第12族元素
化学元素のグループ

周期表の第12族
水素 ヘリウム
リチウム ベリリウム ボロン 炭素 窒素 酸素 フッ素 ネオン
ナトリウム マグネシウム アルミニウム シリコン リン 硫黄 塩素 アルゴン
カリウム カルシウム スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン 鉄 コバルト ニッケル 銅 亜鉛 ガリウム ゲルマニウム 砒素 セレン 臭素 クリプトン
ルビジウム ストロンチウム イットリウム ジルコニウム ニオブ モリブデン テクネチウム ルテニウム ロジウム パラジウム 銀 カドミウム インジウム 錫 アンチモン テルル ヨウ素 キセノン
セシウム バリウム ランタン セリウム プラセオジム ネオジム プロメチウム サマリウム ユーロピウム ガドリニウム テルビウム ジスプロシウム ホルミウム エルビウム ツリウム イッテルビウム ルテチウム ハフニウム タンタル タングステン レニウム オスミウム イリジウム 白金 金 水銀（元素） タリウム 鉛 ビスマス ポロニウム アスタチン ラドン
フランシウム ラジウム アクチニウム トリウム プロトアクチニウム ウラン ネプツニウム プルトニウム アメリシウム キュリウム バークリウム カリホルニウム アインシュタイニウム フェルミウム メンデレビウム ノーベリウム ローレンシウム ラザホージウム ドブニウム シーボーギウム ボーリウム ハッシウム マイトネリウム ダルムシュタット レントゲン コペルニシウム 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
11族←   →ホウ素族
IUPACグループ番号 12
要素による名前 亜鉛グループ
CAS グループ番号
（米国、パターン ABA）
 IIB
旧IUPAC番号
（ヨーロッパ、パターンAB）
 IIB
↓ 期間
4
画像: 亜鉛、破片、昇華率99.995%
亜鉛(Zn)
30 遷移金属
5
画像: カドミウム、クリスタルバー 99.99%
カドミウム（Cd）
48 遷移金属
6
画像: 液体の水銀
水銀(Hg)
80 遷移金属
7 コペルニシウム(Cn)
112 遷移金属

伝説

原始元素
合成要素

第12族は、現代のIUPAC番号法[1]で周期表の元素群の一つです。亜鉛(Zn)、カドミウム(Cd)、水銀(Hg) [2] [3] [4]、コペルニシウム(Cn) [5]が含まれます。CASおよび旧IUPACシステムでは、この族はIIB （「II」はローマ数字なので「第2族B」と発音）と命名されていました。 [注 1]

自然界に存在する第12族元素は、亜鉛、カドミウム、水銀の3つです。これらはいずれも電気・電子機器用途や様々な合金に広く使用されています。最初の2つの元素は、標準条件下では固体金属であるため、類似した特性を持っています。水銀は室温で液体であることが知られている唯一の金属です。コペルニシウムの沸点はまだ十分に正確に測定されていないため[注2]、標準条件下で液体か気体かはまだ分かっていません。亜鉛は生体の生化学において非常に重要ですが、カドミウムと水銀はどちらも非常に毒性が強いです。コペルニシウムは自然界には存在しないため、実験室で合成する必要があります。

完全なd 殻を持つため、遷移金属から除外されることもあります。

物理的および原子的性質

周期表の他のグループと同様に、第 12 族のメンバーは、特に最外殻の電子配置にパターンを示し、その結果、化学的挙動に傾向が現れます。

Z 要素 殻あたりの電子数
30 亜鉛 2、8、18、2
48 カドミウム 2、8、18、18、2
80 水銀 2、8、18、32、18、2
112 コペルニシウム 2、8、18、32、32、18、2
（予測）

第12族元素はすべて柔らかく、反磁性で、二価の金属です。すべての遷移金属の中で最も融点が低いです。[8]亜鉛は青白色で光沢がありますが、[9]市販されているほとんどの亜鉛は光沢がなく、つや消し仕上げになっています。[10]亜鉛は非科学的な文脈ではスペルターとも呼ばれます。[11]カドミウムは柔らかく、展性があり、延性があり、青白色です。水銀は液体で、重く、銀白色の金属です。常温で液体となる唯一の一般的な金属であり、他の金属と比較して熱伝導率は低いですが、電気伝導率は良好です。[12]

下の表は、第12族元素の主要な物理的性質をまとめたものです。コペルニシウムのデータは、相対論的密度汎関数理論シミュレーションに基づいています。[13]

第12族元素の性質
名前 亜鉛 カドミウム 水銀 コペルニシウム
融点 693 K (420 °C ) 594 K (321 °C) 234 K (-39 °C) 283±11 K [13] (10℃)
沸点 1180 K (907 °C) 1040 K (767 °C) 630 K (357 °C) 340±10 K [13] (60 °C)
密度 7.14 g·cm −3 8.65 g·cm −3 13.534 g·cm −3 14.0 g·cm −3 [13]
外観 銀色がかった青灰色 銀灰色 銀色の ?
原子半径 午後1時35分 午後1時55分 午後150時 ? 午後1時47分

亜鉛は鉄よりも密度がやや低く、六方晶系の結晶構造をしている。[14]この金属はほとんどの温度で硬くて脆いが、100～150 °C（212～302 °F）の間で展性を持つようになる。[9] [10] 210 °C（410 °F）を超えると、金属は再び脆くなり、叩いて粉砕することができる。[15]亜鉛は電気の良い伝導体である。[9]金属としては、亜鉛の融点（419.5 °C、787.1 °F）と沸点（907 °C、1,665 °F）は比較的低い。[8]カドミウムは多くの点で亜鉛に似ているが、複雑な化合物を形成する。[16]他の金属とは異なり、カドミウムは耐腐食性があり、その結果、他の金属の上に堆積すると保護層として使用される。バルク金属としてのカドミウムは水に溶けず、燃えない。しかし、粉末にすると燃えて有毒な煙を発生することがある。[17]水銀は、dブロック金属としては非常に低い融点を持つ。この事実を完全に説明するには量子物理学への深い探求が必要となるが、以下のようにまとめることができる。水銀は、利用可能な1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s、4p、4d、4f、5s、5p、5d、6sサブシェルのすべてが電子で満たされるという独特の電子配置を持っている。このような配置は電子の除去に強く抵抗するため、水銀は、弱い結合を形成して容易に固体を溶かす希ガス元素に似た振舞いをする。6s殻の安定性は、満たされた4f殻の存在による。 f殻は、6s殻と原子核間のクーロン引力相互作用を増大させる核電荷をうまく遮蔽しません（ランタノイド収縮を参照）。満たされた内殻f殻が存在しないことが、カドミウムと亜鉛の融点がやや高い理由です。しかし、これらの金属はどちらも容易に溶け、さらに沸点が非常に低いです。金の原子は水銀よりも6s電子が1つ少ないです。これらの電子は容易に除去され、金原子間で共有され、比較的強い金属結合を形成します。[18] [19]

亜鉛、カドミウム、水銀は様々な合金を形成する。亜鉛を含む合金の中で、真鍮は亜鉛と銅の合金である。亜鉛と二元合金を形成することが古くから知られている他の金属には、アルミニウム、アンチモン、ビスマス、金、鉄、鉛、水銀、銀、スズ、マグネシウム、コバルト、ニッケル、テルル、ナトリウムなどがある。[11]亜鉛もジルコニウムも強磁性体ではないが、それらの合金であるZrZn
2水銀は 35  K未満で強磁性を示す。[9]カドミウムは、摩擦係数が低く疲労抵抗が大きいため、多くの種類のはんだ合金や軸受合金に使用されている。 [20]また、ウッド金属などの最も融点の低い合金にも含まれている。[21]水銀は液体であるため、他の金属を溶解し、形成される合金はアマルガムと呼ばれる。たとえば、金、亜鉛、ナトリウム、その他多くの金属とのアマルガムが知られている。鉄は例外であるため、水銀の取引には伝統的に鉄のフラスコが使用されてきた。水銀とアマルガムを形成しない他の金属には、タンタル、タングステン、白金などがある。ナトリウムアマルガムは有機合成における一般的な還元剤であり、高圧ナトリウムランプでも使用されている。水銀はアルミニウムと容易に結合し、水銀アルミニウムアマルガムを形成します。このアマルガムは空気と反応して酸化アルミニウムを生成するため、少量の水銀でもアルミニウムを腐食させます。そのため、航空機内の露出したアルミニウム部品とアマルガムを形成する危険性があるため、水銀はほとんどの場合、航空機への持ち込みが禁止されています。[22]

化学

化学のほとんどは、第 12 族の最初の 3 つのメンバーについてのみ観察されています。コペルニシウムの化学は十分に確立されていないため、このセクションの残りの部分では、亜鉛、カドミウム、水銀についてのみ扱います。

このグループの元素はすべて金属である。カドミウムと水銀の金属半径の類似性は、ランタノイド収縮の影響である。そのため、このグループの傾向は、金属半径がグループの上から下に向かって滑らかに増加するグループ2（アルカリ土類元素）の傾向とは異なる。3つの金属はすべて融点と沸点が比較的低く、金属結合が比較的弱く、価電子帯と伝導帯の重なりが比較的少ないことを示している。[23]そのため、亜鉛は金属元素と半金属元素の境界に近い。この境界は通常、ガリウムとゲルマニウムの間にあるが、ガリウムはガリウムヒ素などの半導体に関与している。

亜鉛とカドミウムは電気陽性であるのに対し、水銀は電気陽性ではない。[23]その結果、亜鉛とカドミウム金属は優れた還元剤となる。第12族元素は+2の酸化状態を持ち、イオンはd 10電子配置をとり、サブシェルが満たされた比較的安定した状態となる。しかし、水銀は容易に+1の酸化状態に還元される。通常、 Hgイオンの場合のように。2+
2では、2つの水銀(I)イオンが結合して金属間結合と反磁性種を形成します。[24]カドミウムも[Cd 2 Cl 6 ] 4−などの種を形成し、金属の酸化状態は+1です。水銀と同様に、金属間結合の形成により、不対電子が存在しない反磁性化合物が生成されます。そのため、この種は非常に反応性が高くなっています。亜鉛(I)は、主に気相で知られており、カロメルに類似した線状Zn 2 Cl 2などの化合物です。固相では、かなり珍しい化合物であるデカメチルジジンコセン（Cp*Zn–ZnCp*）が知られています。

分類

第 12 族の元素は通常d ブロック元素であると考えられていますが、d 殻がいっぱいであるため遷移元素ではありません。価電子が ns 2軌道にあるため、一部の研究者はこれらの元素を主族元素として分類しています。ただし、これらの元素は、ほぼ例外なく遷移元素であると考えられる周期表の隣接する第 11 族元素と多くの特性を共有しています。たとえば、亜鉛は隣接する遷移金属である銅と多くの特性を共有しています。亜鉛錯体は、安定度定数は小さいものの、銅 (II) の錯体と同じ化学量論で多くの錯体を形成するため、アーヴィング・ウィリアムズ系列に含める価値があります。[25]銀 (II) の化合物はまれであり、存在するものは非常に強力な酸化剤であるため、カドミウムと銀の間には類似点がほとんどありません。同様に、金の共通酸化状態は +3 であるため、水銀と金の間には化学的共通点はあまりないと考えられる。ただし、水銀(I) と金(I) の間には、線状ジシアノ錯体 [M(CN) 2 ] −の形成などの類似点がある。IUPACの遷移金属の定義では、原子が不完全な d サブシェルを持つか、不完全な d サブシェルを持つ陽イオンを生成できる元素とされており、[26]亜鉛とカドミウムは遷移金属ではないが、水銀は遷移金属である。これは、水銀だけが、フッ化水銀(IV)として、酸化状態が +2 よりも高い化合物を持つことが知られているためである（ただし、その存在は議論の余地があり、後の実験でその合成を確認しようとしたが、HgF 4の証拠は見つからなかった）。[27] [28]しかし、この分類は非平衡状態で見られる非常に非典型的な化合物に基づいており、水銀のより典型的な化学的性質とは矛盾しており、ジェンセンは水銀を遷移金属ではないと見なす方が良いと示唆している。[29]

アルカリ土類金属との関係

第 12 族は現代の 18 列周期表のd ブロックに位置しますが、亜鉛、カドミウム、および (ほとんどの場合) 水銀の d 電子はコア電子として振舞い、結合には関与しません。この振舞いは主族元素と似ていますが、基底状態の電子配置で満たされた d サブシェルを持ちながら化学的には遷移金属として振舞う、隣接する第11 族元素(銅、銀、金) とは際立った対照をなしています。たとえば、硫化クロム(CrS) の結合には主に 3d 電子が関与します。硫化鉄(FeS)の結合には3d 電子と 4s 電子の両方が関与します。しかし、硫化亜鉛(ZnS)の結合には4s 電子のみが関与し、3d 電子がコア電子として振舞います。実際、これらの元素の特性と、第2族元素の最初の2つであるベリリウムおよびマグネシウムの特性との間には有益な比較が可能であり、初期の簡略版周期表では、この関係がより明確に示されています。例えば、亜鉛とカドミウムは、原子半径、イオン半径、電気陰性度においてベリリウムやマグネシウムと類似しており、また、二元化合物の構造や、多くの窒素および酸素配位子と錯イオンを形成する能力（錯水素化物やアミンなど）においても類似しています。しかし、ベリリウムとマグネシウムは、より重いアルカリ土類金属とは異なり、また第12族元素（原子核の電荷は大きいが価電子の数は変わらない）と同様に小さな原子であり、第2族のベリリウムからラジウムへの周期的な傾向（アルカリ金属の傾向に似ている）は、 dブロックとランタノイドの収縮により、ベリリウムから水銀（pブロック主族の傾向に似ている）に向かうときにはそれほど滑らかではない。水銀に多くの独特な特性を与えているのも、dブロックとランタノイドの収縮である。[29]

アルカリ土類金属と第12族元素の性質の比較（コペルニシウムの予測）[29]
名前 ベリリウム マグネシウム カルシウム ストロンチウム バリウム ラジウム
価電子配置 2秒2 3秒2 4秒2 5秒2 6秒2 7秒2
コア電子配置 [彼] [ね] [ Ar ] [クル] [ Xe ] [ Rn ]
酸化状態[注3] +2、+1 +2、+1 +2、+1 +2、+1 +2 +2
融点 1560 K (1287 °C ) 923 K (650 °C) 1115 K (842 °C) 1050 K (777 °C) 1000 K (727 °C) 973 K (700 °C)
沸点 2742 K (2469 °C) 1363 K (1090 °C) 1757 K (1484 °C) 1655 K (1382 °C) 2170 K (1897 °C) 2010 K (1737 °C)
外観 ホワイトグレーメタリック 光沢のあるグレーメタリック 鈍い銀灰色 銀白色メタリック 銀灰色 銀白色メタリック
密度 1.85 g·cm −3 1.738 g·cm −3 1.55 g·cm −3 2.64 g·cm −3 3.51 g·cm −3 5.5 g·cm −3
ポーリングの電気陰性度 1.57 1.31 1.00 0.95 0.89 0.9
原子半径 午後10時5分 午後150時 午後180時 午後200時 午後2時15分 午後2時15分
結晶イオン半径 午後59時 午後86時 午後114時 午後1時32分 午後1時49分 午後162時
炎色試験色 白[29] ブリリアントホワイト[30] レンガ色[30] 深紅[30] アップルグリーン[30] 深紅[注4]
有機金属化学 良い 良い 貧しい 非常に貧しい 非常に貧しい 非常に貧しい
水酸化物 両性 基本的な 基本的な 強い塩基性 強い塩基性 強い塩基性
酸化物 両性 強い塩基性 強い塩基性 強い塩基性 強い塩基性 強い塩基性
名前 ベリリウム マグネシウム 亜鉛 カドミウム 水銀 コペルニシウム
価電子配置 2秒2 3秒2 4秒2 5秒2 6秒2 ? 7秒2
コア電子配置 [彼] [ね] [Ar]3d 10 [Kr]4d 10 [Xe]4f 14 5d 10 ? [Rn]5f 14 6d 10
酸化状態[注3] +2、+1 +2、+1 +2、+1 +2、+1 +2、+1 ? +4 , +2 , +1 , 0 [32] [33] [34]
融点 1560 K (1287 °C) 923 K (650 °C) 693 K (420 °C) 594 K (321 °C) 234 K (-39 °C) 283±11 K (10 °C)
沸点 2742 K (2469 °C) 1363 K (1090 °C) 1180 K (907 °C) 1040 K (767 °C) 630 K (357 °C) 340±10 K (60 °C)
外観 ホワイトグレーメタリック 光沢のあるグレーメタリック 銀色がかった青みがかった灰色のメタリック 銀灰色 銀色の ?
密度 1.85 g·cm −3 1.738 g·cm −3 7.14 g·cm −3 8.65 g·cm −3 13.534 g·cm −3 14.0 g·cm −3
ポーリングの電気陰性度 1.57 1.31 1.65 1.69 2.00 ?
原子半径 午後10時5分 午後150時 午後1時35分 午後1時55分 午後150時 ? 午後147時[33]
結晶イオン半径 午後59時 午後86時 午後88時 午後109時 午後116時 ? 午後75時[33]
炎色試験色 白 鮮やかな白 青緑色[注 5] ? ? ?
有機金属化学 良い 良い 良い 良い 良い ?
水酸化物 両性 基本的な 両性 弱塩基性 ? ?
酸化物 両性 強い塩基性 両性 やや基本的な やや基本的な ?

化合物

これら3つの金属イオンは、 MClのような多くの四面体種を形成する。2−4
​亜鉛とカドミウムはともに、これらの金属塩の水溶液中に存在する水和イオン[M(H 2 O) 6 ] 2+のような八面体錯体を形成することもできる。 [35]共有結合性はs軌道とp軌道を利用することで達成される。しかし、水銀は配位数が4を超えることは稀である。配位数2、3、5、7、8も知られている。

歴史

第12族元素は、古代から実験室で発見されるまで、歴史を通じて発見されてきました。この族自体には慣用名はありませんが、過去には IIB族と呼ばれていました。

亜鉛

亜鉛は古代には不純な形で使われていたことが発見されているほか、2000年以上も前の真鍮などの合金にも使われていたことが発見されている。[36] [37]亜鉛は、ヒンドゥー教の王マダナパラ（タカ王朝）に帰せられ、1374年頃に書かれた医学辞典の中で、ファサーダという名称で金属として明確に認識されていた。 [38]この金属は錬金術師にも役立った。[39]この金属の名前が初めて記録されたのは16世紀で、[40] [41]おそらく、金属結晶の針のような外観を表すドイツ語のzinkeに由来している。[42]

亜鉛元素の錬金術記号

西洋における金属亜鉛の単離は、17世紀に数人の人々によって独立して達成された可能性がある。[43] 1746年の実験で、銅を使わずにカラミンと木炭の混合物を加熱して金属を得るという方法で、純粋な金属亜鉛を発見したことは、ドイツの化学者アンドレアス・マルクグラフによるものとされている。[ 44 ] 1780年にイタリアの医師ルイージ・ガルヴァーニが真鍮を使ってカエルの実験を行ったことで、電気バッテリー、亜鉛メッキ、陰極防食の発見への道が開かれた。[45] [46] 1799年、ガルヴァーニの友人アレッサンドロ・ボルタがボルタ電池を発明した。[45]亜鉛の生物学的重要性は、血液から二酸化炭素を除去する酵素である炭酸脱水酵素の活性部位に亜鉛があることが示された1940年まで発見されなかった。[47]

カドミウム

1817年、ドイツでフリードリヒ・ストロマイヤーとカール・サミュエル・レーベレヒト・ヘルマンによって、炭酸亜鉛鉱物（カラミン）の不純物としてカドミウムが発見されました。[48]カドミウムはラテン語で「カラミン」を意味するカドミア（カドミウムを含む鉱物の混合物）にちなんで命名されました。カラミンは、ギリシャ神話の登場人物でテーベの創設者であるカドモスにちなんで名付けられました。[49]ストロマイヤーは最終的に、硫化物の焙焼と還元によってカドミウム金属を単離しました。[50] [51] [52]

1927年、国際度量衡会議は、赤色カドミウムスペクトル線（1 m = 1,553,164.13 波長）に基づいてメートルを再定義しました。[53]この定義はその後変更されました（クリプトンを参照）。同時に、国際メートル原器は1960年までメートルの長さの標準として使用され、[54]国際度量衡会議において、真空中のクリプトン-86原子の電磁スペクトルにおける橙赤色の輝線に基づいてメートルが定義されました。[55]

水銀

水星の記号（☿）は古代から元素を表すために使用されてきました。

水銀は紀元前1500年頃のエジプトの墓から発見されており[56] 、化粧品に使用されていました。古代中国でも、水銀は健康を増進し、長寿をもたらすと信じられていました[57]。紀元前500年までに、水銀は他の金属とアマルガム（中世ラテン語で「水銀の合金」を意味するアマルガマ）を作るのに使用されていました[58]。 錬金術師たちは、水銀をすべての金属の原料となる最初の物質と考えていました。彼らは、水銀に含まれる硫黄の質と量を変えることで、様々な金属を作り出すことができると考えていました。最も純粋なものは金であり、多くの錬金術師が目指していた卑金属（または不純な金属）を金に変換する試みにおいて、水銀が求められました[59] 。

Hgは水銀の現代の化学記号です。これはギリシャ語のΎδραργυρος ( hydrargyros )のラテン語形であるhydrargyrumに由来します。これは「水銀」（hydr- = 水、argyros = 銀）を意味する複合語です。水銀は水のように液体で、銀のように光沢があることからこの元素は命名されました。この元素は、速度と機動力で知られるローマ神話の神メルクリウスにちなんで名付けられました。水銀は惑星水星と関連付けられており、占星術における惑星記号は、この金属の錬金術記号の一つでもあります。 [60]水銀は、錬金術における惑星名が一般名となった唯一の金属です。[59]

コペルニシウム

最も重い第12族元素として知られるコペルニシウムは、1996年2月9日、ドイツのダルムシュタットにある原子核研究協会（GSI）で、シグルド・ホフマン、ヴィクター・ニノフらによって初めて生成されました。 [61]その後、2010年2月19日、コペルニクス生誕537周年にあたる日に、国際純正応用化学連合（IUPAC）によってニコラウス・コペルニクスにちなんで正式に命名されました。[62]

発生

他のほとんどのdブロック族元素と同様に、第12族元素の地殻における存在量は原子番号が大きくなるにつれて減少します。亜鉛は65 ppmでこの族の中で最も豊富ですが、カドミウムは0.1 ppm、水銀は0.08 ppmと、桁違いに少ないです。[63]コペルニシウムは半減期が数分の合成元素であるため、生成された実験室にしか存在しない可能性があります。

表面が凹凸のある、黒く光沢のある固体の塊。
重要な亜鉛鉱石である閃亜鉛鉱（ZnS）

第 12 族金属は親銅元素であり、つまり酸化物との親和性が低く、硫化物との結合を好む。親銅元素は、地球の初期大気の還元条件下で地殻が固化するにつれて形成された。 [64]第 12 族元素で商業的に最も重要な鉱物は硫化鉱物である。[23] 硫化亜鉛の一種である閃亜鉛鉱は、その濃縮物に 60～62% の亜鉛が含まれるため、最も多く採掘されている亜鉛含有鉱石である。 [14]カドミウム含有鉱石の重要な鉱床は知られていない。重要なカドミウム鉱物であるグリノッカイト(CdS) は、ほぼ常に閃亜鉛鉱 (ZnS) と関連付けられている。この関連付けは、亜鉛とカドミウムの地球化学的類似性によって、地質学的な分離ができにくいことに起因する。その結果、カドミウムは主に亜鉛の硫化物鉱石の採掘、製錬、精錬の副産物として生産され、鉛や銅も少量生産される。[65] [66]金属カドミウムが見つかる場所の一つは、シベリアのヴィリュイ川流域である。[67]水銀は地殻中で極めて稀な元素であるが、[68]地殻質量の大部分を構成する元素と地球化学的に混合しないため、通常の岩石中の元素の存在比を考えると、水銀鉱石は高濃度になり得る。最も水銀含有量の多い鉱石は質量の2.5%まで水銀を含み、最も低濃度の鉱床でも少なくとも0.1%の水銀（地殻平均存在比の12,000倍）を含む。天然金属（稀少）として、または辰砂（HgS）、コルデロアイト、リビングストナイトなどの鉱物として発見され、辰砂が最も一般的な鉱石です。[69]

水銀と亜鉛の鉱物は採掘できるほど大量に見つかるが、カドミウムは亜鉛と非常に似ているため、回収される亜鉛鉱石には常に少量含まれる。確認されている世界の亜鉛資源の総量は約19億トンである。[70]大規模な鉱床はオーストラリア、カナダ、米国にあり、最大の埋蔵量はイランにある。[64] [71] [72]現在の消費速度では、これらの埋蔵量は2027年から2055年の間に枯渇すると推定されている。[73] [74] 2002年までの歴史を通じて約3億4600万トンが抽出され、ある推計によると、そのうち約1億900万トンがまだ使用されている。[75] 2005年には、中国が世界シェアのほぼ3分の2を占める最大の水銀生産国であり、キルギスタンがそれに続いた。[76]他にもいくつかの国では、銅の電解採取プロセスや排水からの回収によって、記録されていない水銀が生産されていると考えられています。水銀の毒性が高いため、辰砂の採掘と水銀精錬はどちらも危険であり、歴史的に水銀中毒の原因となっています。[77]

生産

亜鉛は、年間生産量が約1000万トンで、鉄、アルミニウム、銅に次いで4番目に多く使用されている金属です。 [78]世界中で、亜鉛の95％は硫化物鉱床から採掘されており、その鉱床では、閃亜鉛鉱（ZnS）がほぼ常に銅、鉛、鉄の硫化物と混合されています。亜鉛金属は抽出冶金を使用して生産されます。[79] 焙焼により、処理中に生成された硫化亜鉛精鉱が酸化亜鉛に変換されます。[80]さらに処理するには、乾式冶金または電解採取という2つの基本的な方法が使用されます。乾式冶金処理では、950℃（1,740°F）で炭素または一酸化炭素を使用して酸化亜鉛を還元して金属に変換し、亜鉛蒸気として蒸留します。 [ 81]亜鉛蒸気は凝縮器で収集されます。[80] [82]このステップの後、電気分解によって亜鉛金属が生成される。[80]

カドミウムは亜鉛鉱石によく含まれる不純物であり、亜鉛の生産過程で最も多く分離されます。硫化亜鉛鉱石から得られる亜鉛精鉱の中には、最大1.4%のカドミウムを含むものもあります。[83]亜鉛を製錬する際には、真空蒸留 によって煙道塵から生成された亜鉛からカドミウムを分離するか、電解液から硫酸カドミウムを沈殿させます。 [84]

最も水銀含有量の多い鉱石には質量比で最大2.5%の水銀が含まれており、最も含有量の少ない鉱床でも少なくとも0.1%の水銀が含まれています。鉱床では辰砂（HgS）が最も一般的な鉱石です。[85] 水銀は辰砂を空気流で加熱し、蒸気を凝縮させることで抽出されます。[86]

コペルニシウムのような超重元素は、粒子加速器で軽い元素を照射し、核融合反応を誘発することによって生成される。コペルニシウムの同位体のほとんどはこの方法で直接合成できるが、より重い同位体の中には、より高い原子番号の元素の崩壊生成物としてのみ観測されているものもある。[87]コペルニシウムを生成する最初の核融合反応は1996年にGSIによって行われ、コペルニシウム277の2つの崩壊系列の検出が報告された（ただし、そのうち1つは後に撤回された。これは、ヴィクトル・ニノフによって捏造されたデータに基づいていたためである）。[61]

208
82鉛+70
30亜鉛→277
112Cn + n

アプリケーション

第12族元素は、その物理的類似性から、多くの一般的な用途で使用されています。亜鉛とカドミウムは、完全に腐食するまであらゆる局所的な酸化を引き付けるため、防食（亜鉛めっき）剤として一般的に使用されています[2] 。 [88]これらの保護コーティングは、溶融金属に物質を浸漬させる溶融亜鉛めっき[89] 、またはクロム酸塩を用いて不動態化する電気めっきプロセスによって他の金属に適用できます。[90]第12族元素は、二次参照電極としてだけでなく、標準水素電極の代替として機能するため、電気化学においても使用されています。[91]

米国では、亜鉛は主に亜鉛メッキ（55%）および真鍮、青銅、その他の合金（37%）に使用されています。[92] 亜鉛の相対的な反応性と、亜鉛が酸化物を自身に引き寄せる能力により、亜鉛は陰極防食（CP）における効率的な犠牲陽極となります。たとえば、埋設パイプラインの陰極防食は、亜鉛製の陽極をパイプに接続することで実現できます。[93]亜鉛は、鋼製パイプラインに電流を流すとゆっくりと腐食して陽極（負極端子）として機能します。 [93] [注 6]亜鉛は、海水にさらされる金属を腐食から陰極保護するために使用されます。[94] [95]亜鉛は、亜鉛炭素電池[96] [97]や亜鉛空気電池/燃料電池 などの電池の陽極材料として使用されます。[98] [99] [100] 広く使用されている亜鉛含有合金は真鍮で、銅に3%から45%の亜鉛が合金化されています（真鍮の種類によって異なります）。[93]真鍮は一般的に銅よりも延性と強度が高く、耐食性にも優れています。[93]これらの特性により、通信機器、ハードウェア、楽器、水道バルブなどに使用されています。[93]広く使用されているその他の亜鉛含有合金には、洋白、タイプライターメタル、軟質はんだ、アルミニウムはんだ、商用青銅などがあります。[9]少量の銅、アルミニウム、マグネシウムを含む亜鉛を主成分とする合金は、ダイカストやスピンカストに使用でき、特に自動車、電気、ハードウェア産業で使用されています。[9]これらの合金はザマックという名称で販売されています。[101]米国の亜鉛生産量（2009年）の約4分の1は、亜鉛化合物の形で消費されており、その様々なものが工業的に使用されています。[92]

カドミウムは、電池製造の主要成分であり、カドミウム顔料[102]やコーティング[90]に含まれており、電気メッキでも一般的に使用されているため、多くの一般的な工業用途があります。[20] 2009年には、カドミウムの86％が電池に使用され、主に充電式 ニッケルカドミウム電池に使用されました。欧州連合は、2004年にいくつかの例外を除いて電子機器へのカドミウムの使用を禁止しましたが、電子機器へのカドミウムの許容含有量を0.002％に引き下げました。[103]世界生産量の6％を消費するカドミウム電気メッキは、鉄鋼部品に適用すると腐食に耐える能力があるため、航空機産業で使用されています。 [20]

水銀は主に工業用化学薬品の製造や電気・電子用途で使用されています。一部の温度計、特に高温の測定に使用される温度計にも使用されています。蛍光灯のガス状水銀として使用される量は依然として増加傾向にありますが[104]、 その他の用途のほとんどは健康および安全規制により段階的に廃止されつつあり[105]、一部の用途では毒性は低いもののかなり高価なガリンスタン合金に置き換えられています[106] 。水銀とその化合物は医療にも使用されてきましたが、水銀とその化合物の毒性作用がより広く理解されたため、今日では以前ほど一般的ではありません[107] 。歯科用アマルガムの成分として今でも使用されています。20世紀後半、水銀の最大の用途[108] [109]は、塩素と苛性ソーダの製造における水銀電池法（カストナー・ケルナー法とも呼ばれる）でした。[110]

コペルニシウムは放射能が非常に高いため、研究以外には用途がありません。

生物学的役割と毒性

第 12 族元素は生物に対してさまざまな影響を及ぼします。カドミウムと水銀は有毒であり、亜鉛はほとんどの植物や動物に微量で必要です。

亜鉛は必須微量元素であり、植物、[111]動物、[112]微生物[113 ] にとって不可欠です。亜鉛は「通常、生物において鉄に次いで2番目に豊富な遷移金属」であり、すべての酵素クラスに存在する唯一の金属です。[111]人体には2～4グラムの亜鉛[114]が分布しており、 [115]「遍在する生物学的役割」を果たしています。[116] 2006年の研究では、ヒトタンパク質の約10% (2800) が亜鉛と結合する可能性があると推定されています。さらに、亜鉛を輸送するタンパク質も数百あります。[111]米国の推奨食事摂取量(RDA) は、女性で8 mg/日、男性で11 mg/日です。[117]有害な過剰摂取は問題となる可能性があり、健康な人ではおそらく1日20mgを超えないようにすべきであるが[118] 、米国国立研究評議会は1日40mgの許容上限摂取量を設定している。[119]

水銀とカドミウムは有毒であり、河川や雨水に流入すると環境被害を引き起こす可能性があります。その結果、農作物が汚染される可能性があり[120]、食物連鎖における水銀の生体蓄積により、水銀中毒やカドミウム中毒による疾患が増加する可能性があります[121]。

注記

  1. ^第12族の 揮発性金属という名称が時折使用されることがあるが[6]、これは揮発性の高い金属全般を指すのが一般的である。
  2. ^ 340 ± 10 K予測、357+112
    −108     K    実験的に[7]
  3. ^ ab 元素の酸化状態の一覧を参照。太字で示された酸化状態は一般的なものである。
  4. ^ 純粋なラジウムの炎色試験の色はこれまで観察されたことがなく、その化合物の炎色試験の色から推定された深紅色である。[31]
  5. ^ 白色と報告されることもある。[29]
  6. ^ 亜鉛と鋼鉄の間には自然に電流が流れますが、状況によっては外部の直流電源とともに不活性陽極が使用されます。

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参考文献

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