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周期表において、非金属とは、ほとんどが金属としての特徴を欠く化学元素のことです。水素のような無色の気体から、ヨウ素のような光沢のある結晶まであります。物理的には、非金属は通常、金属を形成する元素よりも軽く（密度が低く）、熱や電気の伝導性が低いことがよくあります。化学的には、非金属は比較的高い電気陰性度を持ち、通常は別の元素との化学結合で電子を引き付け、その酸化物は酸性になる傾向があります。
17 個の元素は非金属として広く認識されています。さらに、6 個の境界元素 (半金属) の一部またはすべてが非金属としてカウントされることもあります。
最も軽い2つの非金属、水素とヘリウムは、観測可能な宇宙の質量の約98％を占めています。5つの非金属元素、水素、炭素、窒素、酸素、ケイ素は、地球の大気、生物圏、地殻、海洋の大部分を構成しています。
非金属の工業用途には、電子機器、エネルギー貯蔵、農業、化学製品生産などが含まれます。
非金属元素のほとんどは 18 世紀と 19 世紀に特定されました。金属と他の鉱物の区別は古代から存在していましたが、化学元素を金属または非金属として分類する基本的な分類法が確立したのは 18 世紀後半になってからでした。それ以来、非金属と金属を区別する基準として約 20 の特性が提案されてきました。
定義と適用可能な要素
- 特に記載のない限り、この記事では標準温度および圧力(STP)における元素の安定した形態について説明します。[b]
非金属化学元素は、金属に共通する特性、すなわち光沢、柔軟性、良好な熱伝導性と電気伝導性、および塩基性酸化物を形成する一般的な能力を欠いていると説明されることが多い。[8] [9]広く受け入れられている正確な定義はなく、[10]非金属のリストは議論と改訂の余地がある。[1]含まれる元素は、非金属または金属の特性を最もよく表すと見なされる特性によって決まる。
14種類の元素はほとんどの場合非金属として認識されています: [1] [2]
さらに3つは一般的に非金属として分類されますが、いくつかの情報源では「半金属」としてリストされています。[3]これは金属と非金属の中間に位置する元素を指す用語です。[11]
最も一般的に半金属として認識されている 6 つの元素のうち 1 つ以上が、非金属としてカウントされることがあります。
118の既知の元素[12]のうち約15～20％が非金属に分類されます。[c]
一般的なプロパティ
物理的な
いくつかの非金属元素の色と形の多様性
非金属は、無色、有色、光沢があり、外観が大きく異なります。無色の非金属（水素、窒素、酸素、希ガス）は、スペクトルの可視部分で光の吸収がなく、すべての可視光が透過します。[15] 有色の非金属（硫黄、フッ素、塩素、臭素）は、いくつかの色（波長）を吸収し、補色または反対色を透過します。たとえば、塩素の「よく知られている黄緑色は、スペクトルの紫と青の領域に広い吸収領域があるためです」。[16] [d]ホウ素、グラファイト（炭素）、シリコン、黒リン、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、アンチモン、テルル、ヨウ素[e]の光沢は、電子が入射する可視光を反射できる金属伝導の程度が異なる結果です。[19]
非金属元素の約半分は標準温度および圧力下で気体であり、残りの大部分は固体である。唯一の液体である臭素は、通常、赤褐色の煙の層で覆われている。気体および液体の非金属は密度、融点、沸点が非常に低く、熱および電気の伝導性が低い。[20]固体の非金属は密度が低く、機械的強度が低い（硬くて脆いか、柔らかく崩れやすい）[21]ため、電気伝導性の範囲が広い。[f]
この形の多様性は、内部構造と結合配置の多様性に起因しています。キセノンのような個別の原子として、または酸素、硫黄、臭素などの小分子として存在する共有結合性非金属は、融点と沸点が低く、分子自体は強い共有結合をしているものの、原子または分子間に働く弱いロンドン分散力によって結合しているため、多くは室温で気体です。 [25]対照的に、セレン原子の長い鎖、[26] 、グラファイト内の炭素原子のシート、[27]、またはシリコン原子の3次元格子[28]などの拡張構造を形成する非金属は、融点と沸点が高く、より強い結合を克服するためにより多くのエネルギーが必要になるため、すべて固体です。[29] [疑わしい–議論]周期表の左側または下側に近い非金属（したがって金属に近い）は、分子、鎖、または層の間で金属的な相互作用をすることがよくあります。これはホウ素[30]、炭素[31]、リン[32]、ヒ素[33]、セレン[34] 、アンチモン[35]、テルル[36]、ヨウ素[37]に存在します。
共有結合した非金属は、希ガスの電子配置を達成するために必要な電子のみを共有することが多い。[43]例えば、窒素は各原子間に三重結合を持つ二原子分子を形成し、それによって両方の原子が希ガスネオンの配置を達成する。アンチモンは原子サイズが大きいため三重結合が妨げられ、その結果、各アンチモン原子が他の3つの近くの原子と単結合した座屈層が形成される。[44]
金属結合がある場合、良好な電気伝導性が得られますが、[45]非金属の電子は金属的ではないことがよくあります。[45]金属電子に関連する良好な電気伝導性と熱伝導性は、炭素（グラファイトとして、その平面に沿って）、ヒ素、アンチモンに見られます。[g]良好な熱伝導性は、ホウ素、シリコン、リン、ゲルマニウムに見られます。[22]このような伝導性は、これらの元素の結晶格子の振動を通じて伝達されます。[46]中程度の電気伝導性は、半導体[47]ホウ素、シリコン、リン、ゲルマニウム、セレン、テルル、ヨウ素で観察されます。
非金属元素の多くは硬くて脆く、[21]転位が容易に動かないため、変形するよりも脆性破壊を起こす傾向があります。 [48]白リン（ワックスのように柔らかく、曲げやすく、室温でナイフで切ることができる）[49]可塑性硫黄[50]や、溶融状態からワイヤーに引き伸ばすことができるセレンなど、変形するものもあります。[51]グラファイトは、転位が基底面で非常に簡単に移動する標準的な固体潤滑剤です。 [52]
同素体
炭素の3つの同素体
非金属元素の半分以上は、それぞれ異なる物理的性質を持つ、安定性の低い同素体形態の範囲を示します。[53]たとえば、最も安定した形態であるグラファイトである炭素は、ダイヤモンド、バックミンスターフラーレン、[54] 非晶質[55]および準結晶[56]のバリエーションとして現れます。同素体は、窒素、酸素、リン、硫黄、セレン、ヨウ素にも存在します。[57]
化学薬品
非金属は比較的高い電気陰性度を持ち、その酸化物は通常酸性です。非金属の電気陰性度がそれほど高くない場合や、酸化状態が低い場合、またはその両方の場合には例外が発生することがあります。これらの非金属の非酸性酸化物は両性（水、H 2 O [63]など）または中性（亜酸化窒素、N 2 O [64] [h]など）の場合がありますが、決して塩基性ではありません。
非金属は化学反応中に電子を受け取る傾向があり、金属は電子を供与する傾向がある。この挙動は、完全な外殻を持つ希ガスの電子配置の安定性と関係があり、これはデュエット則とオクテット則によって要約され、より正確には原子価結合理論の観点から説明される。[67]
これらは通常、金属よりも高いイオン化エネルギー、電子親和力、標準電極電位を示します。一般的に、これらの値（電気陰性度を含む）が高いほど、元素は非金属的になる傾向があります。[68]たとえば、化学的に非常に活性な非金属であるフッ素、塩素、臭素、ヨウ素の平均電気陰性度は3.19で、どの金属元素よりも高い 数値です[i] 。
金属と非金属の化学的な違いは、個々の原子の正の核電荷と負に帯電した外殻電子の間の引力と関係している。周期表の各周期にわたって左から右に向かって、核電荷（原子核内の陽子の数）は増加する。 [ 69 ]増加する核電荷が外殻電子を核核に引き寄せるため、原子半径はそれに応じて減少する。[70] [71]化学結合では、非金属は核電荷が高いため電子を獲得する傾向があり、その結果、負に帯電したイオンとなる。[72]
非金属によって形成される化合物の数は膨大である。[73] 2021年11月2日のChemical Abstracts Service登録簿に記載されている895,501,834の化合物で最も頻繁に見られる元素の「トップ20」表の最初の10位は非金属で占められていた。水素、炭素、酸素、窒素は、ほとんどの化合物（80％）にまとめて現れた。半金属であるシリコンは11位にランクされた。出現頻度が最も高い金属は、0.14％で12位の鉄であった。[74]非金属化合物の例をいくつか挙げると、ホウ酸（H
3ボ
3）、陶磁器の釉薬に使用される。[75] セレノシステイン（C
3H
7いいえ
2Se）、生命の21番目のアミノ酸、[76] どこでも打てるマッチに含まれるセスキ硫化リン（P 4 S 3）、[ 77]テフロン（（C
2ふ
4）n）、フライパンやその他の調理器具のノンスティックコーティングを作成するために使用されます。[78]
合併症
非金属の化学に複雑さを加えているのは、各周期表ブロックの最初の行に発生する異常、不均一な周期的傾向、より高い酸化状態、多重結合の形成、および金属との特性の重複です。
1行目の異常
水素から始めると、第一列の異常は主に関係する元素の電子配置から生じる。水素は多様な結合挙動で注目に値する。最も一般的には共有結合を形成するが、水溶液中では単一の電子を失い、非常に大きな分極力を持つむき出しの陽子を残すこともできる。[80]その結果、この陽子は水分子中の酸素原子の孤立電子対に付着することができ、酸塩基化学の基礎を築く。[81]さらに、分子中の水素原子は、別の分子中の原子または原子群と、弱いとはいえ2番目の結合を形成することができる。このような結合は、「雪片に六角形の対称性を与え、 DNAを二重らせんに結合し、タンパク質の3次元形状を形成し、さらに水の沸点を上げておいしいお茶を淹れるのに十分な高さにまで高める」。[82]
水素とヘリウム、そしてホウ素からネオンまで、原子半径は異常に小さい。この現象は、1sと2pサブシェルに内部類似体がないため（つまり、ゼロシェルと1pサブシェルがない）、より重い元素の3p、4p、5pサブシェルとは異なり、電子間交換相互作用が少ないために発生します。 [83] [疑わしい-議論]結果として、これらの元素間のイオン化エネルギーと電気陰性度は、周期的な傾向が示唆するよりも高くなります。炭素、窒素、酸素のコンパクトな原子半径は、二重結合または三重結合の形成を促進します。[84]
電子配置の一貫性の観点から、通常は水素とヘリウムがsブロック元素の上に位置すると予想されるが、これら2つの元素が示す重要な第一列異常は、別の配置を正当化する。水素は、第1族のリチウムの上ではなく、第17族のフッ素の上に位置することがある。ヘリウムは、第2族のベリリウムの上ではなく、ほぼ常に第18族のネオンの上に配置される。[85]
二次周期性
特定の周期的傾向の交代（二次周期性と呼ばれることもある）は、13族から15族、そして程度は低いが16族と17族へと下っていくと明らかになる。[86] [k]スカンジウムから亜鉛までのdブロック金属の最初の列の直後、pブロック元素、具体的にはガリウム（金属）、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、臭素の3d電子は、増加する正の核電荷を遮蔽するのにそれほど効果的ではないことが証明されている。
ソ連の化学者シュカレフは、さらに2つの具体的な例を挙げている: [88]
- 「一部のヒ素化合物の毒性、およびリン [P] とアンチモン [Sb] の類似化合物にはこの性質がないこと、セレン酸[ H 2 SeO 4 ] には金属金 [Au] を溶解させる能力があり、硫酸[ H 2 SO 4 ]と[ H 2 TeO 4 ]にはこの性質がないこと。」
より高い酸化状態
- III、V、VIIIなどのローマ数字は酸化状態を表す
非金属元素の中には、オクテット則で予測される酸化状態から外れた酸化状態を示すものがあり、通常、第 15 族では酸化状態が –3、第 16 族では –2、第 17 族では –1、第 18 族では 0 となります。例としては、アンモニアNH 3、硫化水素H 2 S、フッ化水素HF、キセノン元素 Xe などがあります。一方、最大酸化状態は、第 15 族の +5 から第 18 族の +8 に増加します。+5 の酸化状態は、第 2 周期以降、硝酸HN(V)O 3や五フッ化リンPCl 5などの化合物で観測されています。[l]後のグループの より高い酸化状態は、第 3 周期以降に出現し、六フッ化硫黄SF 6、七フッ化ヨウ素IF 7、四酸化キセノン(VIII) XeO 4に見られます。より重い非金属の場合、原子半径が大きく、電気陰性度が低いため、より高い酸化数を持つ化合物の形成が可能になり、バルク配位数も高くなります。[89]
多重結合形成
第2周期の非金属、特に炭素、窒素、酸素は多重結合を形成する傾向があります。これらの元素によって形成される化合物は、さまざまな窒素酸化物に見られるように、独特の化学量論と構造を示すことが多く、[89]後の周期の元素では一般的に見られません。
プロパティの重複
伝統的に、ある元素は非金属として分類され、他の元素は金属として分類されてきたが、性質が重複する部分もある。20世紀初頭、近代化学の時代が確立していた頃に執筆した論文[91]で、ハンフリー[92]は次のように述べている。
- ...しかし、これら 2 つのグループは完全に明確に区別されているわけではなく、非金属の中には特定の特性において金属に似ているものもあれば、非金属に何らかの点で近い特性を持つ金属もあります。
非金属元素に現れる金属のような特性の例には以下のものがあります。
- シリコンの電気陰性度（1.9）はコバルト（1.88）、銅（1.9）、ニッケル（1.91）、銀（1.93）などの金属と同等である。[62]
- グラファイトの電気伝導率はいくつかの金属のそれを上回る。[n]
- セレンはワイヤー状に引き伸ばすことができる。[51]
- ラドンは希ガスの中で最も金属性が高く、非金属としては珍しい陽イオン挙動を示し始める。 [96 ]
- 極端な条件下では、非金属元素の半分以上がホモ多原子陽イオンを形成することができる。[o]
金属に現れる非金属のような特性の例は次のとおりです。
- タングステンは非金属的な性質を示し、脆い場合があり、電気陰性度が高く、水溶液中では陰イオンのみを形成し、[98]主に酸性酸化物を形成します。[9] [99]
- 「金属の王様」金は、金属の中で最も高い電極電位を持ち、電子を失うよりも得ることを好む傾向があることを示唆している。金のイオン化エネルギーは金属の中で最も高いものの 1 つであり、電子親和力と電気陰性度は高く、後者は一部の非金属を上回っている。金は Au –金化物アニオンを形成し、金属としては予想外の挙動を示す。金化物 (MAu、M = Li–Cs) では、金の挙動はハロゲンの挙動に似ている。[100]金は核電位が十分に大きいため、電子は相対論的効果を考慮して考慮する必要があり、これによりいくつかの特性が変化する。[101]
比較的最近の開発では、シリコン、リン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンなどのより重いpブロック元素の特定の化合物が、遷移金属錯体に典型的に関連する挙動を示す。これは、分子内の電子が存在し、化学反応に利用できる領域である、満たされた分子軌道と空の分子軌道の間の小さなエネルギーギャップに関連している。このような化合物では、これにより、水素（H 2）、アンモニア（NH 3）、エチレン（C 2 H 4 ）などの小分子との異常な反応が可能になり、これは以前は主に遷移金属化合物で観察された特性である。これらの反応は、触媒用途に新しい道を開く可能性がある。[102]
種類
非金属の分類体系は多岐にわたり、2つのサブタイプのみを分類するものもあれば、7つまで分類するものもある。例えば、ブリタニカ百科事典の周期表では、希ガス、ハロゲン、その他の非金属が認識されており、一般に半金属として認識されている元素は「その他の金属」と「その他の非金属」に分けられている。[103]一方、王立化学協会の周期表では、12のカラーカテゴリのうち7つに非金属が含まれている。[104] [p]
周期表の右側から順に、3 種類の非金属が認識されます。
比較的不活性な希ガス—ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン[105]
特に反応性の高いハロゲン非金属（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）[106]および
混合反応性「分類されていない非金属」、広く使われている総称のない集合体—水素、炭素、窒素、酸素、リン、硫黄、セレン。[r]ここでは便宜上、「分類されていない非金属」という説明語句が使用されています。
4 番目のセットの元素は非金属として認識されることがあります。
一般的に反応性のない[t] 半金属[124]は、金属や非金属とは異なる第3のカテゴリーと考えられることもあります—ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル。
初期の研究者の多くは元素を分類しようとしたが、その分類はどれも満足のいくものではなかった。元素は金属と非金属に分けられたが、すぐに両方の性質を持つものがいくつか見つかった。これらは半金属と呼ばれた。これは、以前は1つしかなかった区分を2つに分けるという、混乱を招いただけだった。[125]
ホワイトフォード＆コフィン 1939年、大学化学の要点
これらの種類の境界は明確ではありません。[u]炭素、リン、セレン、ヨウ素は半金属の境界にあり、水素と同様に金属的な性質を示します。
著者間の最も大きな相違は、半金属の「境界領域」で生じます。[127]半金属を金属と非金属の両方とは別物と考える人もいますが、非金属として分類する人もいます。[4]特定の半金属を金属として分類する人もいます（例えば、ヒ素とアンチモンは重金属との類似性のため）。[128] [v]半金属は、比較的低い密度、高い電気陰性度、および同様の化学的挙動を持つ点で、一般的に「非金属」と見なされる元素に似ています。[124] [w]
希ガス
6つの非金属は希ガスに分類されます：ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、放射性ラドン。従来の周期表では、これらは右端の列を占めています。これらは化学反応性が非常に低いため、希ガスと呼ばれています。[105]
これらの元素は、無色、無臭、不燃性という類似した特性を示す。希ガスは外側の電子殻が閉じているため、原子間の引力が弱く、融点と沸点が非常に低い。[129]その結果、標準条件下では、多くの典型的な固体元素を超える原子質量を持つものであっても、すべて気体として存在する。[130]
化学的には、希ガスは比較的高いイオン化エネルギー、無視できるほど小さいか負の電子親和力、そして高いから非常に高い電気陰性度を示す。希ガスによって形成される化合物の数は数百に上り、増え続けている。[131]これらの化合物のほとんどは、酸素またはフッ素とクリプトン、キセノン、またはラドンの組み合わせである。[132]
ハロゲン非金属
ハロゲン非金属は反応性が高く腐食性の高い元素ですが、歯磨き粉（NaF）、一般的な食卓塩（NaCl）、プールの消毒剤（NaBr）、栄養補助食品（KI）などの日常的な化合物にも含まれています。「ハロゲン」という用語自体は「塩形成剤」を意味します。[133]
化学的には、ハロゲン非金属は高いイオン化エネルギー、電子親和力、電気陰性度を示し、比較的強い酸化剤であることがほとんどです。[134]これらの特性は腐食性に寄与しています。[135] 4つの元素はすべて、主に金属とイオン化合物を形成する傾向がありますが、 [136]残りの非金属（酸素を除く）は主に金属と共有結合化合物を形成する傾向があります。[x]ハロゲン非金属の非常に反応性が高く、電気陰性度が強い性質は、非金属特性の典型です。[140]
分類されていない非金属
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水素は、ある点では金属元素のように、また他の点では非金属のように振舞う。[142]金属元素のように、例えば水溶液中で溶媒和陽イオンを形成することができる。[143]塩化物（NaCl cf. HCl）や硝酸塩（KNO 3 cf. HNO 3 ）などの化合物中でアルカリ金属を置換することができる。また、特定のアルカリ金属錯体中では非金属として[144] [145]置換することができる。 [146]水素は、共有結合またはイオン結合を形成することによって[147]、または、最初に電子を手放している場合は、孤立電子対に結合することによってこの配置を達成する。[148]
これらの非金属の一部またはすべては、いくつかの特性を共有しています。一般にハロゲンよりも反応性が低いため、[149]そのほとんどは環境中に自然に存在します。[150]これらは生物学[151]や地球化学において重要な役割を果たしています。[152]全体として、それらの物理的および化学的特性は「中程度の非金属性」と表現できます。[152]腐食性の側面を持つ場合もあります。燃料電池では炭素腐食が発生する可能性があります。[153]土壌中の未処理のセレンは、腐食性のセレン化水素ガスの形成につながる可能性があります。[154]非常に異なるのは、金属と結合すると、分類されていない非金属は、比較的小さな原子半径と十分に低いイオン化エネルギーのために、格子間化合物または難溶性化合物を形成する可能性があることです。 [155]また、特に固体化合物では、それらは自分自身に結合する傾向も示します。 [152]さらに、これらの非金属間の対角周期表の関係は、半金属間の同様の関係を反映しています。[157]
豊富さ、抽出、そして用途
豊富
宇宙における元素の豊富さは、元素合成や放射性崩壊などの原子物理学のプロセスの結果です。
揮発性希ガスの非金属元素は、宇宙の元素合成により、その全体的な存在量に基づいて予想されるよりも大気中に豊富ではありません。この違いを説明するメカニズムは、惑星科学の重要な側面です。[162]その課題の中でも、非金属元素Xeは予想外に枯渇しています。考えられる説明は、地球の核の高圧の理論モデルから、安定したXeFe 3およびXeNi 3金属間化合物の形で約10 13トンのキセノンが存在する可能性があることを示唆しています。[163]
地球の直接観測可能な構造の大部分は、水素、炭素、窒素、酸素、ケイ素の 5 つの非金属で構成されている。添付の表に示すように、地殻の約 73%、バイオマスの 93% 、水圏の 96% 、大気圏の 99% 以上を占めている。ケイ素と酸素は、ケイ酸塩として知られる非常に安定した四面体構造を形成する。ここで、「酸素イオンとケイ素イオンを結合する強力な結合は、地球の地殻をつなぎとめるセメントである」[164]
バイオマスにおいて、最初の4つの非金属（およびリン、硫黄、セレン）が比較的豊富である理由は、比較的小さな原子サイズと十分な余剰電子の組み合わせによるものである。この2つの特性により、それらは互いに結合し、「他のいくつかの元素と結合して、自己複製システムを構築するのに十分な分子スープを生成」することができる。[165]
抽出
23 の非金属元素のうち 9 つは気体、または気体化合物を形成し、天然ガスまたは液体空気から抽出されます。これらの元素には、水素、ヘリウム、窒素、酸素、ネオン、硫黄、アルゴン、クリプトン、キセノンが含まれます。たとえば、窒素と酸素は、液体空気の分留によって空気から抽出されます。この方法は、それらの異なる沸点を利用して効率的に分離します。[166]硫黄はフラッシュ法を使用して抽出されました。これは、地下の鉱床に過熱水を注入して硫黄を溶かし、それを地表に汲み上げるというものです。この技術は、他の地質学的物質に比べて硫黄の融点が低いことを利用し、現在では天然ガス中の硫化水素と酸素を反応させることによって得られます。水が生成され、硫黄が残ります。[167]
非金属元素は以下の源から抽出される：[150]
固体（12）：ホウ素はホウ酸塩から、炭素は天然にはグラファイトとして存在し、ケイ素はシリカから、リンはリン酸塩から、ヨウ素はヨウ素酸ナトリウムから、ラドンはウラン鉱石の崩壊生成物として、フッ素は蛍石から、ゲルマニウム、ヒ素、セレン、アンチモン、テルルは硫化物から生成されます。
用途
非金属および非金属元素の用途は、家庭用、工業用、減衰用（潤滑、遅延、断熱、冷却）、農業用と大まかに分類されます。
多くは家庭用品や産業用として利用されており、[169] [z]医薬品や製薬、[171]レーザーや照明にも使用されています。[172]鉱酸の成分でもあります。[173]また、プラグインハイブリッド車にも広く使用されています。[174]スマートフォン[175]
かなりの数が減衰剤や農業用途に使用されています。潤滑剤[ 176]、難燃剤、消火剤[ 177]に使用されています。不活性空気の代替物として機能します。 [178]また、極低温および冷媒にも使用されます。[179]その重要性は、肥料への使用を通じて農業にも及んでいます。[180]
さらに、少数の非金属または非金属元素は爆発物[181]や溶接ガス[182]などの特殊な用途に使用されています。
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コンピュータサーバー機器に損傷を与えることなく消火するために使用するアルゴンガス入りボンベ
分類学の歴史
背景
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、地球内部の物質を金属と「化石」に分類しました。[aa]後者のカテゴリには、鶏冠石、黄土、赤土、硫黄、辰砂などのさまざまな鉱物や、彼が「溶けない石」と呼んだその他の物質が含まれていました。[185]
中世まで、鉱物の分類は用語は多様であったものの、ほとんど変わっていなかった。14世紀、イギリスの錬金術師リチャード・アングリクスは著書『錬金術の手引き』で鉱物の分類を拡張した。この著書で、彼は鉱物には2つの主要な種類があると提唱した。彼が「主要鉱物」と呼んだ最初のカテゴリには、金、銀、銅、錫、鉛、鉄などのよく知られた金属が含まれていた。「微量鉱物」と名付けられた2番目のカテゴリには、塩、硫酸鉄、ミョウバン、硫酸、ヒ素、黄鉛、硫黄、および金属体ではない類似の物質が含まれていた。[ 186 ]
「非金属」という用語は、少なくとも16世紀にまで遡る。1566年の医学論文で、フランスの医師ロイ・ド・ローネーは、植物由来の物質を、それが金属土壌由来か非金属土壌由来かに基づいて区別した。[187]
その後、フランスの化学者ニコラ・レメリーは、 1699年に出版された著書『アルファベット順に並べられた単純薬物に関する万能論文』の中で、金属鉱物と非金属鉱物について論じた。その著作の中で、彼は「カドミア」という物質が、コバルト（コバルタイト）に似た第1のカテゴリーに属するのか、それとも当時はカラミンとして知られていた炭酸亜鉛とケイ酸塩を含む混合鉱石に代表される第2のカテゴリーに属するのかについて考察した。[188]
要素の種類による構成
古代人が金属を他の鉱物と区別したのと同じように、1700年代後半に現代の化学元素の概念が出現するにつれて、同様の区別が発達しました。フランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエは、革命的な[190] 1789年の著書『化学元素論』で、最初の現代的な化学元素リストを発表しました。ラボアジエが知っていた33の元素は、ガス、金属物質、酸化されると酸を形成する非金属物質、[191]および土（耐熱酸化物）を含む4つの異なるグループに分類されました。[192]ラボアジエの著作は広く認知され、出版後17年間で6つの言語で23版が再出版され、ヨーロッパとアメリカにおける化学の理解を大きく前進させました。[193]
1802年、「半金属」という用語は、金属の物理的性質を持ちながら非金属の化学的性質を持つ元素に対して導入されました。[194]しかし、1811年、スウェーデンの化学者ベルセリウスは、水溶液中で酸素と負に帯電したイオンを形成する能力があることに注目し、すべての非金属元素を説明するために「半金属」という用語を使用しました。[196] [197]こうして 、1864年に「半金属の手引き」はすべての元素を金属と半金属に分類し、後者のグループには現在非金属と呼ばれている元素が含まれていました。[198] : 31 この本のレビューによると、「半金属」という用語は依然として主要な権威者によって支持されていましたが、[199]その適切さについては疑問がありました。ベルセリウスの用語は広く受け入れられたが、[200]後に、直感に反する、[197]誤用である、[201]あるいは無効であると考える人々から批判を受けた。[202] [203]ヒ素などの元素を半金属と 指定するアイデアは検討されていた。[199] 1866年には早くも、一部の著者は非金属元素を説明するのに「半金属」よりも「非金属」という用語を好み始めた。[204] 1875年、ケムズヘッド[205]は、元素が非金属（または半金属）と金属の2つのグループに分類されることに気付いた。彼は、「非金属」という用語は、その複合的な性質にもかかわらず、より正確であり、選択される命名法として広く受け入れられていると述べた。
タイプの発展
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1844年、フランスの医師、薬剤師、化学者であるアルフォンス・デュパスキエ[206]、非金属の研究を助けるために非金属の基本的な分類を確立しました。彼は次のように書いています。[207]
- これらは、次の 4 つのグループまたはセクションに分けられます。
- 有機原体—酸素、窒素、水素、炭素
- 硫黄化合物 - 硫黄、セレン、リン
- 塩化物 - フッ素、塩素、臭素、ヨウ素
- ボロイド - ホウ素、シリコン。
デュパスキエの四重奏は現代の非金属の種類と類似している。有機元素と硫黄元素は分類されていない非金属に類似している。塩化物は後にハロゲンと呼ばれるようになった。[208]ホウ素元素は最終的に半金属元素へと進化し、この分類は1864年という早い時期に始まった。 [199]当時は未知であった希ガスは1800年代後半に発見され、明確な非金属グループとして認識された。[209]
彼の分類法は、その自然に基づいたもので有名である。[210] [ab]とはいえ、酸素、窒素、水素、炭素をグループ化していたため、当時の他の分類法とは大きく異なっていた。[212]
1828年と1859年にフランスの化学者デュマは非金属を（1）水素、（2）フッ素からヨウ素、（3）酸素から硫黄、（4）窒素からヒ素、（5）炭素、ホウ素、ケイ素に分類し[213]、メンデレーエフの1871年の周期表の垂直グループ分けを予見した。デュマの5つのクラスはそれぞれ現代のグループ1、17、16、15、14から13 に該当する。
推奨される識別基準
初期の分析の多くは現象論的なものであり、金属を非金属（または他の物体）と区別するためにさまざまな物理的、化学的、原子的特性が提案されました。包括的な初期の特性セットは、 1803年のマイナー百科事典でタデウス・メイソン・ハリス牧師によって述べられました。[214]
- 金属は、自然史と化学において、単純な物体のクラスの名前です。金属は光沢があり、不透明で、可融性、つまり溶解することができ、比重はこれまで発見されたどの物体よりも大きく、他のどの物体よりも電気をよく伝導し、展性があり、つまりハンマーで伸ばして平らにすることができ、延性があり、粘り強く、つまり糸やワイヤーに引き伸ばすことができることが観察されています。
いくつかの基準は長くは続かなかった。例えば、1809年にイギリスの化学者で発明家のハンフリー・デービーがナトリウムとカリウムを単離したが[231]、これらの金属は見た目が金属的であるにもかかわらず、密度が低いため、化学的性質によってこれらの金属がしっかりと確立されていたにもかかわらず、密度特性は曖昧であった。[232]
ジョンソン[233]はメイソンと同様のアプローチを採用しており、金属と非金属をその物理的状態、電気伝導性、機械的性質、および酸化物の酸塩基性質に基づいて区別している。
- 気体元素は非金属（水素、窒素、酸素、フッ素、塩素、希ガス）です。
- 液体（水銀、臭素）は金属または非金属のいずれかです。水銀は良導体なので金属であり、臭素は導電性が低いので非金属です。
- 固体は延性があり展性があるか、硬くて脆いか、柔らかくて砕けやすいかのいずれかです。
- a. 延性要素と展性要素は金属です。
- b. 硬くて脆い元素にはホウ素、シリコン、ゲルマニウムなどがあり、これらは半導体であり金属ではない。
- c. 柔らかく砕けやすい元素には、炭素、リン、硫黄、ヒ素、アンチモン、[ag]テルル、ヨウ素などがあり、これらは非金属特性を示す酸性酸化物を持っています。[ah]
数人の著者[238]は、非金属は一般に密度が低く、電気陰性度が高いと指摘している。密度の閾値を 7 g/cm 3、電気陰性度の閾値を 1.9 (改訂 Pauling) とした添付の表は、すべての非金属が密度が低く、電気陰性度が高いことを示している。対照的に、すべての金属は密度が高いか、電気陰性度が低い (またはその両方)。ゴールドホワイトとスピルマン[239]は、「... 軽い元素は重い元素よりも電気陰性度が高い傾向がある」と付け加えた。表の密度が 7 gm/cm 3未満の元素 (金属と非金属) の平均電気陰性度は 1.97 であるのに対し、密度が 7 gm/cm 3を超える金属では 1.66 である。
現象学的性質の使用については完全な合意が得られていない。エムズリー[240]は、この作業の複雑さを指摘し、単一の性質だけでは元素を金属または非金属のカテゴリに明確に割り当てることができると主張した。一部の著者は元素を金属、半金属、非金属に分類しているが、オダーバーグ[241]はこれに反対し、分類の原則によれば、金属として分類されないものはすべて非金属とみなすべきだと主張している。
ニーンとその同僚[242]は、非金属の分類は金属量の単一の基準を確立することで達成できると提案した。彼らは、さまざまな妥当な分類が存在することを認め、これらの分類はある程度異なる可能性があるが、非金属の分類については一般的に同意するだろうと強調した。彼らは電気伝導性を重要な特性として説明し、これが最も一般的なアプローチであると主張した。
最も一般的に認識されている特性の 1 つは、電気抵抗と導電率に対する加熱の影響である抵抗率の温度係数です。温度が上昇すると、金属の導電率は低下し、非金属の導電率は上昇します。 [243]しかし、プルトニウム、炭素、ヒ素、アンチモンは標準に反しているようです。プルトニウム (金属) を -175 ～ +125 °C の温度範囲で加熱すると、導電率が上昇します。[244]同様に、炭素 (グラファイトなど) は非金属元素として一般的に分類されているにもかかわらず、半金属であり、加熱すると導電率が低下します。[245]ヒ素とアンチモンは、非金属元素として分類されることもありますが、半金属でもあり、炭素と同様の挙動を示します。[246] [疑わしい–議論する]
選択したプロパティの比較
このセクションの 2 つの表には、標準温度と圧力における最も安定した形態に基づいて、5 種類の元素 (希ガス、ハロゲン非金属、分類されていない非金属、半金属、比較用の金属) の特性の一部がリストされています。半金属の列の周りの破線は、これらの元素を別個のタイプとして扱う方法が、作成者や使用されている分類体系によって異なる可能性があることを示しています。
元素の種類による物理的性質
物理的特性は、判定の容易さの順に並べられています。
元素の種類による化学的性質
化学的性質は、一般的な特性からより具体的な詳細までリストされています。
† 水素は合金のような水素化物も形成する[145] ‡ 低、中、高、非常に高い
というラベルは、表に記載されている値の範囲に基づいて任意に付けられている。
参照
- CHON（炭素、水素、酸素、窒素）
- 非金属モノグラフ一覧
- 金属化圧力
- 非金属（天体物理学）
- 第1周期元素（水素とヘリウム）
- グループ別の非金属（および半金属）の特性
注記
- ^ これら6つ（ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル）は、一般的に「半金属」として認識されている元素であり、[3]非金属のサブカテゴリとしてカウントされる場合もあれば、金属と非金属の両方とは別のカテゴリとしてカウントされる場合もあります。[4]
- ^ 最も安定した形態は、二原子水素H 2、β-菱面体ホウ素、炭素のグラファイト、二原子窒素N 2、二原子酸素O 2、四面体シリコン、黒リン、斜方晶硫黄S 8、α-ゲルマニウム、灰色ヒ素、灰色セレン、灰色アンチモン、灰色テルル、および二原子ヨウ素I 2である。他のすべての非金属元素は、標準温度で1つの安定した形態のみを有する。[ 6 ]
- ^ 高温高圧下では、非金属の数が問題になることがあります。例えば、ゲルマニウムは溶融すると半導体の半金属から液体水銀と同様の電気伝導性を持つ金属導体に変化します。[13]十分に高い圧力下では、ナトリウム（金属）は非伝導性の絶縁体になります。[14]
- ^ 吸収された光は熱に変換されるか、あらゆる方向に再放射されるため、放射スペクトルは入射光放射の数千倍弱くなります。[17]
- ^ 固体ヨウ素は室温で白色光の下で銀色の金属的な外観を呈する。常温およびそれ以上の温度では固体相から直接昇華して紫色の蒸気となる。[18]
- ^ 固体非金属の電気伝導率は、硫黄[22]の10 −18 S•cm −1からグラファイトの3 × 10 4 [23]またはヒ素の3.9 × 10 4 [24]までの範囲です。マンガンの0.69 × 10 4から銀の63 × 10 4まで、どちらも金属です。[22]グラファイト（非金属）とヒ素（半金属）の伝導率はマンガンを上回っています。このような重複は、金属と非金属の間に明確な線を引くのが難しいことを示しています。
- ^金属の熱伝導率は、 ネプツニウムの6.3 W m −1 K −1から銀の429までの範囲です。アンチモン24.3、ヒ素50、炭素2000を参照してください。[22]金属の電気伝導率は、マンガンの0.69 S•cm −1 × 10 4から銀の63 × 10 4までの範囲です。炭素3 × 10 4、[23]ヒ素3.9 × 10 4、アンチモン2.3 × 10 4を参照してください。[22]
- ^ COとNOは一般的に中性と言われていますが、COは弱酸性の酸化物であり、塩基と反応してギ酸（CO + OH − → HCOO −）を生成します。[65]また、水中ではNOは酸素と反応して亜硝酸HNO 2（4NO + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 2）を生成します。[66]
- ^ フッ素とヨウ素の電気陰性度は、3.98 + 3.16 + 2.96 + 2.66 = 12.76/4 3.19 です。
- ^ ヘリウムは電子配置の一貫性を保つためにベリリウムの上に示されています。希ガスであるため、通常は第 18 族のネオンの上に配置されます。
- ^ 最終的な結果は周期間の偶奇差である（sブロックを除く）。偶数周期の元素は原子半径が小さく、電子を失うことが少ないが、奇数周期の元素（第1周期を除く）は逆の方向に異なる。pブロックの多くの特性は、グループに沿って滑らかな傾向ではなくジグザグを示す。たとえば、15族の奇数周期のリンとアンチモンは容易に+5の酸化状態に達するが、偶数周期の窒素、ヒ素、ビスマスは+3にとどまる傾向がある。[87]
- ^ 酸化状態は、化学結合における電子分布を概念化するための仮想電荷を表すものであり、分子やイオンの正味電荷を必ずしも反映するものではありません。この概念は、NO 3 −などの陰イオンで示されます。この場合、窒素原子は電子の分布により +5 の酸化状態を持つと考えられます。ただし、イオンの正味電荷は -1 のままです。このような観察は、特に共有結合した分子において、結合コンテキスト内での電子の損失または獲得を説明する酸化状態の役割を強調するものであり、実際の電荷を示すこととは異なります。
- ^ グリーンウッド[93]は次のようにコメントしている。「金属元素がホウ素を模倣する程度（結合に利用できる軌道よりも電子の数が少ない）は、金属ボラン化学の発展において実り多い一貫した概念であった...実際、金属は「名誉ホウ素原子」または「フレキシホウ素原子」と呼ばれてきた。この関係の逆も明らかに有効である。」
- ^ 例えば、グラファイトの導電率は3 × 10 4 S•cm −1です。[94]一方、マンガンの導電率は6.9 × 10 3 S•cm −1です。[95]
- ^ ホモ多原子カチオンは、同じ元素の2つ以上の原子が結合して正電荷を帯びたもので、例えばN 5 +、O 2 +、Cl 4 +などです。陽イオン形成は通常金属と関連付けられ、非金属は通常陰イオン形成と関連付けられるため、これは非金属では珍しい挙動です。ホモ多原子カチオンは、炭素、リン、アンチモン、硫黄、セレン、テルル、臭素、ヨウ素、キセノンでも知られています。[97]
- ^ 王立協会の周期表の 12 のカテゴリのうち、5 つは金属フィルターでのみ表示され、3 つは非金属フィルターでのみ表示され、4 つは両方のフィルターで表示されます。興味深いことに、半金属としてマークされている 6 つの元素 (ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル) は両方のフィルターの下に表示されます。ステータスが不明な他の 6 つの元素 (113～118: ニホニウム、フレロビウム、モスコビウム、リバモリウム、テネシン、オガネソン) も両方のフィルターの下に表示されますが、12 の色のカテゴリのいずれにも含まれていません。
- ^ 引用符はソースには見当たりませんが、ここでは、非金属という単語が非金属全般に適用されるのではなく、問題となっている化学元素のサブセットの正式な用語としてソースで使用されていることを明確にするために使用されています。
- ^ これらの非金属の様々な構成は、例えば、基本非金属、[107]生体元素、[108]中心非金属、[109] CHNOPS、[110]必須元素、[111]「非金属」、[112] [q]孤児非金属、[113]または酸化還元非金属と呼ばれています。[114]
- ^ ヒ素は乾燥した空気中では安定している。湿った空気中に長時間さらされると、表面に黒いコーティングが形成される。「ヒ素は水、アルカリ溶液、非酸化性酸によって容易には侵されない」。[119]ヒ素は、自然界では結合していない形で見つかることがある。 [ 120]ヒ素は、半貴金属の分類に相当する正の標準還元電位（As → As 3+ + 3e = +0.30 V）を持つ。[121]
- ^ 「結晶ホウ素は比較的不活性である。」[115]シリコンは「一般的に非常に反応性が低い。」[116]「ゲルマニウムは比較的不活性な半金属である。」[117]「純粋なヒ素も比較的不活性である。」[118] [s]「金属アンチモンは…室温で不活性である。」[122]「SやSeと比較して、Teは比較的化学反応性が低い。」[123]
- ^ 分類体系では境界の曖昧さや重複が頻繁に発生する。[126]
- ^ ジョーンズはこれらの問題に対して哲学的または実際的な見方をしている。彼は次のように書いている。「分類は科学のあらゆる分野に不可欠な要素ではあるが、境界には常に難しいケースがある。クラスの境界がはっきりしていることはめったに ない...科学者は難しいケースで眠れなくなるべきではない。分類システムが記述の効率性、知識の構造化、理解に有益であり、難しいケースが少数派である限り、それを維持すべきである。システムが役に立たなくなったら、それを廃棄し、異なる共通特性に基づくシステムに置き換えるべきである。」[126]
- ^ 金属、半金属、非金属の特性の関連比較については、Rudakiya & Patel (2021)、36ページを参照してください。
- ^ 金属酸化物は、金属元素の電気陽性度に応じて、通常はある程度イオン性である。[137]一方、高酸化状態の金属の酸化物は、多くの場合、ポリマー性または共有結合性である。[138]ポリマー酸化物は、複数の繰り返し単位からなる連結構造を有する。[139]
- ^ 例外的に、2012年に報告された研究では、天然フッ素（F
2）の重量でアントゾナイト中に含まれており、これらの包有物は微量のウランからの放射線によるものだとされている。[168] - ^ ラドンは潜在的に危険な室内汚染物質として発生することがある[170]
- ^ 「化石」という用語は、かつて生きていたものの保存された残骸、印象、または痕跡を指す現代の化石の用法と混同しないでください。
- ^ 自然な分類は、金属と酸素の親和性など、「一つの特性に基づく『人工的な分類』とは対照的に、分類対象となる物質のすべての特性」に基づいている。「化学における自然な分類は、最も多く、最も本質的な類似性を考慮する。」[211]
- ^ ゴールドハンマー・ヘルツフェルト比は、原子半径の3乗をモル体積で割った値とほぼ等しい。[217]より具体的には、個々の原子の外殻電子を所定の位置に保持する力と、固体または液体元素中の原子間の相互作用から同じ電子に作用する力の比である。原子間力が原子間力よりも大きいか等しい場合、外殻電子の遍歴が示され、金属的挙動が予測される。そうでない場合は非金属的挙動が予測される。
- ^ 響き渡るとは、叩いたときに鳴り響く音のことです。
- ^ 液体範囲は融点と沸点の差です。
- ^ モットパラメータはN 1/3 ɑ* Hで、N は単位体積あたりの原子の数、ɑ* Hは「原子の有効サイズで、通常は最外殻（価電子）の確率分布の最大値の有効ボーア半径として取られます。」常温では、金属と非金属の境界線の値は 0.45 になります。
- ^ 三酸化アンチモンは通常両性であると記載されていますが、その非常に弱い酸性の性質は、非常に弱い塩基の性質よりも優勢です。[234]
- ^ ジョンソンはホウ素を非金属として数え、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル、ポロニウム、アスタチンを「半金属」、つまり半金属として数えた。
- ^ (a) 表にはアスタチン (85) とフランシウム (87) を除くアインシュタイニウム (99) までの元素が含まれており、密度とほとんどの電気陰性度は Aylward と Findlay によるものである。[235]希ガスの電気陰性度は Rahm、Zeng、Hoffmann によるものである。[236] (b)
「重金属」
という用語の定義に関する調査では、密度基準は 3.5 g/cm 3以上から7 g/cm 3以上までと報告されている。[237] (c) Vernon は改訂版 Pauling スケールに基づき、半金属の最小電気陰性度を 1.9 と指定した。[3]
- ^ これら4つはいずれも安定性の低い非脆性形態をとる：炭素は剥離（膨張）グラファイトとして、[256] [257]およびカーボンナノチューブワイヤとして、[258]リンは白リン（ワックスのように柔らかく、曲げやすく、室温でナイフで切断できる）として、[49]硫黄は可塑性硫黄として、[50]セレンはセレンワイヤとして。[51]
- ^ 金属の電気伝導率はマンガンの場合6.9 × 10 3 S •cm −1銀の場合は6.3 × 10 5。[260]
- ^ 半金属の電気伝導率は1.5 × 10 −6 S•cm −1ホウ素の場合ヒ素の場合3.9 × 104。[ 261]
- ^ 分類されていない非金属の電気伝導率は約 100 から 1000 です。1 × 10 −18 S•cm −1の元素ガスの場合3 × 104グラファイト[ 94]
- ^ ハロゲン非金属の電気伝導率は約 100 から 1000 です。1 × 10 −18 S•cm −1 FとClの場合ヨウ素の場合1.7 × 10 −8 S•cm −1。[94] [262]
- ^ 元素ガスの電気伝導率は約 10 〜 20 ℃ です。1 × 10 -18 S・cm -1。[94]
- ^ 半金属は常に「[典型的な]非金属の対応する化合物よりも酸性度の低い化合物」を生成します。[247]
- ^ 三酸化ヒ素は三酸化硫黄と反応して、ヒ素「硫酸塩」As 2 (SO 4 ) 3を形成する。[270]この物質はイオン性ではなく共有結合性である。[271]また、As 2 O 3 ·3SO 3とも表記される。[272]
- ^ いいえ
2、N
2お
5、それで
3、セオ
3強酸性である。[273] - ^ H 2 O、CO、NO、N 2 Oは中性酸化物である。COとN 2 Oは「正式にはそれぞれギ酸と次亜硝酸の無水物であり、CO + H 2 O → H 2 CO 2 (HCOOH、ギ酸)、N 2 O + H 2 O → H 2 N 2 O 2 (次亜硝酸)である。」[274]
- ^ ClO
2、Cl
2お
7、私
2お
5強酸性である。[275] - ^ ガラスを形成する金属は、バナジウム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、インジウム、タリウム、スズ、鉛、ビスマスである。[278]
- ^ ガラスを形成する分類されていない非金属はリン、硫黄、セレンである。[278] CO2は40GPaでガラスを形成する。[280]
- ^ ヘリウム化二ナトリウム（Na 2 He）は、113GPa以上の高圧でも安定するヘリウムとナトリウムの化合物です。アルゴンは140GPa、1,500K近くでニッケルと合金を形成しますが、この圧力ではアルゴンはもはや希ガスではありません。[288]
- ^ 希ガスの値はRahm、Zeng、Hoffmannによるものです。[236]
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外部リンク
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