ref>。
* [[超ウラン元素]]：[[ネプツニウム|Np]]、[[プルトニウム|Pu]]、[[アメリシウム|Am]]、[[キュリウム|Cm]]、[[バークリウム|Bk]]、[[カリホルニウム|Cf]]、[[アインスタイニウム|Es]]、[[フェルミウム|Fm]]、[[メンデレビウム|Md]]、[[ノーベリウム|No]]等、ウラン以降の元素<ref>{{Cite web|和書|url=http://semrl.t.u-tokyo.ac.jp/SUPERCOM/88/88_4.html|language=日本語|title=4.超ウラン・ネプツニウム化合物で初めて超伝導を発見_東北大、原研、阪大_|publisher=[[東京大学]]大学院工学系研究科 SUPERCOM |accessdate=2010-04-17}}</ref>。

[[ファイル:FCC crystal structure.svg|thumb|126px|right|[[面心立方格子構造]]]]
[[ファイル:BCC crystal structure.svg|thumb|126px|right|[[体心立方格子構造]]]]
[[ファイル:HCP crystal structure.svg|thumb|126px|right|[[六方最密充填構造]]]]

=== 金属結晶構造による分類 ===
* 面心立方格子構造 (fcc)：Al、Ca、[[オーステナイト|γ-Fe]]、Ni、Cu、Rh、Pd、Ag、In、Ir、Pt、Au、Pb
* 体心立方格子構造 (bcc)：Li、Na、K、β-Ti、V、Cr、[[フェライト相|α-Fe]]、[[デルタフェライト|δ-Fe]]、β-Sn、Ta、W
* 六方最密充填構造 (hcp)：Be、Mg、α-Ti、Zn、Cd、Nd、Os、Tl

=== 工業材料分類 ===
; [[鉄鋼]]
* [[炭素鋼]]：機械構造用炭素鋼、一般構造用炭素鋼など
* [[合金鋼]]：[[クロム鋼]]、[[ニッケル鋼]]、不銹鋼（[[ステンレス鋼]]）、[[高速度鋼]]、[[工具鋼]]など
* [[鋳鉄]]：可鍛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄（[[ダクタイル鋳鉄]]）など
; [[非鉄金属]]
* 銅および合金
* アルミニウムおよび[[アルミニウム合金|合金]]
* ニッケルおよび合金
* 貴金属：Au、Ag、Pt
* 低融点金属：Sn、Pb、[[ビスマス|Bi]]
* その他：Mg、Ti、Znなど

=== 比重 ===
金属を[[比重]]で分類する場合は、比重5を基準に下回るものを[[軽金属]]、上回るものを[[重金属]]と一般に呼ぶ。しかしこれはあまり厳密な定義ではなく、基準を比重4とする場合<ref>{{Cite web|和書|url=http://syllabus.sic.shibaura-it.ac.jp/syllabus/2003/ko1/29070-C0270300.html|language=日本語|title=軽金属材料|publisher=[[芝浦工業大学]]|accessdate=2010-04-17}}</ref> もある<ref name="saitoh1-5" />。
* 主な軽金属と比重（比重5未満）：Li (0.53)、Na (0.77)、K (0.86)、Ca (1.55)、Mg (1.74)、Be (1.85)、Al (2.70)、Ti (4.50)
* 主な重金属と比重（高比重8種）：Ir (22.65)、Pt (21.4)、Au (19.3)、W (19.3)、U (19.1)、Hg (13.6)、Hf (13.3)、Pb (11.3)

=== 貴金属と卑金属 ===
貴金属と[[卑金属]]の分類にはさまざまな考え方がある。[[イオン化傾向]]から小さい金属を「貴金属」、大きいものを「卑金属」と呼ぶ概念<ref name="tohoku4">[[#東北大学|東北大学p.121-154 2. 社会基盤をつくる材料4.非鉄金属]]</ref>、これに産出量の少なさや金属光沢の美しいもの（貴金属：precious metals）と大量産出されるもの（卑金属：base metals）を判断に加える概念<ref>{{Cite book|和書|year=1989|title=日本語大事典|edition=第一刷|publisher=講談社|pages=450,1631|chapter=【貴金属】【卑金属】|isbn=4-06-121057-2}}</ref> もある。貴金属は財貨となり、[[硬貨]]や[[貨幣経済]]を裏打ちする[[金本位制]]の基礎など、[[世界経済]]を支える役割を担った<ref name="saitoh2-9">[[#齋藤|齋藤p.165-180 II.金属各論 9.金・銀・白金]]</ref>。また、卑金属から貴金属を生み出すことを目的とした[[錬金術]]は、化学の生みの親ともなった<ref name="saitoh2-9" />。

=== 有色金属 ===
[[File:Bi-crystal.jpg|thumb|right|120px|酸化発色したビスマスの結晶]]
ほとんどの金属が持つ金属光沢は灰白色であるが、一部に、比較的はっきりした[[色相]]を有する金属がある<ref name="osawa1-1" /><ref>{{Cite web|和書|url=http://home.sato-gallery.com/education/kouza/metal_color_seminar.pdf|format=PDF|language=日本語|title=金属の色の物理的起源|publisher=[[東京農工大学]]|author=佐藤勝昭|accessdate=2011-11-24}}</ref>。純金属では金や銅、合金では[[黄銅]]、[[丹銅]]などがある。なお表面が酸化、[[塩素化]]、[[窒化]]など化学反応を起こした場合、これらの化合物の色や、酸化発色などの[[構造色]]<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.nodai.ac.jp/agri/original/kinoukaihatu/structure_color/index.html|language=日本語|title=昆虫の色を利用する|publisher=[[東京農業大学]]|accessdate=2011-11-24}}</ref> によって変色することもある。

=== レアメタル ===
金属を汎用金属（[[コモンメタル]]、ベースメタル）と希少金属（[[レアメタル]]）に分ける分類もある。レアメタルの基準は以下の1-4のどれか一項目を満たし、かつ5番目の条件にあてはまるものを言う<ref name="saitoh3-10">[[#齋藤|齋藤p.181-198 III.その他の金属の種類と性質 10.レアメタル]]</ref>。
# 存在する量が少ない
# 鉱床を作らず、広く薄く分布している
# 鉱床を作っても、特定の国や地域に限定されている
# 鉱物から取り出したり精製したりすることが難しい
# 現代の産業に欠かせない素材である
レアメタルは、典型元素15種類+希土類以外の[[遷移元素]]15種類+希土類金属（レアアースメタル）17種類の合計47種類があり、この中には半金属の[[ホウ素]]、[[セレン]]、[[テルル]]も含まれる。これらレアメタルは[[クラーク数]]の少なさとは必ずしも一致せず、例えば銅は、[[地殻]]に含まれる量は少ないが古来[[青銅器]]が作られたように[[鉱石]]が発掘しやすく精錬も容易だった<ref name="saitoh3-10" />。

コモンメタルの定義は、「レアメタル以外の金属」「歴史的に文明を支えた鉄、銅、亜鉛、スズ、水銀、鉛、アルミニウム、金、銀の8種類」など複数ある<ref name="saitoh3-10" />。

以上のように「レア」と「コモン」の差は物質の絶対量ではなく、人類がいかに容易に調達できるか、需給バランスのギャップという点が強い。そのため、精錬技術の向上など製造プロセス革新によってレアメタルに分類される金属がコモンメタル化される可能性があり<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.okabe.iis.u-tokyo.ac.jp/docs/okabe_essays/essay_019_061222_060401_jsps.pdf|format=PDF|language=日本語|title=環境調和型アクティブメタルプロセスの開発|publisher=[[東京大学生産技術研究所]]|author=岡部徹|authorlink=岡部徹 (材料学者)|accessdate=2010-04-17}}</ref>、その例としてチタンがコモンメタル化されつつある<ref>{{Cite web|和書|url=http://syllabus-pub.yz.yamagata-u.ac.jp/amenity/Keyword/KeywordWeb.aspx?nKeywordID=1172|language=日本語|title=レアメタル|publisher=[[山形大学]]データベースアメニティ研究所|accessdate=2010-04-17}}</ref>。

== 合金 ==
{{Main|合金}}
単一の金属を「純金属」という<ref name="osawa1-1" /> のに対し、複数の金属の[[化合物]]を「合金」という。合金は単体の金属が持たない性質を持つことがあり、工業用[[原材料|材料]]として用いられる金属は多くが合金である<ref name="osawa1-2" />。

=== 鉄鋼 ===
鉄を基礎とする合金（鉄基合金）は[[鉄鋼]]と呼ばれ、その潤沢な生産性を背景に様々な分野で活躍している。鉄鋼は本質的に鉄 (Fe) と炭素 (C) の合金であり、その微細組織は Fe-C 二元系が[[平衡状態]]にある物質と定義できる。鉄鋼の用途は構造部材が主流とするが、[[車両]]や[[船舶]]など[[運送|輸送]]機械、[[発電]]、[[化学]]などのプラントや工作機械類、[[ばね]]、[[工具]]、[[金型]]など多岐にわたる<ref name="tohoku2-3">[[#東北大学|東北大学p.90-120 2.社会基盤を作る材料 3．鉄鋼材料]]</ref><ref name="osawa1-3">[[#大澤|大澤p.82-101 II.金属の材料 3.鉄鋼]]</ref>。

鉄鋼はさらに別の金属を加えた改良が施され、クロムを加えて耐食性を付与した不銹鋼（[[ステンレス鋼]]）は100種類以上、優れた磁性を持つ[[磁石]]鋼、膨張など温度による影響を排除した不変鋼（[[インバー]]、[[バイメタル]]など）、その他にも工具鋼や耐熱鋼、快削鋼など、多様な合金が上市されている<ref name="osawa1-3" />。

=== アモルファス金属 ===
本来は結晶相を持つ金属が、ある種の合金では規則的な格子を作らず[[ガラス]]のように非晶性となることがあり、これは[[アモルファス金属]]と呼ばれる。1960年、金-シリコン合金で発見されたこの性質は、他に鉄系、アルミニウム系、コバルト系、ニッケル系、マグネシウム系などが知られる<ref name="osawa1-1" />。

アモルファス金属は、強い磁性に機械的強度や耐食性に優れ、温度変化による熱膨張や剛性低下の係数が低い。アモルファス金属の製造法には複数の手法が提案されているが、工業的には直接合金を得られる溶融金属の急冷凝固法が優れている<ref name="osawa1-1" />。

=== 機能性金属 ===
合金の中には、特殊な機能を持つ種類がある。ニッケル-チタンや鉄-マンガン-チタン合金などの[[形状記憶合金]]、相変態を利用した[[超弾性合金]]、金-銅-ジルコイル合金などの[[超塑性合金]]、マグネシウムなどを用いる[[水素吸蔵合金]]、結晶境界のずれを利用する[[制振合金]]などがある<ref name="saitoh1-5" />。水銀や高価なセシウムに替わる低融点の合金も研究されており、かつて開発された[[ウッドメタル]]の毒性を改良した[[ガリンスタン]]なども提案されている<ref name="saitoh3-11">[[#齋藤|齋藤p.199-211 III.その他の金属の種類と性質 11.その他の金属]]</ref>。今後は、レアメタルの用途を代替する合金の開発などが求められている<ref name="saitoh3-10" />。

== 精錬と加工 ==
{{Main|金属加工}}

=== 精錬 ===
地球の環境下において、天然の状態で得られる純金属はごく少数に限られ、ほとんどは[[酸化物]]、[[硫化物]]、[[炭酸塩]]、[[ケイ酸塩]]、[[ヒ化物]]といった化合物となっている。これらから他の元素を排除して利用に耐えうる金属を取り出す手法を[[精錬]]、[[冶金]]と言う。その方法は加熱して行う[[乾式精錬|乾式精錬法]]（乾式冶金法）と、[[電気分解]]（[[電解精錬]]）や溶液内で抽出する[[湿式精錬|湿式精錬法]]（湿式冶金法）があり、これらは金属と他の元素間に働く結合力（親和力）などから選ばれる<ref name="osawa1-1" />。

金属利用範囲の拡大に伴って高純度の金属が求められるようになり、これらに対応する精錬法も開発されている。[[ゾーンメルト法]]（帯域溶融法）は、溶融させた不純物を含む金属を徐々に冷やし、[[偏析]]を利用して純度を高める<ref name="osawa1-1" />。

=== 鋳造 ===
金属を工業材料として用いるには、まず溶融させて[[鋳型]]に流し込む[[鋳造]]から始まる。青銅器時代から用いられたこの金属加工法で作られた[[鋳物]]は、そのままでは粗く、不純物の遍在や鋳巣などがあり強度が低い。これらは金属部品の要求性能が高まるにつれ、[[塑性加工]]技術の進展や用いられる合金の改良などが施された。鉄では1947年に[[ダクタイル鋳鉄|球状黒鉛鋳鉄]]、アルミニウム合金では1920年に[[シルミン]]の改良法が発案され、溶湯（ようとう、溶融状態の金属）処理法での強度改良に大きく寄与した<ref name="osawa3-8">[[#大澤|大澤p.145-153 III.金属の加工技術 8.鋳造技術]]</ref>。

製法も、砂型、[[金型]]、[[ダイカスト]]、精密鋳造など多種の手段が用いられるようになった。効率向上においては、連続鋳造法の基礎が1933年に発案され、1950年代にプロセス改良を経て実用的な技術として確立された<ref name="osawa3-8" />。

[[ファイル:Scene-de-forge-edo-p1000665.jpg|thumb|right|鍛造の一例：[[刀鍛冶]]]]
=== 塑性加工 ===
金属に弾性限界を超える外的な力を与え、永久ひずみを起こして望む形状や寸法に加工することを[[塑性加工]]と言う。これには、加熱した状態で行う「熱間加工」と常温で行う「冷間加工」に分類され、前者は再結晶が伴い、後者は常温で再結晶する一部の金属を除いて再結晶化が起こらない<ref name="osawa3-9">[[#大澤|大澤p.154-160 III.金属の加工技術 9.展伸加工技術]]</ref>。

塑性加工の手法には、[[圧延]]、引抜き、押出し、[[鍛造]]、深絞り、打抜きなどがあり、このような変形加工を通じて金属の不均一や粗い結晶粒の微細化が起こり、強靭さが増す。また、圧延などでは個々の結晶粒の方向性が揃いながら集合組織を形成するために、表面のエネルギー特性を高める効果もある<ref name="osawa3-9" />。

=== 硬化加工 ===
金属硬度には、「[[焼入れ]]」も大きな影響を与える。これは、加熱した金属を急[[冷却]]させる工程で、変態を起こさせる暇を与えず[[水]]や[[油]]に投入して温度を下げ、高温時の結晶状態を維持する手段である。ただし焼入れのみではもろいため、「焼き戻し」という再加熱が対で行われる。この2工程を合わせて調質という<ref name="osawa1-1" />。

鍛鉄や、金属を何度も折り曲げるなど外部から繰り返して力を加えると、金属は硬くなる。これは[[転位論]]で説明される格子欠陥のひとつ「転位」と呼ばれる原子配列の乱れが金属の塑性を起こす辷り面に生じ<ref group="2-">Frank-Readによる転位増殖源説/[[#大澤|大澤p.55]]</ref>、これがやがて点欠陥に固着し、金属全体が動きにくくなる現象である<ref name="osawa1-1" />。

== 人と金属の関係 ==
=== 宇宙と生命の関係 ===
人体は、[[カルシウム]]を含む6つの多量元素、[[ナトリウム]]、[[カリウム]]、[[マグネシウム]]を含む5つの少量元素で99.4%を構成されている。これに加え[[必須元素]]、[[微量元素]]が生命活動や[[酵素]]の活性などに使われている<ref name="saitoh1-4">[[#齋藤|齋藤p.73-90 I.金属の種類と性質 4.金属と生体]]</ref>。

このような金属をつくる元素は[[宇宙]]の誕生とともに生成された訳ではない。[[ビッグバン]]が起こった後、当初宇宙に満ちていた元素は水素と[[ヘリウム]]だけだったと考えられる。これが[[重力]]によって集まり、産まれた[[恒星]]の中でより重い元素は[[核融合]]を起こし生成された。ただし[[太陽]]程度の星では酸素までであり、より重い質量の恒星でも内部で生成される元素は鉄までに止まる。鉄よりも重い元素は[[超新星爆発]]のエネルギーを吸収して初めて核融合を成すといわれる<ref group="注">『[[ニュートン (雑誌)|ニュートン]]』別冊 完全図解「周期表」第2版では、このメカニズムはまだはっきりと解明されていないと述べられている。(p68)</ref>。地球が鉄よりも重い金属元素を含み、それらを生物が生命活動に、そして人類がエネルギーとして放射性元素を利用していることは、すなわち[[太陽系]]、人類を含む生命を構成し活動を支える物質はかつて爆発し散らばった星のカケラが再集結したものであることを示し、金属の存在はそれを証明している。このことを指し、人類を始め地球生命は「星の子」<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.keio.ac.jp/ja/event/200810/kr7a430000009ub9.html|language=日本語|title=平成20年度 秋季港区民大学 人間と宇宙のかかわり‐2009年世界天文年‐|publisher=[[慶應義塾大学]]|accessdate=2010-04-17}}</ref> とも評される<ref>{{Cite book|和書|author=二間瀬敏史|authorlink=二間瀬敏史|date=2002年（初版1999年）|edition=第十五刷|title=ここまでわかった宇宙の謎|pages=91-100|publisher=[[講談社]]|isbn-=4-06-256398-3}}</ref>。

=== 金属利用 ===
文明が金属を使用した太古の例では、[[イラク]]で出土した紀元前9500年頃の銅製[[ペンダント]]が見つかっている<ref name="tohoku1-1">[[#東北大学|東北大学p.15-43 1.材料学の基礎 1.ようこそ材料学の世界へ]]</ref>。しかしこれは天然にあった純銅をほぼそのまま利用したもので、以後続いた銅の利用は、銅が純粋な形（[[自然銅]]）で鉱石となって集まりやすく、しかも[[地球]]表面のいたるところに分布していたことが幸いした<ref name="saitoh2-7">[[#齋藤|齋藤p.131-150 II.金属各論 7.銅とアルミニウム]]</ref><ref group="注">この箇所について[[#東北大学|『金属材料の最前線』]]は、「銅は鉱石中で酸化物として存在(p24)」と述べ、異なる見解を示している。同書は、[[ヨーロッパ]]の[[アルプス山脈|アルプス]][[氷河]]から発見された紀元前3300年頃の男性[[ミイラ]]が持っていた[[ハンマー]]に純銅の刃がついていたことを「謎(p24)」と表現している。</ref>。この初期段階で利用された他の金属は、金や銀など酸素と結合しにくい貴金属に限られ、その絶対量も希少だった<ref name="tohoku1-1" />。

[[ファイル:AltechinesischeMuenzen.jpg|thumb|[[周]]時代の[[青銅]]製通貨]]
酸化物から金属を得る[[製錬]]技術は、[[世界四大文明]]が生まれ、人類が数百℃以上の[[熱源]]を制御する手段を得て初めて可能となった。紀元前2000頃のエジプトの[[壁画]]には足踏み[[ふいご]]と鋳型が登場する。さらに、銅－砒素および銅－錫合金が発明され、融点を940℃まで下げながら約3倍の強度を持つ[[青銅]]が古代中国大陸の[[殷]]王朝や[[地中海]]の[[ミケーネ文明]]、[[ミノア文明]]および[[中東]]などを例に[[金属器]]が広く製造、使用されるようになり、青銅器時代が到来した<ref name="tohoku1-1" />。

地球上に豊富にある鉄は酸化された状態にあり、最古の利用例と言われるエジプトや[[メソポタミア]]で発見された紀元前5000-3000年前の鉄製品は、[[隕鉄]]を叩いて<ref name="meiji">{{Cite web|和書|url=http://www.isc.meiji.ac.jp/~sano/htst/History_of_Technology/History_of_Iron_19990324.html|language=日本語|title=製鉄技術史（１）|publisher=[[明治大学]]佐野研究室|accessdate=2010-04-17}}</ref> 製造されている。酸化鉄を加熱し[[還元]]反応を経る精錬は、諸説あるが<ref name="meiji" /> 紀元前1650年頃の[[ヒッタイト]]で始められ、彼らが持つ鉄製の武具は高い[[軍事力]]の裏打ちとなった。製鉄技術は約200年以上秘匿されてきたが、紀元前1200年頃に「[[海の民]]」にヒッタイトが滅ぼされると、製鉄技術の広範な伝播が始まった。なおヒッタイト秘術の真髄は、鉄の精錬そのものではなく[[炭素]]を含ませ[[鋼]]をつくる技術にあったと思われている<ref name="tohoku1-1" />。

金属精錬技術の普及とともに、金属は武器だけでなく[[農耕]]器具や[[日用品|生活用品]]にも広く用いられ、また貴金属類も[[装飾品]]などに使われている<ref name="housou">{{Cite web|和書|url=http://www.isc.meiji.ac.jp/~sano/htst/History_of_Technology/History_of_Iron_19990324.html|language=日本語|title=生命と金属の世界（‘05）|publisher=[[放送大学]]教養学部|accessdate=2010-04-17}}</ref>。金属の[[磁性]]は[[方位磁石]]から[[羅針盤]]へと発展し[[航海]]技術発展に寄与した<ref name="tohoku1-1" />。

18世紀以前、人類が使用していた金属は金や鉄、水銀など11種類だけであった<ref group="2-">[[井口洋夫]]『金属の話』（[[培風館]]）/[[#東北大学|東北大学p.172]]</ref>。[[産業革命]]を迎えると採掘や精錬技術が進み、また[[ドミトリ・メンデレーエフ]]の[[周期表]]発表前後は新たな金属が続々と発見された。さらに19世紀以降には様々な化学実験や[[原子論]]など考察が金属にも加えられ、原子の構造が順次明らかとなった。20世紀には[[量子論]]など金属への根本理解がさらに深まり、さまざまな用途展開が行われている<ref name="tohoku1-1" />。

=== 人体への影響 ===
一部の金属は人体に強い毒性を持ち、必須、微量元素に当たる金属の中には過剰摂取で[[中毒]]症状を起こすものもある。[[公害]]の原因となった[[カドミウム]]（[[イタイイタイ病]]）、[[水銀]]（[[水俣病]]）や、[[グレアム・ヤング|グレアム・ヤング事件]]で使われた[[タリウム]]などが知られる。[[江上不二夫]]は、このような元素類は[[海水]]中に含まれる[[濃度]]が低い点を指摘し、人類に繋がる[[生物]]が海中で発生した際に接触する機会がほとんど無く、進化の過程で[[解毒]]機構を獲得しなかったものと考察している<ref name="saitoh1-4" /><ref>{{Cite book|和書|author=大島泰郎|authorlink=大島泰郎|year=1994|edition=第一刷|title=宇宙生物学とET探査|pages=129-131|publisher=[[朝日文庫]]|isbn=4-02-260798-X}}</ref>。

2006年に起こった[[アレクサンドル・リトビネンコ]][[暗殺]]事件で被害者の体内から検出された放射性元素の[[ポロニウム]]は、純度50%での致死量は100万分の1グラムと言われる。ただしポロニウムは自然界に存在せず、[[原子炉]]で人為的にしか製造されない<ref name="saitoh1-4" />。

金属が生体に接触して[[アレルギー]]反応を示すことがあり、これは[[金属アレルギー]]と呼ばれIV型（遅延型）に分類される。金属そのものは抗原性を示さないが[[アレルゲン]]となり、溶出した金属イオンが[[蛋白質]]と結合して抗原となる<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.dent.niigata-u.ac.jp/hosp/allergy/kinnare.html|language=日本語|title=金属アレルギーってなに？|publisher=[[新潟大学]]歯学部|accessdate=2010-04-17}}</ref><ref>{{Cite web|和書|url=http://hospital.dent.aichi-gakuin.ac.jp/modules/008/index.php?content_id=20|language=日本語|title=口腔金属アレルギー外来|publisher=[[愛知学院大学]]歯学部|accessdate=2010-04-17}}</ref>。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
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=== 出典 ===
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=== 脚注2 ===
本脚注は、出典書籍内で提示されている「出典」を示しています。<!-- 分ける必要ありますか？ -->
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== 参考文献 ==
* {{Cite book|和書|author=大澤直|date=2008年（初刷2006年）|edition=第一版第四刷|title=金属のおはなし|publisher=[[日本規格協会]]|isbn=978-4-542-90275-6|ref=大澤}}
* {{Cite book|和書|author=東北大学金属材料研究所|authorlink=東北大学金属材料研究所|year=2009|edition=第一刷|title=金属材料の最前線|publisher=[[講談社]]|isbn=978-4-06-257643-7|ref=東北大学}}
* {{Cite book|和書|author=齋藤勝裕|date=2009年（初版2008年）|edition=第一版第二刷|title=金属のふしぎ|publisher=[[ソフトバンククリエイティブ]]|isbn=978-4-7973-4792-0|ref=齋藤}}

== 関連項目 ==
{{commons|Category:Metals}}
{{Wiktionary|金属}}
*[[液体金属]]
* [[めっき]]
* [[機械材料]]
* [[炎色反応]]
* [[KEY to METALS]] - データベース
* [[金属量]]

== 外部リンク ==
* [http://www.jogmec.go.jp 石油天然ガス・金属鉱物資源機構]
** [http://www.jogmec.go.jp/mric_web/index.html VIRTUAL金属資源情報センター]
* {{Kotobank}}

{{半導体}}
{{Good article}}
{{Normdaten}}

{{DEFAULTSORT:きんそく}}
[[Category:金属|*]]
[[Category:化学物質]]
[[Category:物質]]