この変態を工学に応用する例には、原子力発電所で利用するウラン処理がある。ウランは発電において鍛造や圧延加工を施し棒状に成形されるが、これには集合組織が形成されるため何度も加熱するうちに熱膨張を起こして数倍に伸びる。変態させた上で急冷し、集合組織を除去する。ふるまいによって、金属の熱伝導率と電気伝導率は高くなり、しかも比例する(ヴィーデマン=フランツ則)。金属は温度が下がると電気伝導性が上がり、逆に温度が上がると伝導性は減少する[6]。これは温度の上昇に伴って伝導電子がより散乱されるためである[10]。この性質から、絶対零度に向けて金属の電気抵抗はゼロになることを検証する過程で、超伝導が1911年にヘイケ・カメルリング・オネスによって発見された。超伝導となる温度(臨界温度、Tc)は金属によって異なり、例えばニオブは9.22K、アルミニウムは1.20Kとなる[10]。金属が酸素と結びつく酸化反応には、激しく起こるものと緩やかに進行するものがある。金属粉が酸化する場合、急な発熱や閃光を伴うことがあり、爆発事故に繋がる場合がある。この現象を逆利用したものがアルミニウム粉末を用いた溶接の手段であるテルミット法や、マグネシウムを利用する写真用フラッシュなどである[15]。貴金属など一部を除き金属は本来、酸化や硫化された状態が安定している。工業利用では還元反応を用いて化合物を取り除いているが、自然な状態に置いた金属は再び酸素や硫黄などと結びつこうとする性格を持ち、錆や脆化が発生する。これらや、酸による反応などは一般に腐食と呼ばれる。うち酸などが金属の表面を侵した段階で、この部分が酸化皮膜化してそれ以上の腐食が起こらなくなる現象がある。鉄を希硝酸に漬けると溶解するが、硝酸濃度を上げ40%を超えると溶解速度は遅くなり始め、65%以上では溶解しなくなる。これは、鉄の表面に数10Å厚の不溶性である酸化鉄(II,III)が生成されるためである。このような状態となった金属を不動態と言う[15]。塑性がある金属でも、過大な力が掛かれば破壊する。引張破壊を例にすると「脆性破壊」と「延性破壊」に分かれる。ぜい性破壊は亀裂を起因とするもので破壊箇所に塑性変形が見られず、金属の結晶面に沿って破壊が始まり、劈開(ヘキカイ)破面と呼ばれる断面が2km/秒という瞬時に金属に走って断裂する。これは部品設計上の問題が大きい。延性破壊は荷重のため金属が延伸し、その限界に達したところで断裂を起こす。そのため、破断部分に伸び細った様子が見られ、破断面にはディンプルと呼ばれる小さなくぼみが多数観察される。このような破壊に対し、破断面を観察し研究する分野はフラクトグラフィ(破面学)と呼ばれる[15]。一方で、破壊を引き起こさない程度の力が繰り返し同じ箇所に掛かるような時にも破壊が起こる。これは「金属疲労」もしくは単に「疲労」と呼ばれる[15]。金:非鉄金属(貴金属。レアメタルには含まれない。結晶を持ち、比重では重金属の範疇に入る。金属の分類にはいくつかの方法がある[6][19]。典型金属:(アルカリ金属:Li、Na、K、Rb、Cs。アルカリ土類金属:Ca、Sr、Ba、Ra。)マグネシウム族元素:Be、Mg、Zn、Cd、Hgアルミニウム族元素:Al、Ga、In希土類元素:Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Euスズ族元素:Ti、Zr、Sn、Hf、Pb、Th鉄族元素:Fe、Co、Ni土酸元素:V、Nb、Taクロム族元素:Cr、Mo、W、Uマンガン族元素:Mn、Re貴金属(銅族、貨幣金属[20]):Cu、Ag、Au白金族元素:Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt。天然放射性元素:UおよびThを母体とする放射能壊変産物。金属を比重で分類する場合は、比重5を基準に下回るものを軽金属、上回るものを重金属と一般に呼ぶ。これはあまり厳密な定義ではなく、基準を比重4とする場合[23]もある[19]。貴金属と卑金属の分類にはさまざまな考え方がある。metals)を判断に加える概念[25]もある。貴金属は財貨となり、硬貨や貨幣経済を裏打ちする金本位制の基礎など、世界経済を支える役割を担った[26]。したビスマスの結晶ほとんどの金属が持つ金属光沢は灰白色であるが、一部に、比較的はっきりした色相を有する金属がある[6][27]。純金属では金や銅、合金では黄銅、丹銅などがある。化学反応を起こした場合、これらの化合物の色や、酸化発色などの構造色[28]によって変色することもある。レアメタル金属を汎用金属(コモンメタル、ベースメタル)と希少金属(レアメタル)に分ける分類もある。レアメタルの基準は以下の1-4のどれか一項目を満たし、かつ5番目の条件にあてはまるものを言う[29]。存在する量が少ない鉱床を作らず、広く薄く分布している鉱床を作っても、特定の国や地域に限定されている鉱物から取り出したり精製したりすることが難しい現代の産業に欠かせない素材であるレアメタルは、典型元素15種類+希土類以外の遷移元素15種類+希土類金属(レアアースメタル)17種類の合計47種類があり、この中には半金属のホウ素、セレン、テルルも含まれる。これらレアメタルはクラーク数の少なさとは必ずしも一致せず、例えば銅は、地殻に含まれる量は少ないが古来青銅器が作られたように鉱石が発掘しやすく精錬も容易だった[29]。コモンメタルの定義は、「レアメタル以外の金属」「歴史的に文明を支えた鉄、銅、亜鉛、スズ、水銀、鉛、アルミニウム、金、銀の8種類」など複数ある[29]。以上のように「レア」と「コモン」の差は物質の絶対量ではなく、人類がいかに容易に調達できるか、需給バランスのギャップという点が強い。そのため、精錬技術の向上など製造プロセス革新によってレアメタルに分類される金属がコモンメタル化される可能性があり[30]、その例としてチタンがコモンメタル化されつつある[31]。単一の金属を「純金属」という[6]のに対し、複数の金属の化合物を「合金」という。合金は単体の金属が持たない性質を持つことがあり、工業用材料として用いられる金属は多くが合金である[15]。鉄を基礎とする合金(鉄基合金)は鉄鋼と呼ばれ、その潤沢な生産性を背景に様々な分野で活躍している。二元系が平衡状態にある物質と定義できる。プラントや工作機械類、ばね、工具、金型など多岐にわたる[32][33]。鉄鋼はさらに別の金属を加えた改良が施され、クロムを加えて耐食性を付与した不銹鋼(ステンレス鋼)は100種類以上、優れた磁性を持つ磁石鋼、膨張など温度による影響を排除した不変鋼(インバー、バイメタルなど)、その他にも工具鋼や耐熱鋼、快削鋼など、多様な合金が上市されている[33]。本来は結晶相を持つ金属が、ある種の合金では規則的な格子を作らずガラスのように非晶性となることがあり、これはアモルファス金属と呼ばれる。1960年、金-シリコン合金で発見されたこの性質は、他に鉄系、アルミニウム系、コバルト系、ニッケル系、マグネシウム系などが知られる[6]。アモルファス金属は、強い磁性に機械的強度や耐食性に優れ、温度変化による熱膨張や剛性低下の係数が低い。中には、特殊な機能を持つ種類がある。ずれを利用する制振合金などがある[19]。水銀や高価なセシウムに替わる低融点の合金も研究されており、かつて開発されたウッドメタルの毒性を改良したガリンスタンなども提案されている[34]。今後は、レアメタルの用途を代替する合金の開発などが求められている[29]。ケイ酸塩、ヒ化物といった化合物となっている。これらから他の元素を排除して利用に耐えうる金属を取り出す手法を精錬、冶金と言う。その方法は加熱して行う乾式精錬法(乾式冶金法)と、電気分解(電解精錬)や溶液内で抽出する湿式精錬法(湿式冶金法)があり、これらは金属と他の元素間に働く結合力(親和力)などから選ばれる[6]。金属利用範囲の拡大に伴って高純度の金属が求められるようになり、これらに対応する精錬法も開発されている。ゾーンメルト法(帯域溶融法)は、溶融させた不純物を含む金属を徐々に冷やし、偏析を利用して純度を高める[6]。金属を工業材料として用いるには、まず溶融させて鋳型に流し込む鋳造から始まる。青銅器時代から用いられたこの金属加工法で作られた鋳物は、そのままでは粗く、不純物の遍在や鋳巣などがあり強度が低い。これらは金属部品の要求性能が高まるにつれ、塑性加工技術の進展や用いられる合金の改良などが施された。鉄では1947年に球状黒鉛鋳鉄、アルミニウム合金では1920年にシルミンの改良法が発案され、溶湯(ようとう、溶融状態の金属)処理法での強度改良に大きく寄与した[35]。製法も、砂型、金型、ダイカスト、精密鋳造など多種の手段が用いられるようになった。効率向上においては、連続鋳造法の基礎が1933年に発案され、1950年代にプロセス改良を経て実用的な技術として確立された[35]。弾性限界を超える外的な力を与え、永久ひずみを起こして望む形状や寸法に加工することを塑性加工と言う。これには、加熱した状態で行う「熱間加工」と常温で行う「冷間加工」に分類され、前者は再結晶が伴い、後者は常温で再結晶する一部の金属を除いて再結晶化が起こらない[36]。塑性加工の手法には、圧延、引抜き、押出し、鍛造、深絞り、打抜きなどがあり、このような変形加工を通じて金属の不均一や粗い結晶粒の微細化が起こり、強靭さが増す。「焼入れ」も大きな影響を与える。これは、加熱した金属を急冷却させる工程で、変態を起こさせる暇を与えず水や油に投入して温度を下げ、高温時の結晶状態を維持する手段である。焼入れのみではもろいため、「焼き戻し」という再加熱が対で行われる。この2工程を合わせて調質という[6]。鍛鉄や、金属を何度も折り曲げるなど外部から繰り返して力を加えると、金属は硬くなる。1]、これがやがて点欠陥に固着し、金属全体が動きにくくなる現象である[6]。人体は、カルシウムを含む6つの多量元素、ナトリウム、カリウム、マグネシウムを含む5つの少量元素で99.4%を構成されている。生命活動や酵素の活性などに使われている[37]。このような金属をつくる元素は宇宙の誕生とともに生成された訳ではない。ビッグバンが起こった後、当初宇宙に満ちていた元素は水素とヘリウムだけだったと考えられる。これが重力によって集まり、産まれた恒星の中でより重い元素は核融合を起こし生成された。太陽程度の星では酸素までであり、より重い質量の恒星でも内部で生成される元素は鉄までに止まる。地球が鉄よりも重い金属元素を含み、それらを生物が生命活動に、そして人類がエネルギーとして放射性元素を利用していることは、すなわち太陽系、人類を含む生命を構成し活動を支える物質はかつて爆発し散らばった星のカケラが再集結したものであることを示し、金属の存在はそれを証明している。このことを指し、人類を始め地球生命は「星の子」[38]とも評される[39]。文明が金属を使用した太古の例では、イラクで出土した紀元前9500年頃の銅製ペンダントが見つかっている[40]。この初期段階で利用された他の金属は、金や銀など酸素と結合しにくい貴金属に限られ、その絶対量も希少だった[40]。酸化物から金属を得る製錬技術は、世界四大文明が生まれ、人類が数百°C以上の熱源を制御する手段を得て初めて可能となった。紀元前2000頃のエジプトの壁画には足踏みふいごと鋳型が登場する。銅-砒素および銅-錫合金が発明され、融点を940°Cまで下げながら約3倍の強度を持つ青銅が古代中国の殷王朝や地中海のミケーネ文明、ミノア文明および中東などを例に金属器が広く製造、使用されるようになり、青銅器時代が到来した[40]。地球上に豊富にある鉄は酸化された状態にあり、最古の利用例と言われるエジプトやメソポタミアで発見された紀元前5000-3000年前の鉄製品は、隕鉄を叩いて[42]製造されている。酸化鉄を加熱し還元反応を経る精錬は、諸説あるが[42]紀元前1650年頃のヒッタイトで始められ、彼らが持つ鉄製の武具は高い軍事力の裏打ちとなった。製鉄技術は約200年以上秘匿されてきたが、紀元前1200年頃に「海の民」にヒッタイトが滅ぼされると、製鉄技術の広範な伝播が始まった。ヒッタイト秘術の真髄は、鉄の精錬そのものではなく炭素を含ませ鋼をつくる技術にあったと思われている[40]。金属精錬技術の普及とともに、金属は武器だけでなく農耕器具や生活用品にも広く用いられ、また貴金属類も装飾品などに使われている[43]。金属の磁性は方位磁石から羅針盤へと発展し航海技術発展に寄与した[40]。産業革命を迎えると採掘や精錬技術が進み、またドミトリ・メンデレーエフの周期表発表前後は新たな金属が続々と発見された。19世紀以降には様々な化学実験や原子論など考察が金属にも加えられ、原子の構造が順次明らかとなった。20世紀には量子論など金属への根本理解がさらに深まり、さまざまな用途展開が行われている[40]。一部の金属は人体に強い毒性を持ち、必須、微量元素に当たる金属の中には過剰摂取で中毒症状を起こすものもある。公害の原因となったカドミウム(イタイイタイ病)、水銀(水俣病)や、グレアム・ヤング事件で使われたタリウムなどが知られる。江上不二夫は、このような元素類は海水中に含まれる濃度が低い点を指摘し、人類に繋がる生物が海中で発生した際に接触する機会がほとんど無く、進化の過程で解毒機構を獲得しなかったものと考察している[44][37]。2006年に起こったアレクサンドル・リトビネンコ暗殺事件で被害者の体内から検出された放射性元素のポロニウムは、純度50%での致死量は100万分の1グラムと言われる。ポロニウムは自然界に存在せず、原子炉で人為的にしか製造されない[37]。金属が生体に接触してアレルギー反応を示すことがあり、これは金属アレルギーと呼ばれIV型(遅延型)に分類される。おはなし』日本規格協会、2008年(初刷2006年)、第一版第四刷。最前線』講談社、2009年、第一刷。978-4-06-257643-7。齋藤勝裕『金属のふしぎ』ソフトバンククリエイティブ、2009年(初版2008年)、第一版第二刷。978-4-7973-4792-0。この箇所について『金属材料の最前線』は、「銅は鉱石中で酸化物として存在(p24)」と述べ、異なる見解を示している。同書は、ヨーロッパのアルプス氷河から発見された紀元前3300年頃の男性ミイラが持っていたハンマーに純銅の刃がついていたことを「謎(p24)」と表現している。2版では、このメカニズムはまだはっきりと解明されていないと述べられている。4-00-080113-9。4-00-080113-9。4-00-080015-9。4-00-080113-9。4-00-080113-9。4-00-080015-9。2010年4月17日閲覧。4-00-080113-9。2-1-1新宿マインズタワー、2010年、56-57頁。978-4-315-51876-4。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。“金属の硬さを知りたいのですが、どのような方法があるのか教えてくさだい。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。4-00-080113-9。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。1989年、第一刷、450,1631。4-06-121057-2。2011年11月24日閲覧。2011年11月24日閲覧。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。二間瀬敏史『ここまでわかった宇宙の謎』講談社、2002年(初版1999年)、第十五刷、91-100頁。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。ET探査』朝日文庫、1994年、第一刷、129-131頁。4-02-260798-X。2010年4月17日閲覧。2010年4月17日閲覧。脚注2本脚注は、出典書籍内で提示されている「出典」を示しています。井口洋夫『金属の話』(培風館)/東北大学p.172関連項目ウィキメディア・コモンズには、金属に関連するメディアがあります。ウィクショナリーに関連の辞書項目があります。