金属

ほとんどの金属は、少なくとも研磨または破断すると、光沢があり輝いています。数マイクロメートルより厚い金属板は不透明に見えますが、金箔は緑色の光を透過します。これは、自由に移動する電子が光を反射するためです。^{[ 1 ] [ 2 ]}

ほとんどの元素金属は非金属よりも密度が高いが、^{[ 8 ]}密度には大きなばらつきがあり、リチウムが最も密度が低く (0.534 g/cm ³ ) 、オスミウムが最も密度が高い(22.59 g/cm ^{3 )。6d}遷移金属の中にはオスミウムよりも密度が高いと予想されるものもあるが、既知の同位体は不安定すぎて大量生産は不可能である。^{[ 9 ]}マグネシウム、アルミニウム、チタンは、商業的に重要な軽金属である。それぞれの密度は 1.7、2.7、4.5 g/cm ³であり、鉄 (7.9 g/cm 3) や銅 (8.9 g/cm ³⁾のような古い構造金属の密度と比較することができる。最も一般的な軽量金属は、アルミニウム^{[ 10 ] [ 11 ]}およびマグネシウム^{[ 12 ] [ 13 ]}合金である。    

金属は一般的に展延性があり、応力下で劈開することなく変形します。^{[ 8 ]}金属結合の非方向性により、ほとんどの金属固体は延性を持ち、パイエルス応力が比較的低いため転位が移動でき、塑性変形のための面と方向の組み合わせも多数存在します。^{[ 14 ]}原子が密に詰まった配置になっているため、転位のバーガースベクトルはかなり小さく、転位を生成するのに必要なエネルギーも小さいことを意味します。^{[ 3 ] [ 14 ]}対照的に、食塩のようなイオン化合物では、バーガースベクトルははるかに大きく、転位を移動させるのに必要なエネルギーははるかに高くなります。^{[ 3 ]}金属の可逆的な弾性変形は、復元力に関するフックの法則によってよく説明でき、応力は材料の比例限界までひずみに線形的に比例します。 ^{[ 15 ] [ 16 ]}

温度変化は、結晶性金属と非結晶性金属の両方において、粒界、点空孔、線転位とらせん転位、積層欠陥、双晶などの金属の構造欠陥の移動を引き起こす可能性があります。内部すべり、クリープ、金属疲労も発生する可能性があります。^{[ 3 ] [ 14 ]}

単純な金属物質の原子は、体心立方格子(bcc)、面心立方格子(fcc)、六方最密充填格子(hcp)の3 つの一般的な結晶構造のいずれかをとることが多い。bcc では、各原子は他の 8 つの原子からなる立方体の中心に位置する。fcc と hcp では、各原子は他の 12 個の原子に囲まれているが、層の積み重なり方が異なる。一部の金属は、温度によって異なる構造をとる。^{[ 17 ]}

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  体心立方結晶構造で、単位格子は2原子からなり、例えばクロム、鉄、タングステンなどに見られる。
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  アルミニウム、銅、金などに見られる、4原子からなる単位格子を持つ面心立方結晶構造。
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  チタン、コバルト、亜鉛などに見られるような、6原子からなる単位格子を持つ六方最密充填結晶構造。
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  TiNなどの岩塩結晶における原子の配列

異なる元素を持つ他の多くの金属は、窒化チタンの岩塩構造や一部のニッケル酸塩のペロブスカイト（構造）など、より複雑な構造を持っています。 ^{[ 18 ]}

金属の電子構造により、金属は電気の良導体となります。一般に、物質中の電子はすべて異なる運動量を持ち、外部電圧がないときは平均してゼロになります。金属では、電圧が印加されると、一部の電子は電場の方向にわずかに高い運動量を持つ状態に移行し、他の電子はわずかに減速します。これにより、電流につながる正味のドリフト速度が生成されます。 ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 19 ]}これは、電子が存在する波動関数がわずかに変化し、より高い運動量を持つ波動関数に変化することを伴います。パウリの排他原理によれば、2つの電子が同じ量子状態を占めることはできません。^{[ 20 ]}したがって、電子がより高い運動量の状態に移行するには、そのような状態が空いている必要があります。金属では、図に示すように、これらの空の非局在化電子状態は、最も高い占有レベルに近いエネルギーで利用可能です。

対照的に、シリコンなどの半導体やチタン酸ストロンチウムなどの非金属は、最も高い電子が満たされた状態（価電子帯）と最も低い空の状態（伝導帯）の間にエネルギーギャップを持っています。小さな電場では電子をこのギャップを越えて励起させるには不十分であるため、これらの材料は電気伝導性が低いです。 ^{[ 19 ]}しかし、半導体は、追加の部分的に占有されたエネルギー状態を導入する元素をドーピングした場合、または熱励起によって電子がエネルギーギャップを越えることができる場合、いくらかの電流を流すことができます。^{[ 21 ]}

元素金属の電気伝導率は、マンガンの 6.9 × 10 ³ S /cmから銀の6.3 × 10 ⁵ S/cmまでです。対照的に、ホウ素などの半導体金属の電気伝導率は 1.5 × 10 ⁻⁶ S/cm です。一般的に、金属の電気伝導率は加熱によって低下します。これは、原子の熱運動が増加すると電子が流れにくくなるためです。^{[ 22 ]}例外的に、プルトニウムの電気伝導率は、約 -175 ～ +125 °C の温度範囲で加熱すると増加します。これは、異常に大きな熱膨張係数と、100 °C 付近での単斜晶から面心立方への相変化によるものです。^{[ 23 ]}この挙動は、他の超ウラン元素で観察される同様の現象とともに、単純なモデルでは捉えられない、より複雑な相対論的相互作用とスピン相互作用に起因すると考えられています。^{[ 24 ]}  

金属合金、導電性セラミックス、ポリマーはすべて同じ定義で金属です。例えば、窒化チタンはフェルミ準位に非局在化状態を持っています。それらは元素金属と同様の電気伝導率を持っています。液体も金属導体であり、例えば水銀がそうです。通常の状態では、金属導体となる気体はありません。しかし、プラズマは金属導体であり、プラズマ中の荷電粒子は、特に白色矮星の場合、元素金属中の電子と多くの共通点を持っています。^{[ 25 ]}

金属は比較的熱伝導率が高く、金属中の熱は主に伝導電子によって運ばれます。^{[ 26 ]}高温では、電子はフェルミ・ディラック統計によって与えられるわずかに高いエネルギー準位を占めることができます。^{[ 2 ] [ 21 ]}これらの電子はわずかに高い運動量（運動エネルギー）を持ち、熱エネルギーを伝達することができます。経験的なヴィーデマン・フランツの法則によれば、多くの金属では熱伝導率と電気伝導率の比は温度に比例し、比例定数はすべての金属でほぼ同じです。^{[ 2 ]}

金属の電子が熱容量と熱伝導率に及ぼす影響、および金属自体の電気伝導率は、自由電子モデルから近似的に計算できます。^{[ 2 ]}ただし、これは金属のイオン格子の詳細な構造を考慮していません。イオンコアの配置によって生じる正の電位を考慮することで、金属の電子バンド構造と結合エネルギーを考慮することができます。さまざまなモデルが適用可能ですが、最も単純なのはほぼ自由電子モデルです。^{[ 2 ]}密度汎関数理論などの最新の手法が一般的に使用されます。^{[ 28 ] [ 29 ]}

金属を構成する元素は、通常、電子を失って陽イオンを形成します。 ^{[ 8 ]}ほとんどの元素は、空気中の酸素と反応して、さまざまな時間スケールで酸化物を形成します（カリウムは数秒で燃えますが、鉄は数年かけて錆びます）。これは、自然酸化物が拡散障壁として機能する不動態層を形成するかどうかに依存します。^{[ 30 ] [ 31 ]}パラジウム、白金、金などの一部の元素は、大気と全く反応しません。金は、電子を獲得して化合物（金化物、例えば金化セシウム）を形成することができます。元素金属の酸化物は、多くの場合塩基性です。しかし、CrO3、Mn2O7、OsO4などの非常に高い酸化状態の酸化物は_、しばしば_厳密に_酸性反応を示します。また、BeO、 _{Al2O3 、 PbO}などの電気陽性度の低い金属の酸化物は、_{塩基性と酸性の両方の性質を示すことがあります。後者は}両性酸化物と呼ばれます。

「鉄系」という用語は、ラテン語で「鉄を含む」という意味の言葉に由来します。これには、錬鉄のような純鉄、あるいは鋼鉄のような合金が含まれます。鉄系金属は磁性を持つことが多いですが、必ずしもそうとは限りません。非鉄金属や合金には、鉄がほとんど含まれていません。

ほぼすべての元素金属は展性または延性があるが、ベリリウム、クロム、マンガン、ガリウム、ビスマスなど、ごく一部の元素は脆い。^{[ 41 ]}ヒ素とアンチモンは、金属として認められる場合、脆い。体積弾性率とせん断弾性率の比（ピューの基準）の値が低いことは、固有の脆性を示している。^{[ 42 ]}転位が移動しにくい材料は脆い。これは、大きなバーガースベクトルと限られた数のすべり面と関連していることが多い。^{[ 43 ]}

耐火金属とは、熱や摩耗に非常に強い金属のことです。このカテゴリーに属する金属は様々ですが、最も一般的な定義では、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、およびそれらの合金が含まれます。これらはすべて融点が2000  ℃以上で、室温での硬度が高いという特徴があります。窒化チタンなどの化合物も耐火金属に分類されます。

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  ニオブ結晶と、比較用の 1cm³^陽極酸化処理されたニオブ立方体
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  GRX-810（酸化物分散強化型高温合金）で作られたNASAミートボールの3Dプリント
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  レニウム単結晶、再溶解した棒状結晶、および比較用の 1cm³^のレニウム立方体
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  窒化チタン粉末

ホワイトメタルとは、主に装飾目的で使用される、比較的融点の低い白色の合金の総称です。^{[ 44 ] [ 45 ]}イギリスでは、美術品取引において、オークションカタログで「ホワイトメタル」という用語を使用しており、英国検定局の刻印がないものの、銀であると認識され、それに応じて価格が付けられている外国製の銀製品を指します。^{[ 46 ]}

重金属とは、単一元素または複数元素の、比較的密度の高い金属のことである。^{[ 47 ]}マグネシウム、アルミニウム、チタン合金は、商業的に重要な軽金属である。^{[ 48 ]}これらの密度は1.7、2.7、4.5 g/cm ^3で、鉄（7.9）や銅（8.9）とその合金などの他の構造用金属の密度の19～56%に相当する。^{[ 49 ]}

卑金属とは、酸化や腐食を受けやすい金属、例えば希塩酸（HCl）と容易に反応して金属塩化物と水素を生成する金属を指します。この用語は通常、元素に対して用いられ、鉄、ニッケル、鉛、亜鉛などが例として挙げられます。銅はHClとは反応しませんが、比較的容易に酸化されるため、卑金属とみなされます。

貴金属（元素にも用いられる）という用語は、一般的に卑金属と対比して用いられます。貴金属は、ほとんどの卑金属とは異なり、反応性が低く、腐食や酸化に強い性質を持っています。^{[ 50 ]}貴金属は、希少性が高いことから、貴金属と呼ばれることが多いです。例としては、金、プラチナ、銀、ロジウム、イリジウム、パラジウムなどが挙げられます。

錬金術や貨幣学では、卑金属という用語は、貴金属、つまり経済的価値の高いものと対比されます。^{[ 51 ]}今日、ほとんどのコインは、本質的価値の低い卑金属でできています。過去には、コインの価値は主に貴金属の含有量から得られていました。金、銀、プラチナ、パラジウムにはそれぞれISO 4217通貨コードがあります。現在、プラチナやパラジウムは触媒コンバーターなどの工業用途があり、宝飾品にも使用され、投資や価値の保存手段としての役割も果たしています。^{[ 52 ]} 2024年夏の時点で、パラジウムとプラチナは金の半額弱で評価されていましたが、銀はそれよりもかなり安価でした。

電気化学において、バルブメタルとは、絶縁性酸化物の形成により電流を一方向にのみ流す金属のことである。^{[ 53 ]}

金属的な電気伝導性を持つセラミック化合物は数多く存在するが、それらは単純な金属元素の組み合わせではない。（非導電性セラミックと導電性金属の複合材料であるサーメットとは異なる。）遷移金属窒化物と呼ばれる一群は、結合に顕著なイオン性を持つため、セラミックと金属の両方に分類できる。 ^{[ 7 ]}フェルミ準位に部分的に満たされた状態を持つため^{[ 7 ]}、熱伝導性と電気伝導性に優れており、遷移金属原子から窒素への電荷移動が顕著に起こることが多い。^{[ 7 ]}しかし、ほとんどの元素金属とは異なり、セラミック金属は延性に乏しいことが多い。用途は広く、例えば窒化チタンは整形外科用デバイス^{[ 54 ]や耐摩耗性コーティング[ 55 ]}として使用されている。多くの場合、その有用性は薄膜コーティングとして使用できる効果的な成膜方法の存在に依存している。^{[ 56 ]}

金属的な電気伝導性を持つポリマーは数多く存在し、^{[ 58 ] [ 59 ]}図に示すポリマーのように、拡張された芳香族成分と関連付けられるのが一般的である。芳香族領域の伝導はグラファイトの伝導に似ているため、方向性が非常に高い。^{[ 60 ]}

ハーフメタルとは、一方のスピン方向の電子に対しては導体として作用するが、反対のスピン方向の電子に対しては絶縁体または半導体として作用する物質のことである。ハーフメタルは、マンガンをベースとしたホイスラー合金の電気的特性の説明として、1983年に初めて記述された。^{[ 61 ]}すべてのハーフメタルは強磁性体（またはフェリ磁性体）であるが、ほとんどの強磁性体はハーフメタルではない。既知のハーフメタルの例の多くは、酸化物、硫化物、またはホイスラー合金である。^{[ 62 ]}

半金属は、伝導帯の底と価電子帯の頂上の間にわずかなエネルギーの重なりがあるが、運動量空間では重なりがない物質である。^{[ 63 ]}通常の金属とは異なり、半金属には両方のタイプの電荷キャリア（正孔と電子）が存在するが、電荷キャリアの数は通常、実際の金属よりもはるかに少ない。この点で、半金属は縮退半導体に似ている。これが、半金属の電気的特性が金属と半導体の中間である理由である。特にワイル半金属とディラック半金属など、追加のタイプが存在する。^{[ 64 ]}

古典的な元素半金属元素は、ヒ素、アンチモン、ビスマス、α-スズ（灰色スズ）、グラファイトである。テルル化水銀（HgTe）^{[ 65 ]}や導電性ポリマー^{[ 66 ]}などの化合物もある。

周期表で鉄付近までの金属元素は、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。^{[ 67 ]}

より重い元素は通常このようにしては形成されません。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。^{[ 68 ]}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。^{[ 69 ]}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過程はほぼ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。 ^{[ 67 ] [ 70 ] [ n2 ]}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。^{[ 72 ]}

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の大部分を放出し、その後中性子星の合体の結果として質量を失うこともある^{[ 73 ] [ n3 ]。}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。^{[ 75 ]}

地球の地殻は重量比で約25%が金属元素で構成されており、そのうち80%はナトリウム、マグネシウム、アルミニウムなどの軽金属である。銅などの重金属は全体的に希少であるが、造山運動、浸食、その他の地質学的プロセスによって、経済的に採掘可能な量に濃縮されることがある。

金属元素は主に親石元素（岩石を好む元素）または親硫元素（鉱石を好む元素）として存在します。親石元素は主にsブロック元素、dブロック元素のうち反応性の高いもの、およびfブロック元素です。これらは酸素との親和性が高く、主に比較的低密度のケイ酸塩鉱物として存在します。親硫元素は主に反応性の低いdブロック元素と、周期表4～6のpブロック金属です。これらは通常、（不溶性の）硫化物鉱物として存在します。親石元素は親石元素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、親石元素よりも存在量が少ない傾向があります。

一方、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。地球形成時、金は最も貴な（不活性な）金属元素であったため、高密度の金属合金を形成する傾向があり、核に沈みました。そのため、金は比較的希少です。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、スズなど、他の（それほど貴ではない）元素も親鉄元素に分類されますが、これは地球（核、マントル、地殻）における主な存在場所、つまり地殻における存在場所という観点からのみです。これらの元素は、地殻には少量存在し、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）。^{[ n 4 ]}

地球内部の回転する流体状の外核は、主に鉄で構成されており、地球の保護磁場の源であると考えられています。^{[ n 5 ]}外核は、地球の固体の内核の上、マントルの下に位置しています。これを5 m ² (54平方フィート)の面積を持つ柱状に再配置すると、高さは 700 光年近くになります。磁場は、太陽風の荷電粒子や宇宙線から地球を守り、そうでなければ上層大気 (紫外線の透過を制限するオゾン層を含む) を剥ぎ取ってしまうでしょう。   

金属元素は、ボーキサイトなど、必要な元素を豊富に含む鉱石を採掘することによって、地球から抽出されることが多い。鉱石は探査技術によって発見され、その後、鉱床の調査と検査が行われる。鉱物資源は一般的に、重機を用いた掘削によって採掘される露天掘り鉱山と、地下鉱山に分けられる。場合によっては、関連する金属の販売価格によっては、濃度が低い資源を採掘する方が経済的に採算が取れることもある。

鉱石が採掘されたら、元素を抽出する必要があり、通常は化学的還元または電解還元によって行われます。乾式冶金は高温を用いて鉱石を原料金属に変換するのに対し、湿式冶金は同じ目的で水溶液化学を利用します。

金属鉱石がイオン化合物である場合、通常は鉱石を製錬（還元剤で加熱）して純粋な金属を抽出する必要があります。鉄などの多くの一般的な金属は、炭素を還元剤として使用して製錬されます。アルミニウムやナトリウムなどの一部の金属は、商業的に実用的な還元剤がないため、代わりに電気分解を使用して抽出されます。^{[ 76 ] [ 77 ]}

硫化物鉱石は直接金属に還元されるのではなく、空気中で焙焼されて酸化物に変換される。

金属の需要は、インフラ、建設、製造、消費財での使用を考えると、経済成長と密接に関連しています。20世紀には、社会で使用される金属の種類が急速に増加しました。今日では、中国やインドなどの主要国の発展と技術の進歩により、需要はますます高まっています。その結果、採掘活動が拡大し、世界の金属ストックの大部分が、未使用の埋蔵量として地下に埋まっているのではなく、地上で使用されています。銅の使用ストックはその一例です。1932年から1999年の間に、米国で使用されている銅は、1人当たり73gから238gに増加しました。^{[ 78 ]}

金属は本来リサイクル可能なので、原理的には何度も繰り返し使用でき、こうした環境への悪影響を最小限に抑え、エネルギーを節約できます。例えば、ボーキサイト鉱石からアルミニウムを作るのに必要なエネルギーの95%は、リサイクル材料を使用することで節約できます。^{[ 79 ]}

世界的に見ると、金属のリサイクル率は一般的に低い。2010年、国連環境計画が主催する国際資源パネルは、社会に存在する金属ストック^{[ 80 ]}とそのリサイクル率に関する報告書を発表した^{[ 78 ]} 。報告書の著者らは、社会に存在する金属ストックは地上の巨大な鉱山として機能し得ると指摘した。彼らは、携帯電話、ハイブリッド車のバッテリーパック、燃料電池などの用途で使用される一部の希少金属のリサイクル率が非常に低いため、将来的に使用済み製品のリサイクル率を劇的に引き上げなければ、これらの重要な金属は現代技術で使用できなくなると警告した。

自然界に存在する銅は、その独特な外観、重さ、展延性から、最初に発見された金属である可能性がある。金、銀、鉄（隕鉄として）、鉛も同様に先史時代に発見された。銅と亜鉛の合金である真鍮は、これらの金属の鉱石を同時に精錬することによって作られ、この時代に起源を持つ（ただし、純粋な亜鉛は13世紀まで分離されなかった）。固体金属の展延性により、金属製の装飾品、道具、武器を作る最初の試みが行われた。ニッケルを含む隕鉄は時折発見され、合金鋼が普及する1880年代まで製造された工業用鋼よりも優れている点もあった。^{[ 81 ]}

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  天然銅
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  金の結晶
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  結晶銀
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  隕鉄のかけら
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  酸化鉛の塊と 1cm³^の立方体
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  真鍮製の分銅（35g）

青銅（銅とヒ素または錫の合金）の発見により、人々は以前よりも硬くて耐久性のある金属製品を作ることができるようになりました。青銅製の道具、武器、鎧、装飾タイルなどの建築材料は、石や銅（「銅器時代」）の先駆物よりも硬くて耐久性がありました。当初、青銅は銅とヒ素（ヒ素青銅）から作られ、銅とヒ素の鉱石が自然または人工的に混合されて精錬されました。^{[ 82 ]}これまでに知られている最古の遺物は、紀元前5千年紀のイラン高原から出土しています。 ^{[ 83 ]}錫が使用されるようになったのは後のことで、紀元前3千年紀後半には青銅の主要な非銅成分となりました。^{[ 84 ]}純粋な錫自体は、紀元前1800年に中国と日本の金属加工職人によって初めて分離されました。

水銀は紀元前2000年以前から古代中国人やインド人に知られており、紀元前1500年頃のエジプトの墓からも発見されている。

鉄と炭素の合金である鋼鉄の最も古い生産例は、アナトリアの遺跡（カマン・カレホユク）から発掘された鉄器の破片に見られ、紀元前1800年頃のもので、約4000年前のものである。^{[ 85 ] [ 86 ]}

紀元前500年頃から、スペインのトレドの剣職人たちは、鉄鉱石（と炭素）にタングステンとマンガンを含むウォルフラマイトと呼ばれる鉱物を加えることで、初期の合金鋼を作っていた。こうして作られたトレド鋼は、ポエニ戦争でハンニバルが使用したことでローマの注目を集めた。それはすぐにローマ軍団の武器の基礎となり、そのような剣は「既存のどの剣よりも組成が強く、折れないため、ローマ兵に心理的な優位性を与えた」^{[ 87 ]。}

コロンブス以前のアメリカ大陸では、銅と金の合金であるトゥンバガで作られた品々が、西暦300年から500年の間にパナマとコスタリカで生産され始めた。小さな金属彫刻は一般的で、トゥンバガ（および金）で作られた多種多様な装飾品は、高位の人々の装身具としてよく用いられた。

ほぼ同時期に、エクアドルの先住民は、少量のパラジウム、ロジウム、イリジウムを含む天然の白金合金と金を組み合わせて、白金合金のミニチュアや仮面を製作していた。金属加工職人は、金が溶けるまで金と白金合金の粒を加熱した。冷却後、できた塊をハンマーで叩いて再加熱を繰り返し、均質になるまで続けた。均質化とは、すべての金属を溶かすことに相当した（当時の技術では、関係する白金族金属の融点に達することは不可能だった）。^{[ 88 ] [ n7 ]}

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  固化した溶融スズの液滴
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  ペトリ皿に注がれる水銀
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  銀と金の天然合金であるエレクトラムは、しばしば硬貨の製造に用いられた。図にはギリシャ神話のアポロン神が描かれ、裏面にはデルフィの三脚台（紀元前310年～305年頃）が描かれている。
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  錫（スズ85～99%と（通常は）銅の合金）で作られた皿。錫は近東の青銅器時代の初期頃に初めて使用された。
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  金と銅の合金であるトゥンバガで作られた胸当て（装飾的な胸当て）

古代ギリシャ

紀元前340年頃、古代ギリシャの哲学者アリストテレスは、著書『気象学』第3巻で、地球内部に存在する物質を金属と鉱物に分類した。後者のカテゴリーには、鶏冠石、黄土、赤土、硫黄、辰砂などの様々な鉱物や、彼が「溶かすことのできない石」と呼んだその他の物質が含まれていた。^{[ 89 ]}

アラビアや中世の錬金術師たちは、すべての金属や物質は、すべての金属の父であり可燃性を持つ硫黄の原理と、すべての金属の母であり流動性、融解性、揮発性を持つ水銀の原理^{[ n 8 ]}から構成されていると信じていた。これらの原理は、ほとんどの実験室で見られる一般的な物質である硫黄や水銀とは必ずしも同じではなかった。この理論は、すべての金属は、熱、消化、時間、不純物の除去といった適切な組み合わせによって、地中深くで金になる運命にあるという信念を強化した。そして、これらのすべては錬金術の知識と方法によって開発され、促進される可能性があると考えられていた^{[ n 9 ] 。}

ヒ素、亜鉛、アンチモン、ビスマスが知られるようになったが、これらは当初、展性がないことから半金属またはバスタードメタルと呼ばれていた。アルベルトゥス・マグヌスは、1250年に三硫化ヒ素と石鹸を一緒に加熱することで、化合物からヒ素を初めて単離したと考えられている。不純物を含むと脆い金属亜鉛は、西暦1300年までにインドで単離された。アンチモンを単離する手順の最初の記述は、1540年のヴァンノッチョ・ビリングッチョの著書『 De la pirotechnia 』にある。ビスマスは、アグリコラが『De Natura Fossilium』（1546年頃）で記述した。ビスマスは、初期の頃は錫や鉛に似ていたため、これらの元素と混同されていた。

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  変色を防ぐため容器に密封されたヒ素
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  亜鉛の破片と 1cm³^の立方体
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  アンチモンは、その輝かしい光沢を放ち、
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  結晶状のビスマス、非常に薄い酸化層、および1cm³ の^ビスマス立方体

鉱業と冶金の技術に関する最初の体系的な文献は、ヴァンノッチョ・ビリングッチョによる『De la Pirotechnia』（1540年）であり、金属の検査、溶融、加工について扱っている。

16年後の1556年、ゲオルギウス・アグリコラは『デ・レ・メタリカ』を出版した。これは鉱業、冶金、および関連する技術と科学の職業に関する記述であり、16世紀を通しての化学産業に関する広範な論文である。

彼は著書『化石の自然について』（1546年）の中で、ある金属について次のような記述を残している。

金属は鉱物の一種であり、本来は液体か、あるいはやや硬い状態にある。後者は火の熱によって溶けるが、冷えて熱を失うと再び硬くなり、元の形に戻る。この点で、火で溶ける石とは異なる。石は硬さを取り戻すものの、元の形や性質を失ってしまうからである。

伝統的に、金属には金、銀、銅、鉄、錫、鉛の6種類があるとされています。しかし実際には他にも金属があり、水銀も金属ですが、錬金術師たちはこの点について私たちと意見を異にしています。また、ビスマスも金属です。古代ギリシャの著述家たちはビスマスを知らなかったようで、アンモニオスは、私たちには知られていない金属、動物、植物が数多く存在すると正しく述べています。錫をるつぼで精錬して精製したアンチモンは、著述家たちが鉛に与えるのと同様に、正真正銘の金属とみなされる権利があります。精錬時に一定量のアンチモンを錫に加えると、書籍を印刷する際に使用する活字を作るための合金が作られます。

それぞれの金属は、混合された金属から分離されても、その固有の形態を保ちます。したがって、エレクトラムもスズ（錫のことではありません）も、それ自体は真の金属ではなく、2種類の金属の合金です。エレクトラムは金と銀の合金であり、スズは鉛と銀の合金です。しかし、エレクトラムから銀を取り除くと、残るのは金であってエレクトラムではありません。スズから銀を取り除くと、残るのは鉛であってスズではありません。

しかし、真鍮が天然金属として産出されるかどうかは、確かなことは何も言えません。私たちが知っているのは、鉱物カラミンの色で着色された銅からなる人工真鍮だけです。とはいえ、もし真鍮が掘り出されたとしたら、それは正真正銘の金属でしょう。黒銅と白銅は、赤銅とは異なるようです。

したがって、金属は、私が述べたように本質的に固体であるか、あるいは水銀のような特殊な場合のように流体であるかのどちらかである。

しかし、単純な種類についてはこれくらいにしておこう。^{[ 91 ]}

金と銀に次ぐ3番目の貴金属であるプラチナは、1736年から1744年の間に、スペインの天文学者アントニオ・デ・ウジョアと彼の同僚である数学者ホルヘ・フアン・イ・サンタシリアによってエクアドルで発見された。ウジョアは1748年に、この金属に関する科学的な記述を初めて著した人物である。

1789年、ドイツの化学者マルティン・ハインリヒ・クラプロートは、ウランの酸化物を単離し、それを金属ウランそのものだと考えました。クラプロートはその後、ウランの発見者として認められるようになりました。ウラン金属の最初のサンプルを調製したのは、フランスの化学者ウジェーヌ＝メルキオール・ペリゴが1841年になってからのことです。そして1896年、アンリ・ベクレルがウランを用いて放射能を発見しました。

1790年代、ジョセフ・プリーストリーとオランダの化学者マルティヌス・ファン・マルムは、金属表面がアルコールの脱水素反応に及ぼす影響を観察した。この発見は、その後1831年に白金触媒を用いた硫酸の工業規模での合成へとつながった。

1803年、スウェーデンのバストネスでイェンス・ヤコブ・ベルセリウスとヴィルヘルム・ヒジンガーによって、またドイツでマルティン・ハインリヒ・クラプロートによってそれぞれ独立に、セリウムがランタノイド金属として最初に発見されました。ランタノイド金属は、1960年代にそれらをより効率的に分離する方法が開発されるまで、珍しい元素と見なされていました。その後、携帯電話、磁石、レーザー、照明、電池、触媒コンバーターなど、現代技術を支える様々な用途に利用されるようになりました。

この時期に発見され、精製された他の金属には、コバルト、ニッケル、マンガン、モリブデン、タングステン、クロム、そして白金族金属の一部であるパラジウム、オスミウム、イリジウム、ロジウムなどがある。

1809年以前に発見されたすべての元素金属は比較的高い密度を持ち、その重さが識別基準とみなされていた。1809年以降、ナトリウム、カリウム、ストロンチウムなどの軽金属が単離された。これらの軽金属の低い密度は、金属の性質に関する従来の常識に疑問を投げかけた。しかし、化学的には金属と同様の挙動を示し、その後、金属として認識されるようになった。

アルミニウムは1824年に発見されましたが、工業的な大規模生産方法が開発されたのは1886年になってからのことでした。1890年代から20世紀初頭にかけて、アルミニウムの価格は下落し、宝飾品、日用品、眼鏡フレーム、光学機器、食器、箔などに広く使われるようになりました。アルミニウムは他の金属と硬くて軽い合金を形成できる性質を持っていたため、当時多くの用途がありました。第一次世界大戦中、主要国政府は軽量で丈夫な航空機の機体を作るために大量のアルミニウムを要求しました。

純度99.9%の金属チタンは1910年に初めて製造されましたが、実験室以外で使用されたのは1932年になってからです。1950年代から1960年代にかけて、ソビエト連邦は冷戦に関連した計画の一環として、軍事および潜水艦用途におけるチタンの使用を先駆的に行いました。1950年代初頭から、チタンは軍用航空、特に高性能ジェット機で使用されるようになり、F-100スーパーセイバーやロッキードA-12、SR-71などの航空機がその例です。

金属スカンジウムは1937年に初めて生産された。純度99%のスカンジウム金属が初めて1ポンド生産されたのは1960年のことである。アルミニウム・スカンジウム合金の生産は、米国特許取得後の1971年に始まった。アルミニウム・スカンジウム合金はソ連でも開発された。

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  ナトリウムの塊
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  パラフィンオイルに浸されたカリウム真珠。最大の真珠の大きさは0.5cmです 。
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  ストロンチウム結晶
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  アルミニウムの塊、2.6 グラム、1 x 2 cm
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  チタン結晶の棒
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  スカンジウム（1cm³の 立方体^を含む）

製鉄の近代は、1855年にヘンリー・ベッセマーが銑鉄を原料とするベッセマー法を導入したことから始まった。ベッセマー法は鋼を大量かつ安価に生産することを可能にし、その結果、かつて錬鉄が使われていたほとんどの用途に軟鋼が使われるようになった。ギルクリスト・トーマス法（または基本ベッセマー法）は、転炉の内壁に塩基性材料を塗布してリンを除去することでベッセマー法を改良したものである。

鋼鉄は高い引張強度と低コストのため、建築物、インフラ、工具、船舶、自動車、機械、家電製品、武器などに使用される主要な構成要素となった。

1872年、イギリス人のクラークとウッズは、今日ではステンレス鋼とみなされる合金の特許を取得した。鉄クロム合金の耐食性は、1821年にフランスの冶金学者ピエール・ベルティエによって既に認識されていた。彼は、これらの合金が一部の酸による腐食に耐性があることに注目し、刃物への使用を提案した。19世紀の冶金学者は、現代のステンレス鋼のほとんどに見られるような低炭素・高クロムの組み合わせを作り出すことができず、また、彼らが作ることができた高クロム合金は脆すぎて実用的ではなかった。イギリス、ドイツ、アメリカでステンレス鋼合金の工業化が実現したのは、1912年になってからのことだった。

1900年までに、最も重い安定金属である鉛（原子番号82）よりも原子番号が小さい金属が3つ残っていた。それは元素71、72、75である。

1906年、フォン・ウェルスバッハは、従来のイッテルビウムに新たな元素（71番）が含まれていることを証明し、それをカシオペヤウムと名付けた。ウルバンも同時期にこれを証明したが、彼の試料は非常に不純物が多く、新元素は微量しか含まれていなかった。にもかかわらず、彼が選んだルテチウムという名称が採用された。

1908年、小川はトリアナイト中に元素75を発見したが、75ではなく元素43として割り当て、ニッポニウムと命名した。1925年、ウォルター・ノダック、イダ・エヴァ・タッケ、オットー・ベルクは、ガドリナイトから分離したことを発表し、現在の名称であるレニウムを与えた。

ジョルジュ・ウルバンは希土類残渣から元素72を発見したと主張したが、ウラジーミル・ヴェルナツキーは独立してオルサイトから発見した。第一次世界大戦のため、どちらの主張も確認されず、その後も確認できなかった。彼らが報告した化学組成は、現在ハフニウムについて知られている組成と一致しないためである。戦後、1922年にコスターとヘヴェシーは、ノルウェー産ジルコン中のX線分光分析によってハフニウムを発見した。こうしてハフニウムは最後に発見された安定元素となったが、レニウムは最後に正しく認識された元素となった。

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  ルテチウム（1  cm ³立方体を含む）
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  レニウム、 1cm³^の立方体を含む
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   ハフニウム、 1.7kgの棒状

第二次世界大戦終結までに、科学者たちはウラン以降に合成された4つの元素、すなわちネプツニウム（1940年）、プルトニウム（1940～41年）、キュリウムとアメリシウム（1944年）を合成した。これらはいずれも放射性（不安定）金属であり、元素番号93～96に相当する。これらのうち最初の2つは、後に自然界でも発見された。キュリウムとアメリシウムは、1945年に世界初の原子爆弾を製造したマンハッタン計画の副産物であった。この爆弾は、約150年前に発見されたと考えられている金属、ウランの核分裂反応に基づいていた。