周期表において、非金属とは、主に明確な金属的性質を持たない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、その種類は多岐にわたります。物理的には、非金属は通常、金属を構成する元素よりも軽く（密度が低く）、熱伝導性や電気伝導性が低い場合が多いです。化学的には、非金属は比較的高い電気陰性度を持つか、他の元素と化学結合して電子を引き寄せる性質があり、その酸化物は酸性を示す傾向があります。

17種類の元素は非金属として広く認識されています。さらに、6種類の境界元素（半金属）の一部またはすべてが非金属として数えられることもあります。

最も軽い非金属元素である水素とヘリウムは、観測可能な宇宙の質量の約98%を占めています。地球の大気、生物圏、地殻、海洋の大部分は、水素、炭素、窒素、酸素、ケイ素の5つの非金属元素によって構成されていますが、地球全体の構成の半分強は金属元素であると考えられています。

非金属を含む複数の元素からなる化合物や合金は広く普及しています。非金属を主成分とする工業用途としては、電子機器、燃焼、潤滑、機械加工などが挙げられます。

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。金属と他の鉱物との区別は古代から存在していましたが、化学元素を金属と非金属に分類する考え方が生まれたのは18世紀後半になってからです。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。現代の研究では、固体の電子構造に基づいて金属と非金属を区別するのが一般的です。炭素、ヒ素、アンチモンなどの元素は半金属（金属のサブクラス）です。残りの非金属元素は絶縁体であり、シリコンやゲルマニウムなどは、導電率を変化させるドーパントを容易に取り込むことができ、半導体としての性質をもたらします。

定義と適用可能な要素

特に記載がない限り、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状態について説明します。[a]
鈍い銀色の結晶の破片の塊 2 つ。
ヒ素（ここでは変色を防ぐために容器に密封されている）は光沢のある外観を持ち、熱と電気の適度な伝導体であるが、柔らかく脆く、その化学的性質は主に非金属である。[6]

非金属化学元素は、一般的に金属に関連する特性、すなわち光沢、柔軟性、優れた熱伝導性と電気伝導性（バンド構造による）、そして塩基性酸化物を形成する能力をほとんど備えていないものとして広く定義されることが多い。[7] [8]これらの特性に関して広く受け入れられている正確な定義は存在しない。[9]非金属のリストは議論と改訂の余地がある。[1]

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の元素を指す用語です。[10]

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種類の既知の元素[11]のうち約15～20%が非金属に分類されます。[b]

一般的な特性

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、外観は多種多様です。無色の非金属（水素、窒素、酸素、希ガス）は、可視光線のスペクトル部分で光の吸収がなく、可視光線はすべて透過します。[14] 有色の非金属（硫黄、フッ素、塩素、臭素）は、特定の色（波長）を吸収し、補色または反対色の光を透過します。例えば、塩素の「馴染みのある黄緑色は…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」。[15] [c]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[d]の光沢は、入射する可視光を電子が反射することによって生じます。[18]

非金属元素の約半分は標準温度・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、赤褐色の蒸気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、熱伝導率と電気伝導率が低い。[19]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、または柔らかく崩れやすい）[20] 。また、電気伝導率は幅広い範囲にわたる。[e]

この多様性は、結晶構造と結合配置の多様性に起因しています。キセノンのように個別の原子として、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の非金属は、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。 [24]対照的に、セレン原子の長鎖[25] 、グラファイト内の炭素原子シート[26] 、またはシリコン原子の3次元格子[27]などの拡張構造を形成する非金属は、融点と沸点が高く、すべて固体です。周期表の左側または下側に近い（したがって金属に近い）非金属は、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[28]、炭素[29]、リン[30]、ヒ素[31] 、セレン[32] 、アンチモン[33] 、テルル[34]、ヨウ素[35]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形成するのに必要な電子のみを共有することが多い。[41]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であるネオンの電子配置を形成する。対照的に、アンチモンは各アンチモン原子が隣接する他の3つの原子と単結合する座屈層を有する。[42]

金属結合がある場合、優れた電気伝導性が得られますが、[43]一部の非金属の電子は金属的ではありません。[43]金属電子に関連する優れた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、アンチモンで見られます。[f]優れた熱伝導性は、ホウ素、シリコン、リン、ゲルマニウムで見られます。[21]このような伝導性は、これらの元素の結晶格子（フォノン）の振動を介して伝達されます。 [44]中程度の電気伝導性は、半導体[45]ホウ素、シリコン、リン、ゲルマニウム、セレン、テルル、ヨウ素で観測されています。

非金属元素の多くは硬くて脆く、[20]転位が容易に移動できないため、変形するよりも脆性破壊を起こす傾向があります。 [46]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）[47] 可塑性硫黄[48]、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。[49]グラファイトは標準的な固体潤滑剤であり、転位は基底面で非常に容易に移動できます。[50]

同素体

炭素の3つの同素体
左からダイヤモンド、バックミンスターフラーレン、グラファイト

非金属元素の半数以上は、それぞれ異なる物理的性質を持つ、安定性の低い様々な同素体形態を示す。[51]例えば、炭素は、最も安定した形態であるグラファイトのほか、ダイヤモンド、バックミンスターフラーレン、[52] 、 非晶質[53]、準結晶[54]といった形態をとる。窒素、酸素、リン、硫黄、セレン、ヨウ素にも同素体が存在する。[55]

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。ただし、非金属の電気陰性度がそれほど高くない場合、または酸化数が低い場合、あるいはその両方である場合は例外となります。これらの非金属の非酸性酸化物は、両性（水、H 2 O [61]など）または中性（亜酸化窒素、N 2 O [62] [g]など）の場合がありますが、塩基性になることはありません。

化学反応において、電子を供与する傾向のある金属元素とは対照的に、希ガスは電子を受け取る傾向があります。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しており、経験的にはデュエット則とオクテット則によって説明され、より正確には原子価結合理論によって説明されます。[65]

金属と非金属の化学的差異は、原子が電子を引き寄せ、保持する強さの違いに起因します。周期表の周期全体にわたって、原子核に陽子が追加されるにつれて、原子核の電荷は増加します。[66]しかし、内殻電子殻の数は一定であるため、最外殻電子が受ける有効電荷も増加し、それらを原子核に引き寄せます。その結果、原子半径はそれに応じて減少し、[67]これらの元素は化学反応中に電子を獲得する傾向が強くなり、負に帯電したイオンを形成します。[68]周期表の右側に位置する非金属は、この挙動の典型です。

非金属は一般的に、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。これらの値（電気陰性度を含む）が高いほど、その元素は非金属的である傾向があります。 [ 69 ]例えば、化学的に非常に活性な非金属元素であるフッ素、塩素、臭素、ヨウ素の平均電気陰性度は3.19であり、これはどの金属元素よりも高い数値です。

非金属元素によって形成される化合物の数は膨大である。[70] 2021年11月2日付けChemical Abstracts Service（CAS）の登録簿に掲載されている、895,501,834の化合物に最も多く含まれる元素の「トップ20」表の上位10位は非金属元素で占められている。水素、炭素、酸素、窒素は、化合物のほとんど（80%）に合計で含まれている。半金属であるケイ素は11位にランクインした。最も出現頻度の高い金属は鉄で、出現頻度は0.14%で12位であった。[71]

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。

第一列の異常

7行10列の表です。行の左側には周期番号（1～7）が、列の下部には族番号が記されています。ほとんどのセルは単一の化学元素を表し、2行の情報が表示されます。上部には元素記号、下部には原子番号が記されています。表全体は、狭い間隔で区切られた4つの長方形領域に分割されています。最初の長方形は、最初の2列の7行すべてを占めています。長方形の上部には「sブロック」というラベルが付けられ、その下の2つの列には族番号「(1)」と「(2)」が記されています。1行目のセル（水素とヘリウム、それぞれ記号HとHe、原子番号1と2）は、どちらも赤色で塗りつぶされています。2番目の長方形は、3列目の下2行（周期6と7）を占めています。これらのセルのすぐ上には「fブロック」というラベルがあり、下部には族番号はありません。最上部のセル（元素番号57～70を表す「La-Yb」）は緑色で塗りつぶされています。3つ目の長方形は、4列目の下4行（周期4～7）を占めています。これらのセルのすぐ上には「dブロック」というラベルがあり、その下にはこれらの元素の族番号を表す「(3-12)」というラベルがあります。最上部のセル（元素番号21～30を表す「Sc-Zn」）は青色で塗りつぶされています。4つ目と最後の長方形は、最後の6列の下6行（周期2～7）を占めています。これらのセルのすぐ上には「pブロック」というラベルがあります。下部には、これらの元素のグループ番号を表す「(13)」から「(18)」までのラベルがあります。最上段のセル（ホウ素（B,5）、炭素（C,6）、窒素（N,7）、酸素（O,8）、フッ素（Fl,9）、ネオン（Ne,10））は黄色で塗りつぶされています。表の左側の上から2つのセルと右上の21番目のセル（非金属）は太線で囲まれています。

水素から始めると、第一列異常は主に関係する元素の電子配置に起因します。水素は多様な結合挙動を示すことで知られています。最も一般的には共有結合を形成しますが、水溶液中では1つの電子を失い、高い分極力を持つ裸の陽子を残すこともあります。[73]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結合し、酸塩基化学の基礎を築きます。[74]さらに、分子中の水素原子は、他の分子中の原子または原子群と、より弱いとはいえ、2番目の結合を形成することができます。このような結合は、「雪片に六角形の対称性を与え、DNAを二重らせん状に結合させ、タンパク質の三次元形状を形成し、さらには水の沸点を上げておいしいお茶を淹れるのに十分なほどに高めます。」[75]

水素、ヘリウム、そしてホウ素からネオンに至るまで、原子半径は小さい。これらの元素のイオン化エネルギーと電気陰性度は、周期表の傾向から予想されるよりも高い。

電子配置の整合性からすると、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つの元素が示す顕著な第一列異常は、他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、第18族のネオンの上に位置することがほとんどである。[76]

二次周期性

縦軸に電気陰性度、横軸に原子番号を取ったグラフ。プロットされている5つの元素は、O、S、Se、Te、Poです。Seの電気陰性度が高すぎるため、本来は滑らかな曲線に凹凸が生じています。
16族カルコゲン元素の電気陰性度は、W字型の交代、つまりグループを下るにつれて二次周期性を示す。

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族へと下っていくと明らかになり、16族と17族では程度は低いものの明らかになる。[77] [j]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すぐ後、 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 [ru]はさらに2つの具体的な例を挙げている: [79]

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] を溶解する能力があり、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 まで増加します。+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。[k]後の族では、第 3 周期以降により 高い酸化状態が出現し、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などが挙げられます。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、より高いバルク配位数をサポートします。[80]

多重結合形成

翼の形をした5つのNの連鎖
ペンタゼニウムの分子構造。化学式N5 +、構造N−N−N−N−Nの窒素のホモ多原子陽イオンである。 [81]

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を示す。これらの元素から形成される化合物は、様々な窒素酸化物に見られるように、しばしば特異な化学量論と構造を示すが[80] 、これは後の周期の元素では一般的に見られない。

プロパティの重複

伝統的に、ある元素は非金属、他の元素は金属に分類されてきましたが、性質の重複が見られます。20世紀初頭、近代化学の時代が確立されていた頃[82] （ただし、より正確な量子化学はまだ確立されていませんでした）に、ハンフリー[83]は次のように述べています。

...しかし、これら 2 つのグループは互いに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、非金属に近似している金属もあります。
茶色の粉が入った開いたガラス瓶
ホウ素（ここでは安定性の低い非晶質形態）は金属といくつかの類似点を持っている[l]

非金属元素に現れる金属のような特性の例としては、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。[60]
  • グラファイトの電気伝導率は一部の金属のそれを上回ります。[m]
  • セレンはワイヤー状に引き伸ばすことができる。[49]
  • ラドンは希ガスの中で最も金属的であり、非金属としては珍しい陽イオン挙動を示し始める。[87]
  • 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。[n]

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。

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ブロック元素を含む特定の化合物が、遷移金属錯体に典型的に関連する挙動を示すことが報告されている。これは、分子 軌道（分子内で電子が存在し、化学反応に利用できる領域）間のエネルギーギャップが小さいことに起因している。このような化合物では、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性が可能になる。これはこれまで主に遷移金属化合物で観察されていた特性である。これらの反応は、触媒用途における新たな道を開く可能性がある。[93]

種類

非金属の分類体系は多岐にわたり、2つのサブタイプしかないものもあれば、7つのサブタイプに及ぶものもあります。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められており、一般的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」に分類されています。[94]一方、王立化学協会の周期表では、12の色分類のうち7つに非金属が含まれています。[95] [o]

周期表の右側から始めると、次の 3 種類の非金属が認識されます。

  不活性希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）[96]
  反応性ハロゲン非金属（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素）[97]および
  混合反応性の「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）。[q]ここでは便宜上、「分類されていない非金属」という説明的な語句を使用しています。

4 番目のセットの要素は、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[s] 半金属[115]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の分類を試みましたが、どれも満足のいくものではありませんでした。元素は金属と非金属に分類されましたが、すぐに両方の性質を持つものが見つかりました。これらは半金属と呼ばれました。しかし、以前は一つの区分しかなかったものを二つの曖昧な区分に分けたことで、混乱は増すばかりでした。[116]

ホワイトフォード＆コフィン 1939年、『大学化学のエッセンシャルズ』

これらの種類の境界は明確ではありません。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」において見られる。[118]半金属を金属と非金属のどちらとも区別する者もいれば、非金属に分類する者もいる。[119]特定の半金属を金属に分類する者もいる（例えば、ヒ素やアンチモンは重金属との類似性から）。[120] [u]半金属は、比較的低い密度、高い電気陰性度、そして類似した化学的挙動を示す点で、一般的に「非金属」とみなされる元素に類似している。[115] [v]

希ガス

トングで逆さまに保持されたガラス管の中には、透明な氷のような栓が入っており、管の開口部から落ちる透明な滴から判断すると、ゆっくりと溶けている。
急速に溶けているアルゴン氷の小さな（長さ約2cm）片

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、そして放射性ラドンです。通常の周期表では、これらは右端の列に位置します。これらは化学反応性が極めて低いため、希ガスと呼ばれます。[96]

これらの元素は、無色、無臭、不燃性といった類似した性質を示す。希ガスは外殻電子殻が閉じているため、原子間引力が弱く、融点と沸点が非常に低い。[121]

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、あるいは負の電子親和力、そして高い～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、増加し続けており[122]、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、またはラドンとの結合によって形成される。[123]

ハロゲン非金属

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、電気陰性度を持ち、比較的強い酸化剤である。[124] 4つの元素はすべて、金属と主にイオン化合物を形成する傾向がある。 [125]これに対し、残りの非金属（酸素を除く）は、金属と主に共有結合化合物を形成する傾向がある。[w]

分類されていない非金属

小さなガラス瓶に、鈍い灰色の小さな凹型のボタンが詰まっている。セレンの破片は、茎のない小さなキノコのように見える。
セレンは光が当たると電気伝導率が約1,000倍になり、この特性は光センサーの用途に利用されている。[129]

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元素のように振舞う。[130]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。[131]塩化物（ NaCl、HCl参照）や硝酸塩（KNO 3、 HNO 3参照）などの化合物中でアルカリ金属と置換することができる。また、特定のアルカリ金属錯体[132] [133]中では非金属として置換することができる。[134]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[135]、あるいは孤立電子対にイオンとして結合することによって、この配置を得る。 [136]

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。一般的にハロゲンよりも反応性が低いため、[137]それらのほとんどは自然環境中に存在します。[138]それらの物理的および化学的特性は、総じて「中程度の非金属性」と表現できます。[139]分類されていない非金属は、金属と結合すると、格子間化合物または難溶性化合物を形成することがあります。[140]また、特に固体化合物においては、それらは自己結合する傾向があります。[141]さらに、これらの非金属間の周期表における対角線の関係は、半金属間の同様の関係を反映しています。[142]

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。

揮発性希ガス非金属元素は、宇宙元素合成により、その総量に基づく予想よりも大気中に豊富に存在しない。この差を説明するメカニズムは、惑星科学の重要な側面である。[148]キセノン元素は予想外に枯渇しており、地球の核における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が示唆されている。[149]

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つの非金属元素で構成されている。添付の表に示すように、地殻の約73%、生物量の93% 、水圏の96% 、そして大気圏の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安定した四面体構造を形成している。ここで、「酸素イオンとケイ素イオンを結びつける強力な結合は、地球の地殻をしっかりと繋ぎ止めるセメントのような役割を果たしている」[150] 。しかし、これらの元素が地球の総重量の50%未満を占めている。[147]

バイオマスにおいて、最初の4つの非金属元素（およびリン、硫黄、セレンもわずかに）が比較的豊富であるのは、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とされています。この2つの特性により、これらの元素は互いに、そして「他の元素と結合し、自己複製システムを構築するのに十分な分子スープを形成する」ことができます。[151]

抽出

23種類の非金属元素のうち9種類は気体、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。これには水素、窒素、酸素、硫黄、そしてほとんどの希ガスが含まれます。例えば、窒素と酸素は液体空気から分留によって抽出され[152]、硫黄は天然ガス中の硫化水素と酸素を反応させて水と硫黄を生成することによって抽出されます[153]。3種類の非金属は海水から抽出され、残りの非金属、そしてほぼすべての金属は固体鉱石の採掘によって抽出されます。[要出典]

非金属元素は次のような源から抽出されます。[138]

3 天然ガス成分から
水素（メタン）、ヘリウム、硫黄（硫化水素）
6 液化空気から
窒素、酸素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン
3 海水の塩水から
塩素、臭素、ヨウ素
12 固体鉱石から
ホウ素（ホウ酸塩）​​、炭素（天然黒鉛）、ケイ素（シリカ）、リン（リン酸塩）、ヨウ素（ヨウ素酸ナトリウム）、ラドン（ウラン鉱石の崩壊生成物）、フッ素（蛍石）、およびゲルマニウム、ヒ素、セレン、アンチモン、テルル（それらの硫化物から）。

用途

ラックに並んで置かれた、緑色の蓋が付いた7つの大きな赤い円筒
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シリンダー

非金属元素は、水からプラスチック、金属合金に至るまで、私たちの身の回りのほぼすべてのものに他の元素と結合して存在しています。元素自体にも特定の用途がありますが、あまり一般的ではありません。詳細は、各元素のページでご確認ください。例として、以下のものがあります。

  1. 水素は燃料電池に利用することができ、将来の低炭素水素経済の可能性に向けて研究されています。[154]
  2. 炭素は、ダイヤモンドジュエリーの装飾用途[155]からダイヤモンドの刃[156] 、固体潤滑剤としてのグラファイトまで、さまざまな用途に使用されています。[50]
  3. 液体窒素は冷却剤として広く使用されています。[157]
  4. 酸素は私たちが呼吸する空気の重要な成分です。（窒素も存在しますが、空気中からの利用は少なく、主に特定のバクテリアによって利用されています。[158] ）酸素ガスと液体は、溶接トーチや切断トーチの燃焼やロケット燃料の成分としても多用されています。[159]
  5. シリコンは最も広く使用されている半導体です。超高純度シリコンは絶縁体ですが、電子ドーパントを選択的に添加することで、電子の化学ポテンシャルを制御できる半導体として利用することができ、幅広い電子機器に利用されています。[160]
  6. 希ガスは、極低温冷却用の液体ヘリウム[ 161]や、水が使用できない敏感な電気機器の周囲で発生した火災を鎮圧するためのガス消火用のアルゴンなど、幅広い用途に使用されています。[162]
  7. ラドンは潜在的に危険な室内汚染物質である。[163]

分類学の歴史

背景

中世の化学哲学者は金属に焦点を当て、非金属鉱物を研究することはほとんどありませんでした。[164]

フランスの貴族で化学者のアントワーヌ・ラボアジエ（1743-1794）が、1789年に書いた『化学の素粒子論』[165]の英訳のページを添えて、酸素、水素、窒素の元素ガス（誤って軽元素と熱元素も含む）、硫黄、リン、炭素の非金属物質、塩化物、フッ化物、ホウ酸イオンを列挙している。

要素の種類別の編成

1700年代後半、フランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエは、画期的な著書『化学元素論』（Traité élémentaire de chimie）[166]の中で、最初の近代的な化学元素一覧を出版しました。ラボアジエが知っていた33元素は、気体、金属、酸化されて酸を形成する非金属、[167]土類元素（耐熱性酸化物）[168]の4つのグループに分類されました。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版が出版され、欧米における化学の理解を大きく前進させました。[169] ラボアジエの化学は「二元論的」でした。「塩」は「酸」と「塩基」の組み合わせであり、酸は酸素と金属の組み合わせ、塩基は酸素と非金属の組み合わせでした。この見解は、塩素やアンモニアなどの化学物質には酸素が含まれていないという証拠が増えているにもかかわらず、スウェーデンの化学者ベルセリウスによる、時には誤った主張が強く支持されたことによるところが大きい。[167] : 165 

1802年、「メタロイド（半金属）」という用語が、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。[170] 1811年、ベルセリウスは「メタロイド」[171]という用語をすべての非金属元素に用い、水溶液中で酸素と負に帯電したイオンを形成する能力に注目しました。[172] [173]これを踏まえ、1864年に出版された『メタロイドの手引き』は、すべての元素を金属とメタロイドに分類し、後者のグループには、現在非金属と呼ばれる元素も含まれていました。[174] 本書の書評によると、「メタロイド」という用語はまだ主要な権威者たちによって支持されていましたが、[  175]その適切性については疑問が残りました。ベルセリウスの用語は広く受け入れられましたが、[176]後に、直感に反する、 [173]誤用である、[177]あるいは無効であるといった批判にさらされました。 [178]ヒ素 のような元素を半金属元素と呼ぶという考えが検討された。[175]フランスでは、「半金属元素」という用語の使用は、1800年代に化学の教科書が出版された際にも継続された。この時期、化学カテゴリーとしての「金属」は酸素との親和性という単一の性質によって特徴付けられていたのに対し、「半金属元素」は博物学者のアプローチに類似した多くの特性の比較によって分類されていた。[179]

タイプの発展

石に刻まれたフランスの高貴な紳士の横顔
フランス、リヨンのグラン・オム・ド・ラ・マルティニエール記念碑 [フランス]にあるデュパスキエの胸像 (1793 ～ 1848 年) 。

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 [fr]は[180]、非金属の研究を支援す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。[181]

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。
有機原生生物—酸素、窒素、水素、炭素
硫黄系元素 - 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ます。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ます。塩化物は後にハロゲンと呼ばれるようになりました。[182]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りました。 [175]当時未知であった希ガスは、1800年代後半に発見され、独自の非金属グループとして認識されました。[183]​​ この分類法は、酸素親和力のような単一の特性ではなく、物質のあらゆる側面を考慮した「自然な分類」として注目されました。[184]酸素、窒素、水素、炭素をまとめてグループ化したため、当時の他の分類法とは大きく異なっていました。[185]

1828年と1859年、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、ケイ素に分類しました[186]。これは、メンデレーエフが1871年に発表した周期表の垂直グループ分けを予見するものでした。デュマの5つのグループ分けは、それぞれ現代の1族、17族、16族、15族、14族から 13族に相当します。

用語としての非金属

1866年には既に、非金属元素を「半金属」ではなく「非金属」という用語で表現する著者も現れ始めていた。[187] 1875年、ケムズヘッド[188]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を指摘した。彼は、「非金属」という用語が複合的な性質を持つにもかかわらず、より正確であり、広く受け入れられるようになったと指摘した。

構造、量子力学、バンド構造

初期の用語法は、観測可能なものに基づいた経験的な分類であった。20世紀に入ると、理解に大きな変化があった。最初は、さまざまな物質中で原子がどのように配置されているかを決定する方法、主にX線結晶構造解析によるものであった。早くも1784年にルネ・ジュスト・アユイは、結晶のすべての面が同じ形と大きさのブロックの単純な積み重ねパターンで記述できることを発見した（減少の法則）。[189]アユイの研究は、結晶が原子と分子の 規則的な3次元配列（ブラヴェ格子）であり、単一の単位胞が無限に繰り返されているという考えにつながり、物理結晶構造解析の初期における他の発展ももたらされた。 1912年にマックス・フォン・ラウエがX線が回折することを実証した後、[190]ウィリアム・ローレンス・ブラッグと彼の父ウィリアム・ヘンリー・ブラッグはかなり速やかに、それまで知られていなかった構造を解明することができた。[191] [192] [193]これを基に、単純な元素金属のほとんどが最密充填構造をとることが明らかになりました。これにより、1907年にヴィト・ヴォルテラによって最初に提唱された転位の概念[194]が受け入れられ、例えば1934年にG.I.テイラーによって金属の延性を説明するために用いられました[195]。

二つ目は量子力学の出現である。1924年、ルイ・ド・ブロイは博士論文『量子論の研究』[196]において、電子波理論を発表した。これは急速にエルヴィン・シュレーディンガーが 波動力学[197]と呼んだ理論の一部となり、現在ではシュレーディンガー方程式、波動力学、あるいは現代では量子力学と呼ばれることが多い。初期の数学を解くのは容易ではなかったが、ライナス・ポーリングの化学結合用語[198]や電子バンド構造の概念といったアイデアが急速に発展した。[160]

平衡状態における様々な物質の電子状態の充填図。ここで、高さはエネルギー、幅はリストされている物質において特定のエネルギーにおいて利用可能な状態密度である。色はフェルミ・ディラック分布に従う（黒：すべての状態が充填、 白：どの状態も充填されていない）。金属および半金属では、フェルミ準位 E F は少なくとも1つのバンド内に存在する。
絶縁体と半導体 では、フェルミ準位はバンドギャップ内にあります。しかし、半導体では、バンドはフェルミ準位に十分近いため、電子または正孔が熱的に存在することができます。「intrinsic」は、真性半導体を示します。
編集

ここから、非金属を「金属ではない」と定義する概念が生まれた。金属と非金属を記述する最初のアプローチは、電子が非局在化した（つまり空間的に広がった）バンド構造であった。非金属は、フェルミ準位における電子のエネルギー準位にギャップを持つ。[160] ：第8章と第19章 対照的に、金属はフェルミ準位に少なくとも1つの部分的に占有されたバンドを持つ。[160]半導体や絶縁体では、フェルミ準位に非局在化した状態は存在しない。例えば、アシュクロフトとマーミンを参照のこと。[160]（半金属は金属に似ていますが、バンド構造が少し複雑です。）これらの定義は、ネビル・フランシス・モット[ 199] ：257 が示唆しているように、金属は絶対零度で電気を伝導すると述べることと同等であり、他の温度での同等の定義は、ラルフ・シュトゥーデルの非金属化学[200]などの教科書や金属-絶縁体遷移に関する研究でもよく使用されています。[201] [202]

当初[203] [204]、このバンド構造の解釈は、図に示すようにバンドギャップ内のフェルミ準位を用いた単電子アプローチに基づいており、交換項と相関項の両方が重要となる多体問題の全体像、そしてスピン軌道相互作用などの相対論的効果は考慮されていませんでした。例えば、金の不動態は典型的には相対論的項と関連しています。[205]モットとルドルフ・パイエルスによる重要な追加点は、これらの項を無視できないという点でした。[206]例えば、酸化ニッケルは単電子アプローチを用いると金属になりますが、実際にはかなり大きなバンドギャップを持っています。[207] 2024年現在、多体項を考慮した密度汎関数理論に基づくアプローチがより一般的になっています。 [208] [209] 正確な計算は依然として課題ですが、現在では多くの場合、妥当な結果が得られています。[210] [211]

アラン・ヘリーズ・ウィルソンとモットの初期の定義は零温度を対象としていたが、これを微妙に解釈することは一般的である。ピーター・エドワーズら[212]や米澤芙美子[199] : 257–261 が論じているように、金属と非金属の両方が使用される温度を考慮することが重要である。米澤は、一般的な温度と状態（標準温度や標準気圧など）の両方について、一般的な定義を提供している。[ 199] : 260 

ある環境条件下で、ある物質が導電性を有し、かつその物質の電気伝導率の温度係数が正でない場合、その物質はその環境条件下で金属性である。これらの条件を満たさない物質は、その環境条件下で金属性ではない。

半導体の正確な意味については、少々注意が必要である。導電性の温度依存性の観点から、半導体はすべて絶縁体に分類される。純粋な形態は真性半導体である。ドーピングされると、導電性は温度とともに増加し続け[160]、実質的に高くなることがある。そのため、前述の導電性を用いた経験的分類には曖昧さが生じる。実際、通常は絶縁体と考えられている元素の中には、半導体として利用されているものもある。例えば、通常の条件下で固体である元素の中で最も大きなバンドギャップを持つダイヤモンド[213]は、多くの半導体用途に利用されている[214] [215] 。

金属と非金属のバンド構造の定義は、現在の材料研究で広く使用されており、絶縁体のホウ素[216]などの単体元素だけでなく、チタン酸ストロンチウム[217]などの化合物にも適用されます。初期の研究で金属と非金属に関連付けられていた外観や機械的性質などの特性は、現在では原子と電子の配置方法の結果であると理解されています。

選択したプロパティの比較

このセクションの2つの表は、5種類の元素（希ガス、ハロゲン系非金属元素、分類されていない非金属元素、半金属元素、そして比較のために金属元素）について、標準温度および圧力における最も安定した状態に基づいて、いくつかの特性を列挙しています。半金属元素の列を囲む破線は、これらの元素を別個の元素として扱う方法が、著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。

元素の種類別の物理的特性

物理的特性は、判定の容易さの順にリストされています。

元素の種類による化学的性質

化学的性質は、一般的な特徴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[133] ‡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

注記

  1. ^ 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、斜方晶系硫黄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。その他の非金属元素は、標準温度（STP）において1つの安定形態のみを有する。[ 5 ]
  2. ^ 高温高圧下では、非金属の数が問題となる場合があります。例えば、ゲルマニウムは融解すると半導体から金属導体へと変化し、その電気伝導性は液体水銀に匹敵します。[12]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。[13]
  3. ^ 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。[16]
  4. ^ 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示す。常温およびそれ以上の温度では、固体から直接昇華して紫色の蒸気となる。 [17]
  5. ^ 固体非金属の電気伝導率は、硫黄[21]の10 −18 S•cm −1からグラファイト[22]の3 × 10 4 、ヒ素[23]の3.9 × 10 4までの範囲です。マンガンの0.69 × 10 4から銀の63 × 10 4までの範囲です。[21]グラファイトとヒ素（どちらも半金属）の伝導率はマンガンを上回ります。
  6. ^ 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。アンチモンは24.3 W m −1 K −1、炭素は2000 W m −1 K −1です。 [21]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。炭素は3 × 10 4 W m −1 K −1です。[22]ヒ素は3.9 W m −1 K −1、アンチモンは2.3 W m −1 K −1です。[21]
  7. ^ 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、塩基と反応してギ酸（CO + OH − → HCOO −）を生成します。[63]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。[64]
  8. ^ フッ素からヨウ素への電気陰性度は、3.98 + 3.16 + 2.96 + 2.66 = 12.76/4 3.19 です。
  9. ^ 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表示されています。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。
  10. ^ 結果として、周期表には偶奇差が生じる（sブロックを除く）。偶数周期の元素は原子半径が小さく、電子を失う傾向が少ない。一方、奇数周期の元素（第1周期を除く）は逆の傾向を示す。pブロックの多くの特性は、族に沿って滑らかな傾向ではなく、ジグザグな傾向を示す。例えば、第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に留まりやすい。[78]
  11. ^ 酸化状態は、分子やイオン中の原子の実際の正味電荷を反映するものではなく、結合の数を表す価数を表します。例えば、炭素の価数は一般的に+4ですが、これは3つの結合を形成することを意味するだけです。フッ素などの電気陰性度の高い元素は、一般的に負の価数と関連付けられていますが、電気陽性の元素は正の価数と関連付けられています。
  12. ^ グリーンウッド[84]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（結合に利用可能な軌道よりも電子の数が少ない）は、メタロボラン化学の発展において実りある一貫した概念であった。実際、金属は「名誉ホウ素原子」あるいは「フレキシホウ素原子」とさえ呼ばれてきた。この関係の逆もまた同様に成り立つことは明らかである。」
  13. ^ 例えば、グラファイトの導電率は3 × 10 4 S•cm −1である。[85]一方、マンガンの導電率は6.9 × 10 3 S•cm −1である。[86]
  14. ^ ホモ多原子陽イオンは、同じ元素の2つ以上の原子が結合して正電荷を帯びた構造をしています。例えば、N 5 +、O 2 +、Cl 4 +などです。これは非金属では珍しい挙動です。なぜなら、陽イオン形成は通常金属と関連付けられ、非金属では陰イオン形成と関連付けられるからです。ホモ多原子陽イオンは、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。[88]
  15. ^ 王立協会周期表の12のカテゴリーのうち、5つは金属フィルターでのみ、3つは非金属フィルターでのみ、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で表示されます。その他の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）は、その分類が不明ですが、両方のフィルターで表示されますが、12の色のカテゴリーのいずれにも含まれていません。
  16. ^ 引用符はソース内には見当たりませんが、ここでは、非金属という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を表す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。
  17. ^ これらの非金属の様々な構成は、例えば、塩基性非金属、[98]生体元素、[99]中心非金属、[100] CHNOPS、[101]必須元素、[102]「非金属」、[103] [p]孤児非金属、[104]または酸化還元非金属と呼ばれています。[105]
  18. ^ 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、表面に黒色の被膜が形成される。「ヒ素は水、アルカリ溶液、非酸化性酸によって容易に侵されない」[110] 。自然界では、ヒ素が未結合の状態で稀に存在することがある。[111]ヒ素の標準還元電位は正（As → As 3+ + 3e = +0.30 V）で、半貴金属に分類される。[112]
  19. ^ 「結晶性ホウ素は比較的不活性である。」[106]シリコンは「一般的に非常に反応性が低い。」[107]「ゲルマニウムは比較的不活性な半金属である。 」[ 108]「純粋なヒ素も比較的不活性である。」[109] [r]「金属アンチモンは…室温で不活性である。」[113] 「 SやSeと比較して、Teは比較的化学反応性が低い。」[114]
  20. ^ 分類体系では境界の曖昧さと重複がしばし​​ば生じる。[117]
  21. ^ ジョーンズはこれらの問題に対して哲学的あるいは実際的な見解を示している。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おいて不可欠な要素ではあるが、その境界には常に難題がつきものだ。クラスの境界はめったに明確で はない。（中略）科学者は難題に悩まされるべきではない。分類システムが記述の簡潔さ、知識の構造化、そして私たちの理解に有益であり、難題が少数派である限り、それを維持すべきである。もしそのシステムが有用でなくなったら、それを廃止し、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。」[117]
  22. ^ 金属、半金属、非金属の特性に関する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。
  23. ^ 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。[126]一方、高酸化状態にある金属の酸化物は、多くの場合、ポリマー状または共有結合状である。[127]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。[128]
  24. ^ 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、[227] [228]およびカーボンナノチューブワイヤとして、[229]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、[47]硫黄は可塑性硫黄として、[48]セレンはセレンワイヤとして。[49]
  25. ^ 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。[231]
  26. ^ 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 × 10⁻ [ 232]
  27. ^ 分類されていない非金属の電気伝導率は約 10 から 20 です。1 × 10 −18  S•cm −1の元素ガスの場合3 × 10 4グラファイト[85]
  28. ^ ハロゲン非金属の電気伝導率はおよそ 0.1～0.5 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。[85] [233]
  29. ^ 元素ガスの電気伝導率は約 10 % です。1 × 10 −18  S•cm −1 . [85]
  30. ^ 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与える。」[218]
  31. ^ 三酸化ヒ素は三酸化硫黄と反応して、硫酸ヒ素As 2 (SO 4 ) 3を生成する。[241]この物質はイオン結合性ではなく共有結合性である。[242]また、As 2 O 3 ·3SO 3とも表記される。[243]
  32. ^ いいえ
    2    、N
    2    お
    5    、それで
    3    、SeO
    3    強酸性である。[244]
  33. ^ H 2 O、CO、NO、N 2 Oは中性酸化物である。COとN 2 Oはそれぞれ正式には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。[245]
  34. ^ ClO
    2    、Cl
    2    お
    7    、私
    2    お
    5    強酸性である。[246]
  35. ^ 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。[249]
  36. ^ 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。[249] CO2は40GPaでガラスを形成する。[251]
  37. ^ 二ナトリウムヘリド（Na 2 He）は、ヘリウムとナトリウムの化合物で、113 GPa以上の高圧下でも安定です。アルゴンは140 GPa、1,500 K付近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。[259]
  38. ^ 希ガスの値はRahm、Zeng、Hoffmannによるものです。[260]

参考文献

引用

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