重金属

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、議論の余地のある曖昧な用語です^{[ 2 ]}。使用される基準、および半金属が含まれるかどうかは、著者と文脈によって異なり、おそらく「重金属」という用語は避けるべきです。^{[ 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できます。より具体的な定義が発表されていますが、広く受け入れられているものはありません。この記事で調査した定義は、既知の118の化学元素のうち最大96を網羅しています。水銀、鉛、およびビスマスだけが、それらすべてを満たしています。このような合意の欠如にもかかわらず、この用語（複数形または単数形）は科学で広く使用されています。5 g/cm ³を超える密度は、一般的に使用される基準として引用されることがあり、この記事の本文でも使用されています。 

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や、銀、金、プラチナなどの貴金属は、重金属である。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が発見されたほか、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た。

重金属の中には、必須栄養素（鉄、コバルト、銅、亜鉛など）や比較的無害なもの（ルテニウム、銀、インジウムなど）もありますが、量が多い場合や特定の形態では毒性を示すことがあります。ヒ素、カドミウム、水銀、鉛などの他の重金属は非常に毒性が強いです。 ^{[ 5 ]}重金属中毒の潜在的な発生源としては、鉱業^{[ 6 ]} 、鉱滓、製錬、産業廃棄物、農業排水、職業曝露、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評価は、対象となる金属の定義が必ずしも一貫しているとは限らないため、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、軽い金属よりも反応性が低く、溶解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い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い金属の特性を一部持ち、ベリリウム、スカンジウム、チタンなどの軽い金属は重い金属の特性を一部持ちます。

重金属は地殻中では比較的まれですが、現代生活の多くの場面で使用されています。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、太陽光パネル、携帯電話、粒子加速器などに用いられています。

金、銅、鉄などの天然金属の重さは先史時代に認識されていた可能性があり、その展延性から、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と考えられる。^{[ 38 ]}

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、重金属に分類した。^{[ 39 ]}軽金属の密度は0.860～5.0  g/cm³ ^、重金属は5.308～22.000である。^{[ 40 ]}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る。例えば、原子核化学の歴史について論じる中で、マギー^{[ 41 ]}は、アクチノイドはかつて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「 重金属希土類のような系列を支持していた 」と述べている。

重金属の対となる軽金属は、鉱物・金属・材料学会によって「従来の軽金属（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、積層材など）」と定義されている^{[ 42 ]。}

周期 4 では、微量のいくつかの重金属が特定の生物学的プロセスに必要となります。これらは、鉄と銅(酸素と電子の輸送)、コバルト(複合体の合成と細胞代謝)、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(一部の動物およびおそらくヒトにおける代謝的成長)、セレン(抗酸化機能とホルモン産生) です。^{[ 48 ]}周期 5 と 6 には必須の重金属が少なく、これは、より重い元素は存在量が少なく、希少な元素は栄養的に必須である可能性が低いという一般的なパターンと一致しています。^{[ 49 ]}周期 5では、モリブデンは酸化還元反応の触媒作用に必要であり、カドミウムは一部の海洋珪藻によって同じ目的で使用され、スズはいくつかの種で成長に必要となる可能性があります。^{[ 50 ]}第 6 周期では、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である。^{[ 51 ]}一部の必須金属の欠乏は金属中毒に対する感受性を高める可能性がある（逆に、過剰も毒性を持つ可能性がある）。^{[ 52 ]}

平均的な体重70kg （150ポンド）の人体には、約0.01%の重金属（約7g （0.25オンス）、乾燥エンドウ豆2個分の重さに相当、鉄4g （0.14オンス）、亜鉛2.5g （0.088オンス）、鉛0.12g （0.0042オンス）が主な構成元素）、2%の軽金属（約1.4kg （3.1ポンド）、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。^{[ 53 ] [ n8 ]}            

いくつかの非必須重金属には生物学的影響があることが観察されている。ガリウム、ゲルマニウム（半金属）、インジウム、およびほとんどのランタニドは代謝を刺激することができ、チタンは植物の成長を促進する^{[ 54 ]}（ただし、チタンは必ずしも重金属とはみなされない）。

周期表で鉄付近までの重金属は、主に恒星核合成によって生成される。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な核融合反応を起こし、光と熱を放出し、原子番号の大きい重い元素を形成する。^{[ 58 ]}

より重い重金属は通常このようには形成されません。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。^{[ 59 ]}むしろ、それらは主に（原子番号の低い元素から）中性子捕獲によって合成され、この繰り返し捕獲の主なモードはs プロセスとr プロセスの 2 つです。s プロセス（「s」は「遅い」を意味します）では、単一の捕獲は数年または数十年の間隔で発生し、不安定な原子核がベータ崩壊することを可能にします。^{[ 60 ]}一方、r プロセス（「速い」）では、捕獲は原子核が崩壊するよりも速く発生します。したがって、s過程は多かれ少なかれ明確な経路をたどります。例えば、安定なカドミウム110原子核は、恒星内部で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原子核を形成し、崩壊してインジウム115（ほぼ安定で半減期が短い）を形成します。宇宙の年齢の30,000倍）。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、崩壊してスズ 116 を形成し、以下同様です。 ^{[ 58 ] [ 61 ] [ n10 ]}対照的に、r プロセスにはそのような経路はありません。s プロセスは、次の 2 つの元素であるポロニウムとアスタチンの半減期が短く、ビスマスまたは鉛に崩壊するため、ビスマスで停止します。r プロセスは非常に速いため、この不安定な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ます。^{[ 63 ]}

重金属は恒星の進化と破壊過程の結果として惑星に凝縮する。恒星は寿命の終わりに質量を放出し、その後中性子星の合体の結果として質量の大部分を失うことがある^{[ 64 ] [ n11 ]。}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する。重力の引力によってこの物質が凝集して崩壊すると、新しい恒星や惑星が形成される。^{[ 66 ]}

重金属は主に親石性（岩石を好む）または親硫性（鉱石を好む）として存在します。親石性重金属は主にfブロック元素とdブロック元素のうち反応性の高いものです。これらは酸素との親和性が高く、ほとんどが比較的低密度のケイ酸塩鉱物として存在します。^{[ 67 ]}親硫性重金属は主に反応性の低いdブロック元素と、周期4～6のpブロック金属およびメタロイドです。これらは通常、（不溶性の）硫化物鉱物中に存在します。親石性重金属よりも密度が高いため、地殻が固化する際に地殻のより深いところに沈み、親硫性重金属は親石性重金属よりも存在量が少ない傾向があります。^{[ 68 ]}

対照的に、金は親鉄元素、つまり鉄を好む元素です。酸素や硫黄とは容易に化合物を形成しません。^{[ 69 ]}地球形成時、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、核に沈みました。その結果、金は比較的希少な金属です。 ^{[ 70 ]}他のいくつかの（それほど貴ではない）重金属、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、スズは親鉄元素とみなすことができますが、それは地球（核、マントル、地殻）での主な存在という点においてのみであり、地殻ではありません。これらの金属は、それ以外の場合、地殻に少量存在し、主に親硫元素として存在します（天然の形ではあまり存在しません）。^{[ 71 ] [ n 12 ]}

地殻下の重金属の濃度は一般的に高く、そのほとんどは鉄、ケイ素、ニッケルからなる核に存在します。例えば、プラチナは地殻では約10億分の1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。 ^{[ 72 ] [ 73 ]}最近の推測では、核のウラン（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熱の大部分を発生させている可能性があるとされています。^{[ 74 ] [ n 13 ]}

大まかに言えば、いくつかの例外を除いて、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ますが、親硫性重金属は硫化物鉱石を焙焼して対応する酸化物を生成し、次にこれを加熱して原料金属を得ることによって得られます。^{[ 76 ] [ n14 ]}ラジウムは経済的に採掘するには量が少なすぎるため、代わりに使用済み核燃料から得られます。^{[ 79 ]}親硫性白金族金属（PGM）は主に他の親硫性鉱石と少量（混合）で存在します。関係する鉱石は製錬、焙焼し、硫酸で浸出してPGMの残留物を生成する必要があります。これは化学的に精製されて、個々の金属が純粋な形で得られます。^{[ 80 ]他の金属と比較して、PGMは希少性[ 81 ]と高い生産コスト[ 82 ]}のために高価です。

親鉄性である金は、金を含む鉱石をシアン化物溶液に溶解することで最も一般的に回収される。^{[ 83 ]}金は、例えば、2 Au + H ₂ O +½ O ₂ + 4 KCN → 2 K[Au(CN) ₂ ] + 2 KOHのように、ジシアノ金酸塩(I)を形成する。亜鉛を混合物に加えると、亜鉛は金よりも反応性が高いため、金を置換する。2 K[Au(CN) ₂ ] + Zn → K ₂ [Zn(CN) ₄ ] + 2 Au。金はスラッジとして溶液から沈殿し、濾過して溶融する。^{[ 84 ]}

重金属の一般的な用途の中には、電気伝導性や反射率などの金属の一般的な特性、あるいは密度、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、栄養素や毒物としての生物学的役割、あるいは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。そのような原子特性の例としては、部分的に満たされたd軌道またはf軌道（多くの遷移金属、ランタニド、アクチニド重金属）によって着色化合物が形成されること、^{[ 85 ]}重金属イオン（白金、^{[ 86 ]}セリウム、^{[ 87 ]}またはビスマス^{[ 88 ]}など）が異なる酸化状態で存在し、触媒として使用される能力、^{[ 89 ]} 3d軌道または4f軌道（鉄、コバルト、ニッケル、またはランタニド重金属）における強い交換相互作用によって磁気効果が生じることなどが挙げられます。 ^{[ 90 ]}原子番号と電子密度が高く、それが核科学への応用を支えている。^{[ 91 ]}重金属の典型的な用途は、大きく以下のカテゴリーに分類できる。^{[ 92 ]}

重量または密度に基づく

スポーツ、機械工学、軍事兵器、原子力科学など、重金属の用途の中には、その比較的高い密度を利用したものがあります。水中ダイビングでは、鉛がバラストとして使用されます。^{[ 94 ]}ハンディキャップ競馬では、各競走馬は過去の成績などの要素に基づいて、指定された鉛の重量を背負わなければならず、さまざまな競技者のチャンスを均等にします。^{[ 95 ]}ゴルフでは、フェアウェイクラブや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低くなり、ボールを空中に上げやすくなります。^{[ 96 ]}また、タングステンコアのゴルフボールは、飛行特性が優れていると言われています。^{[ 97 ]}フライフィッシングでは、沈むフライラインは、必要な速度で沈むように、タングステン粉末が埋め込まれたPVCコーティングが施されています。 ^{[ 98 ]}陸上競技では、ハンマー投げと砲丸投げで使用される鋼球は、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。^{[ 99 ]}ハンマー投げの球には少なくとも 1980 年まではタングステンが使用されていました。1981 年に球の最小サイズが拡大され、当時高価で (他のハンマーの 3 倍のコスト)、すべての国で一般的に入手できるわけではなかった金属の必要性がなくなりました。^{[ 100 ]}タングステン製のハンマーは密度が高すぎて、芝生に深く突き刺さりすぎました。^{[ 101 ]}

弾丸の密度が高いほど、重装甲板を貫通する効果は高くなります 。オスミウム、イリジウム、白金、レニウム は高価です 。ウランは、高密度、リーズナブルなコスト、高い破壊靭性の魅力的な組み合わせを提供します。

— AM Russell および KL Lee 「非鉄金属における構造と物性の関係」（2005 年、16 ページ）

重金属は、ボート^{[ 102 ]}、飛行機^{[ 103 ]}、自動車^{[ 104 ]}のバラストとして、または最小限^のスペースで最大限の重量が必要とされる状況（例えば時計のムーブメント）で、ホイールやクランクシャフト^{[ 105 ]}、ジャイロスコープ、プロペラ^{[ 106 ]}、遠心クラッチ[ ^{107 ]}のバランスウェイトとして使用されます。^{[ 103 ]}

軍事兵器では、タングステンやウランが装甲板^{[ 108 ]}や徹甲弾^{[ 109 ]}に使用されているほか、核兵器では効率を高めるために（中性子を反射し、反応物質の膨張を一時的に遅らせることによって）使用されている^{[ 110 ]} 。 1970年代には、タンタルは銅よりも密度が高く、より大きな力の集中と優れた変形性を可能にするため、成形炸薬や爆発成形対装甲兵器においてより効果的であることがわかった^{[ 111 ]} 。銅、スズ、タングステン、ビスマスなどの毒性の低い重金属、そしておそらくマンガン（および半金属であるホウ素）は、一部の軍隊で使用される緑色の弾丸や一部のレクリエーション射撃用弾薬で鉛やアンチモンに取って代わった。 ^{[ 112 ]}タングステンの安全性（または環境への配慮）について疑問が呈されている。^{[ 113 ]}

生物学的および化学的

一部の重金属の殺生物効果は古代から知られています。^{[ 115 ]}プラチナ、オスミウム、銅、ルテニウム、およびヒ素を含むその他の重金属は、抗がん治療に使用されているか、その可能性が示されています。^{[ 116 ]}アンチモン（抗原虫薬）、ビスマス（抗潰瘍薬）、金（抗関節炎薬）、および鉄（抗マラリア薬）も医学において重要です。^{[ 117 ]}銅、亜鉛、銀、金、または水銀は消毒剤の製剤に使用されています。^{[ 118 ]}一部の重金属の少量が、たとえば冷却塔での藻類の増殖を制御するために使用されます。^{[ 119 ]}肥料や殺生物剤としての用途によっては、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、鉛などの重金属が含まれている場合があります。^{[ 120 ]}

選択された重金属は、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（パラジウムおよびプラチナ）、およびセルフクリーニングオーブン（オーブンの壁にある酸化セリウム(IV)が炭素ベースの調理残留物の酸化を 助ける）の触媒として使用されます。^{[ 121 ]}石鹸化学では、重金属は不溶性の石鹸を形成し、潤滑グリース、塗料乾燥剤、および殺菌剤に使用されます（リチウムを除いて、アルカリ金属とアンモニウムイオンは可溶性の石鹸を形成します）。^{[ 122 ]}

色彩と光学

ガラス、セラミック釉薬、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）を添加することによって作られます。^{[ 124 ]}タトゥーインクには、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。^{[ 125 ]}一部の重金属の高い反射率は、精密な天体観測機器を含む鏡の製造において重要です。ヘッドライトのリフレクターは、ロジウムの薄膜の優れた反射率に依存しています。^{[ 126 ]}

核

密度の高い物質は、密度の低い物質よりもガンマ線などの特定の種類の放射線をより多く吸収するため、重金属は放射線遮蔽材として、またリニアアクセラレーターや放射線治療において放射線ビームを集中させるのに役立つ。

原子番号の大きい重金属のニッチな用途は、診断画像処理、電子顕微鏡、および核科学で見られます。診断画像処理では、コバルトやタングステンなどの重金属が、X線管の陽極材料を構成しています。^{[ 136 ]}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作成や、染色、ネガティブ染色、真空蒸着によって生物試料に電子密度を導入するために使用されてきました。^{[ 137 ]}核科学では、クロム、鉄、亜鉛などの重金属の原子核が、他の重金属ターゲットに発射されて超重元素が生成されることがあります。^{[ 138 ]}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使用される^{[ 139 ]}、または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、またはウランを使用）としても使用される^{[ 140 ] 。}

定義と使用法

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• Duffus JH 2002、「『重金属』―意味のない用語か？」、『純粋応用化学』、第74巻、第5号、 793～807ページ、doi : 10.1351/pac200274050793。この用語の様々な意味についての調査が含まれています。
• Hawkes SJ 1997、「重金属とは何か？」、Journal of Chemical Education、第74巻、第11号、 1374ページ、doi : 10.1021/ed074p1374。化学者の視点。
• Hübner R.、Astin KB、Herbert RJH 2010、「「重金属」―意味論から語用論へ移行する時か？」、Journal of Environmental Monitoring、vol. 12、pp.  1511–1514、doi : 10.1039/C0EM00056F。この用語は特異性に欠けるにもかかわらず、科学の言語の一部となっているようだ。

毒性および生物学的役割

• Baird C. & Cann M. 2012, Environmental Chemistry , 5th ed., chapter 12, "Toxic Heavy Metals", WH Freeman and Company , New York, ISBN 1-4292-7704-1水銀、鉛、カドミウム、ヒ素、クロムの使用、毒性、分布について論じる。
• Nieboer E. & Richardson DHS 1980、「非定型用語『重金属』を生物学的および化学的に重要な金属イオンの分類に置き換える」、Environmental Pollution Series B、Chemical and Physical、vol. 1、no. 1、pp.  3–26、doi : 10.1016/0143-148X(80)90017-8。重金属の生物学的役割に焦点を当てた、広く引用されている論文。
• Pyatha, S., Kim, H., Lee, D., & Kim, K. (2022). "重金属曝露とパーキンソン病の関連性：酸化ストレスに関連するメカニズムのレビュー". Antioxidants 11 (12): 2467.

形成

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用途

• Koehler CSW 2001、「重金属医療」、Chemistry Chronicles、アメリカ化学会、2016年7月11日アクセス
• モロウィッツ N. 2006、「ヘビーメタル」、モダン・マーベルズ、シーズン12、エピソード14、HistoryChannel.com
• Öhrström L. 2014、「タンタル酸化物」、Chemistry World 、9月24日、2016年10月4日アクセス。著者は、タンタル(V)酸化物がレンガのような大きさの携帯電話を駆逐した経緯を説明しています。ポッドキャストでも視聴可能です。

• ウィキメディア・コモンズにある重金属関連のメディア