1

1章

元素と周期律―原子から分子，そして分子集合体へ―

我々の生活を支えている物質は，周期表の 110 種あまりの元素が化学結合によって分子を形成し，さらに固体や液体に凝集することで多彩で有用な性質を生み出している．そのため，新たな物質を開発し，探究するには，元素と化学結合の理解が重要になる．本章では，本書の物質観の序説として，元素の概念の確立と周期律の発見，自然探究による物質開発の手法，化学結合と元素の組合せによる多彩な物質の出現について，歴史的な流れや具体例を示して概説する．

1・1 元 素 の 発 見
今からおよそ 350 万年前に誕生した人類は，石を道具として使い，自然の中で採集や狩猟をする生態系の一員として生活をしていた．そして，およそ 1 万〜 1 万 5 千年前に農耕と牧畜を行う新石器時代が訪れ，さらに銅，青銅，鉄を道具として加工する，より進んだ文明が生まれた．紀元前 5000 〜 3000 年には，
エジプト文明，メソポタミア文明，インダス文明，長江・黄河文明の四大文明が誕生した．それからおよそ 7000 年，人類は工夫を重ね，自然から得られるものを加工するだけではなく，自然界には存在しない物質を作り出すことで高度な文明を築き上げた．
このように，人類の文明は，どのような材質の道具を利用していたかに基づいて考察することができる．現代においても，我々の身の回りには，金属，石，木材，ガラス，セラミックス，プラスチックなどの様々な素材の道具があり，半導体素子，液晶表示素子など，原子，分子レベルで有用な機能を発現するものも多く用いられている．
では，これらの道具の素材となっている物質は何からできているのであろう
か?

この問いに対して，我々は，｢すべての物質は原子を基本単位として構成されている｣ と答えることができる．しかし，原子と分子の考え方が理解されたのは 18 世紀から 19 世紀にかけてであり，原子の構造が理解されたのは 20

21章

元素と周期律 ―原子から分子，そして分子集合体へ―

世紀に入ってからである．ボーアの原子模型が発表されたのは今から 100 年前の 1913 年であった (2 章参照)．
このような物質の理解は，近代科学の発展と共になされたものである．このことは，図 1・1 の元素の発見の歴史からも見てとれる．人類が化学的手法 (蒸図 1・1

元素発見の年譜

1・2

元素と周期律3

留, 還元, 電解, 抽出, イオン交換法など) を用いる前から知られていた元素は，炭素, 硫黄, 鉄, 銅, 銀, スズ, 金, 水銀, 鉛, 亜鉛, ヒ素, アンチモン, ビスマスの 13
種類であった．その他の元素は，科学の発展と共に，1669 年のリン P を皮切りに，1735 年にコバルト Co が見出され，その後，次々と新たな元素が単離精製されたのである．その間に，トリウム Th に同じ化学的性質を持つ異なる原子(イオニウムと呼ばれていた) が存在することが 1906 年に見出され，1913 年に同位体の概念がソディ (F. Soddy，英) によって提唱された．そして，中性子の発見 (1932 年，p. 36) によって同位体の存在が明らかになり，それらを同じ原
子番号でまとめて，化学的性質が同じでありながらも質量数の異なる原子
位体

同を同じ元素 (chemical element) として扱うことができるようになった．

このように原子の理解が進むことによって，地球に天然に存在する元素は，原
子番号 92 のウラン U までの元素のうち，原子番号 43 のテクネチウム Tc と61 のプロメチウム Pm を除いた 90 種であることも明らかになったのである 1)．
現在までに発見された元素は，原子番号 116 までの元素から 113 と 115 を除いた 114 種で，原子番号 93 ネプツニウム Np 以降は人工元素である．このように，図 1・1 に示した元素発見の歴史は，科学の発展の歴史を示すものである．

1・2 元 素 と 周 期 律
前節で述べたように，18 世紀から自然界の元素の発見，単離が進められた結果，19 世紀半ばには 60 種類あまりの元素について，その化学的・物理的性質を相互に比較できるようになった．そして，元素を性質に基づいて分類することが試みられたが，1860 年頃までは，いずれの試みも成功しなかった (4 章参照)．
その理由は，原子量と分子量の相違が明確に理解されておらず，元素の原子量自体も正しく測定されていなかったためである．それが，1858 年カニッツァー
ロ (S. Cannizzaro，伊) が，アボガドロ (A. Avogadro，伊) の分子仮説 (1811)に基づいた原子量決定法に関する論文を発表し，1860 年の国際化学会議におい1)

Tc はサイクロトロンを用いた実験で生成し (1937 年，p. 259)，Pm は核分裂生成物から分離された (1947 年，p. 272)．

4

1章

元素と周期律 ―原子から分子，そして分子集合体へ―て，原子量と分子量を区別することの重要性を強く主張した．この結果，原子量と分子量が統一的に使い分けられ，元素に正しい原子量を与えることができるようになった．
カニッツァーロによる原子量に基づいて，60 種類あまりの元素を順番に並べ
ると，性質の類似した元素が周期的に現れることが，1862 年ド・シャンクルト
ア (de Chancourtois, 仏)，1864 年ニューランズ (J. A. Newlands, 英)，1868 年マイヤー (J. L. Meyer, 独) によって見出され，それまで漠然と集約されていた元素を組織的に扱うことができることが示された．そして，1869 年メンデレーエ
フ (D. I. Mendeleev, 露) が 62 種類の元素をその性質によって分類した表を提案した (p. 113, 表 4・2)．これが現在の周期表の原型であり，基本的な構成は現在の表とほぼ同一の，極めて先見性に富んだものであった．さらにメンデレー
エフは，未知の元素の存在を正確に予測し，表に空欄を設けていた．そのため，
メンデレーエフの周期表は，
新元素探索の手がかりになったのである．その後，空欄は Ga, Sc, Ge, Tc, Po, Re によって埋められ，希ガスとランタノイド元素が発見され，さらに原子量から原子番号の順に並べ換えられ，現在のような周期表になった．
現在の周期表 (図 1・2) は，110 種あまりの元素を 18 族 (group) × 7 周期
(period) に配列したものである．周期表における元素の周期・族と電子配置の関係を表 1・1 から見てみよう．
各元素の電子配置は，エネルギー準位の低い軌道 1 s から 2 s, 2 p, …と順に満ちていく (p. 71)．これを周期表に対応させると，第 1 周期は，1 s 軌道に電子の入る  H と  He であるが，第 2 〜 7 = n 周期は，いずれも 1 族の n s 軌道に電子の入る s-ブロック元素から始まり，13 族から n p 軌道に電子の入る p-ブ

表 1・1
周期

1

2

3

周期と原子軌道の関係
4

5

6

7

原子軌道 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3 d 4 p 5 s 4 d 5 p 6 s 4 f 5 d 6 p 7 s 5 f 6 d 7 p
元素の数

2

2

6

2

6

2

10

6

2

10

6

2

14 10

6

2

14 10

6

図 1・2元素の周期表1・2
元素と周期律5

6

1章

元素と周期律 ―原子から分子，そして分子集合体へ―

ロック元素となり 18 族元素で終わる．さらに，第 4 〜 7 周期には，s-ブロック
元素と p-ブロック元素の間に，内殻の n − 1 d 軌道と n − 2 f 軌道に電子が満ちていく d-ブロック元素と f-ブロック元素が加わる．このように元素を
原子番号順に並べると，電子配置は周期的に変っている．元素の化学的・物理的性質は最外殻の電子配置に強く依存しているので，｢元素の性質は原子番号と共に周期的に変化する｣ という法則

元素の周期律が成り立つ．この周期律を示したものが周期表である．
元素の性質は，電子配置と周期表の縦の列である族に対応するので，周期表は典型元素と遷移元素に分けることができる (図 1・2)．典型元素は，1, 2 族(ns  と ns  の電子配置) の s-ブロック元素，12 族  n − 1 d  ns  の d-ブ
ロック元素および，13 〜 18 族 np  〜 np  の p-ブロック元素で構成される．
遷移元素は，第 4 周期以降の 3 〜 11 族の nd  〜 nd  の電子配置を持つ d-ブ
ロック元素と，第 6, 7 周期に現れる nf  〜 nf  の電子配置を持つ f-ブロック元
素 (ランタノイド系列・アクチノイド系列) である．
典型元素は，前述のように周期表の族ごとに同じ最外殻電子の配置を持った元素が配列するので，同じ族の元素の性質が著しく類似しており，アルカリ金属，ハロゲンなどの名称が与えられている．一方，遷移元素の最外殻電子は，いずれも基本的に ns  であり，族ごとには大差がないため，横方向に並んだ元素の物性は極めて類似している．
93 番 Np 以降の元素は，原子炉中の核反応や，サイクロトロン，重イオン線形加速器などを用いて人工的に合成されたものであり，超ウラン元素と呼ばれる．104 番以降は超重元素と呼ばれ，原子番号のより大きな元素を合成する実験が続けられており，これからも新しい元素は増えることになる 1)．つまり，
周期表はいまだに完成しておらず，成長を続けているのである 2)(脚注次頁)．
周期表は，新たな物質を開発し，探究する出発点であり，物質に関する多く
1) 超重元素は半減期が短く，生成量も極めて少ないため化学的な性質を調べることは容易ではないが，生成した数原子を用いた実験が行われている． Rf ,  Db,  Sg,  Bh,
 Hs,  Cn は，周期表の同じ族の上の元素に近い化学的性質を示すと報告されている．

1・3

元素から物質へ

7の指針を与えるÕ羅針盤Øである．物質を学び，研究する者，特に化学に関わる者にとって，なくてはならない表になっている．

1・3 元素から物質へ−自然を探究し，自然から学び，そして超える−
すべての物質は，周期表の 110 種類あまりの元素を組み合せることによってできている．では，物質はいくつあるのだろうか ?

図 1・3 は，米国化学会のChemical Abstracts Service (CAS) に登録された物質の数を年に対してグラフ化したものである．登録の始まった 1965 年には 21 万種類であったものが，2000 年に 2000 万種類を超え，2012 年には約 1 億 3462 万種類に達している 3)．
いかに膨大な数の物質が開発され，研究されているかわかるであろう．これらの物質には，人類による科学技術の発展と物質探究の努力の結果，合成され，作り出された物質の他に，生体を維持するためのタンパク質や，遺伝情報であるゲノムの塩基配列，地殻や地表などの天然に存在する物質，さらに星間分子のような地球外の物質も含めて自然界の物質が含まれている．
物質を探究する化学の目標は，我々の生存に役に立ち，生活を豊かにする分子・物質を開発することにあるが，新たに物質を探索しようとするときには何を指針にすればよいのであろうか ?
その一つは，自然の中にある物質を探究し，自然に学び，新たな物質を開発することであろう．18 世紀に近代化学の基礎が確立されるまでの 1000 年以上にわたって行われた錬金術は，卑金属から貴金属を作り出そうとするもので
2) 原子番号 113 Uut，115 Uup，117 Uus，118 Uuo の元素については，生成が報告され，追試が行われている．国際純正・応用化学連合 (IUPAC) と国際純粋・応用物理学連合 (IUPAP) の共同ワーキンググループが新元素として認定すると，元素名と元素記号が決まる．それまでは，Uut 等の数を表す記号で表記されている．
113 番元素 (Uut) は，2004 年，日本の理化学研究所から，加速器を用いた亜鉛  Zn とビ
スマス  Bi の原子核の核融合によって生成したと報告されている．
3) 物質の内訳は有機・無機物質 (7036 万種類) と核酸の塩基配列 (6426 万種類) である．
米国化学会 (American Chemical Society) の情報部門である Chemical Abstracts Service(CAS) は，世界中の科学文献から化学物質情報を収集し，個別番号をつけて体系化し，
日々データを更新している．1965 年に 1957 年以降の文献からの収集が始まり，1984 年
以降，1907 年まで遡って物質が追加され，その数は 1984 〜 1990 年に加算されている．

143

5章

元

素 ― 歴史，分布，物性 ―

周期表には，これまでに確認された 110 種余りの元素が 18 族，7 周期に収められている．本章では，元素を周期表に従って分類し，その発見の歴史，元素記号と名称の由来，分布，化学的・物理的性質，用途の各論を述べる．はじめに，典型元素を族ごとに 1 族から順に解説する．次に遷移元素について，主遷移元素(第 1 〜 3 系列) と内遷移元素 (ランタノイド系列，アクチノイド系列) の分類と特徴を述べ，それぞれに属する元素の各論を解説する．最後に，104 番以降の新
元素

人工元素

開発の現状について述べる．

5・1 典 型 元 素
a．1 族元素 ―アルカリ金属元素 3 Li, 11 Na, 19 K, 37 Rb, 55 Cs, 87 Fr ―化学実験室でÕナトリウムØと書いてある瓶を眺めてみよう (図 5・1)．この
写真からもわかるように，必ず液体が満たされており 1)，その中には，金属とは思えない灰白色の塊が入っている．これをピンセットで取り出しナイフで切断すると，塊は軟らかく，銀白色のきれいな金属光沢の面が露出する．塊の表面は，水や二酸化炭素と反応した水酸化物や炭酸塩で覆われていたのである．これは，ナトリウムは反応性が極めて強く，表面で反応が起るためであり，空気中では銀白色の切断面も直ちに酸化されて，再び光沢を失い灰白色の被膜に覆われてしまう．カリウム (K) は，ナトリムよ
図 5・1
1)

金属ナトリウム

りやや硬く，反応性は強いが，類似の特パラフィンや石油にアルカリ金属 (Na, K) を浸しておくと，空気や水分がアルカリ金属と接するのを防止できる．

Li Na K Rb Cs Fr
144

5章
表 5・1

元

素 ― 歴史，分布，物性 ―アルカリ金属と希ガス元素の電子配置
電

子

配

置

元素

原子
番号

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 7s

He
Li
Ne
Na
Ar
K
Kr
Rb
Xe
Cs
Rn
Fr

2
3
10
11
18
19
36
37
54
55
86
87

2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2


2
2
2
2
2
2
2
2
2
2

6
6
6
6
6
6
6
6
6
6


2
2
2
2
2
2
2
2

6
6
6
6
6
6
6
6

10
10
10
10
10
10


2
2
2
2
2
2

6
6
6
6
6
6

10
10
10 14
10 14


2
2
2
2

6
6
6
6

10
10


2
2

6
6



性を示す 1)．このような，反応性が極めて強く，軟らかいなどのアルカリ金属に共通する特性はなぜ現れるのだろうか．
ⅰ) 電子構造と物性 周期表で 1 族に属するアルカリ金属と 18 族希ガス元
素の電子配置を表 3・2 から抜き出して表 5・1 に示す．
この表からわかるように，アルカリ金属はそれぞれ原子番号が 1 だけ小さい
希ガス (例えば Li では He，K では Ar) より主量子数が 1 大きい s 軌道に電子が 1 つ (表 5・1 の中で □ で囲んである) 入っている．したがって，内側にある電子は閉殻 (希ガスと同じ安定な電子配置) を形成する．s 軌道に入っている
1 個の電子は，原子核に弱く結合していて放れやすい．言い換えれば，陽イオ
ンになりやすく，イオン化エネルギーは他の金属に比較して著しく低い．このように電子を 1 個失って安定な希ガス構造をとりやすいことが，アルカリ金属の反応性が高い原因である (3・6 節，p. 102 参照)．
アルカリ金属原子の電子配置の様子は，アルカリ金属イオンの電子雲を描く
ことによって知ることができる．図 5・2 は，金属イオンの電子密度の分布を原
1) カリウムを切断するときに金属製ナイフを用いると，過酸化物ができていて爆発する危険がある．これを防止するために，ガラス製か竹片のナイフを用いるのがよい．

Li Na K Rb Cs Fr
5・1

図 5・2

典型元素

145

アルカリ金属イオンの電子密度の分布

子核からの距離に対して図示したものである．この図から，内殻の電子雲ほど強く原子核に引きつけられていることがわかる．また，K  との比較のために示したアルゴン原子の電子雲の分布から，アルカリ金属イオンが希ガスの電子配置に非常によく似ていることもわかる．さらに，表 5・3 (p. 149) に示すイオン半径が，Li，Na，K，Rb，Cs の順に増加していくことも，これら電子雲の分布曲線によって理解できる．
さて，このような極めて放れやすい電子 1 個を持ったアルカリ金属原子が2 個接近すると共有結合ができるが，さらにもう 1 個金属原子が接近する場合，
3 つの原子の間にたえず共有結合ができ上がったり，切れたりするような状態になる．4 個以上の原子の集合した場合も同様である．このように，アルカリ金属原子同士の結合は，水素原子の場合とは異なり，2 個の原子の間だけに強く共有結合が形成されている訳ではない (Sn の項 p. 189 参照)．
したがって，多数のアルカリ金属原子が集合した場合 (金属結晶) には，原子から 1 個ずつ出た s 電子が，閉殻構造を持つアルカリ金属の陽イオンが多数集

Li Na K Rb Cs Fr
146

5章

元

素 ― 歴史，分布，物性 ―まった格子の中を，共有結合を繰り返しながら走り回っているような構造を考えることができる．このように，特定の原子間に結合が固定せず，電子が結晶全体を動き回っているのが金属の特徴で，他の結晶には見られないものである．
この種の結合を金属結合と呼び，それが金属の導電性の原因となっている．
このような，電子の運動で説明される金属結合の結合力は次のように計算することができる．いま，金属を池にたとえて，池の中に水の代りに自由電子 (伝導電子) を入れ

図 5・3 金属の自由電子のポテンシャル
箱模型

たようなモデルを考えてみよう．図 5・3 に示すように，池 (深さ W) に W まで電子が入っていると考える．電子は盛んに熱運動しているが，室温程度では，この池これを電子のポテンシャル箱というから飛び出すほどのエネルギーは持っていない．したがって，この箱から電子を飛び出させるためには，外部からエネルギー
例えば光を照射するとか，結晶全体の温度を上げるを与える必要がある．

このようにして，光によって金属から電子を飛び出させる現象を外部光電効果，加熱によって電子を遊離する現象を熱電子放射と呼んでいる．
このように，箱の中で電子が相互に独立で自由に動き回っている模型はゾンマー
フェルト (Sommerfeld) によって提案されたものでÕ金属の自由電子模型Øと呼んでいる．この模型では，箱の中の電子の分布はフェルミ分布 (Fermi distribution) 1)をしていると考える．この箱の中の全電子の平均のエネルギー ⟨ε⟩ は
⟨ε⟩ =

3

 ε ε dε  ε dε = − 5 W










(5・1)

となる．
1) 電子は相互に識別できず，かつその電子がパウリの排他律に従って運動しているときに示す分布である．運動量が p，p，p と p + dp，p + dp，p + dp の間にある電子の数 dN を
2f
dN =  Vdp dp dp (V は金属の体積，h はプランク定数)hと書くとき，f をフェルミの分布関数と呼び，温度 T における値は1(ε は電子の運動エネルギー，ζ は化学ポテンシャル)
f =    +1eとなる．定性的には，非常にすいた空間での電子の分布はボルツマン分布に従い，混んでいる空間での電子の分布はフェルミ分布になる．

Li Na K Rb Cs Fr
5・1

典型元素

147

さて，アルカリ金属では原子が集まってその原子が持つ価電子が自由電子となって結晶全体にわたって動き回っていると考えるから，アボガドロ定数 N の原子を含む結晶の結合エネルギーは，アボガドロ定数の自由電子の持つエネルギーと考えてもよ
表 5・2 金属の昇華熱 (実験値) と自由電子エネルギー (kJ mol−1)
金属

昇華熱 S

3W N
5 i A

Li
Na
K
Rb
Cs

192
125
111
105
100

276
184
117
100
88

ⅱ) イオン化と電子配置い．したがって，結晶を作っている力
験的には昇華熱 に対応する
1)

3
S = W N
5

実

Sは
(5・2)

とおくことができる．これを計算すると表5・2 に示すような値を持ち，実験で求められた昇華熱と (5・2) 式から計算で求めた自由電子のエネルギーが大体対応していて，前述の考え方が妥当であることがわかる．

i) で述べたように，アルカリ金属のイオン化エネ

ルギーは他の元素に比べてかなり低い (図 3・20，表 3・10 参照)．したがって，
電気陰性度の大きい原子がアルカリ金属に接近すると，金属原子は外殻電子を相手に与えてM+X → M+X

(5・3)となって 1 価の陽イオンを作る．その結果ができ上がったアルカリ金属イオン
は希ガスの電子配置を持ち安定である (表 5・1 参照)．さらに電子を 1 個出してM  → M  + eとなるには，安定な希ガスの電子構造をこわさなければならないので，表 5・3に示すように非常に大きいエネルギー (第二イオン化エネルギーに相当する)を必要とする．
ⅲ) 結晶構造金属はⅰ) で述べたように単一元素の集まりである．したがって半径の等しい球を積み上げた構造を考えればよい．
ところで，半径の等しい球を積み上げていくには，図 5・4 に示すように代表1)

昇華熱はアボガドロ定数 N 個の原子を含む結晶を N 個の気相の原子にするのに必要なエネルギーである．逆に，N 個のばらばらな原子を集めて結晶を作る際に放出されるエネルギーがこの結晶の結合エネルギーであるから，結合エネルギーは昇華エネルギーに対応する．

Li Na K Rb Cs Fr
148

5章

元

素 ― 歴史，分布，物性 ―図 5・4 金属の結晶構造1)(1) 体心立方構造 (2) 面心立方構造 (3) 六方最密充填構造(2) と (3) は最密充填構造を持つ．(2) は 1 層目 A の上に 2 層目 B を積み，3 層目を A とは異なる位置 C に置いたものであり，ABC の構造を持つ．(3) は 1 層目 A，2 層目 B の上に Aと同じ位置に 3 層目を置いたものであり，AB の構造を持つ．

的な 3 つの方法がある．それらによって組み立てられる結晶構造は，体心立方構造，面心立方構造および六方最密充填構造で，大抵の金属はこの 3 つの構造のいずれかに属している．なお，面心立方構造は，充填率 0.74 の最密構造を持
ち立方最密充填構造とも呼ばれ，図 5・4 に示すように，六方最密充填構造とは原子の積み重なり方が異なる．
アルカリ金属は表 5・3 に示すように全て体心立方構造を持ち，原子間距離は
X 線回折によって正確に決められる．
1) (1) bcc：body-centered cubic lattice (2) fcc：face-centered cubic lattice/
ccp：cubic close-packed lattice (3) hcp：hexagonal close-packed latticeLi Na K Rb Cs Fr
5・1
表 5・3

典型元素

149

アルカリ金属元素の物性

3Li

11Na
1

19K
1

[He] 2s [Ne] 3s
電子配置
イオン化
5.392
5.139
第一
エネルギー (eV) 第二75.63847.286電子親和力 (eV)0.61800.5479原子半径 (pm)152186
イオン半径 (pm)M＋6 配位
90
116
結晶構造
bcc
bcc
密 度 (g cm−3)
0.534
0.971
180.5497.81
融 点 (℃)
沸 点 (℃)
1347
883
地殻中の存在度 (ppm)
13
23000
20
超伝導転移温度 (K)−(48 GPa)

37Rb
1

55Cs
1

[Ar] 4s
4.341
31.6250.5015
231
152
bcc
0.862
63.65
765
9100

[Kr] 5s
4.177
27.28
0.4859
247
166
bcc
1.532
38.89
688
32

−

−

87Fr
1

[Xe] 6s
3.894
25.1
0.4716
266
181
bcc
1.873
28.4
658
1
1.5
(高圧)

[Rn] 7s1
3.94
−
−
−
−
−
〜2.9
〜30
598
−

1 族元素各論 ―アルカリ金属 3 Li, 11 Na, 19 K, 37 Rb, 55 Cs, 87 Fr ―3 リチウム (Lithium Li)
来歴 1817 年，スウェーデンのアルフェドソン (Arfvedson) は葉長石 1)の分析を行い，その中に新しいアルカリ金属が 3 ％含まれていることを見出した．次いで 1818
年にグメリン (Gmelin) は，このアルカリ金属が美しい赤い炎色反応を示すことを見つけ，この金属が新元素であることを確認した．その後，電気分解 (Na の項参照) によって金属を単離したが，その物性が測定できるほど多量に得たのはブンゼン(Bunsen) らの仕事で，1855 年のことである．同じアルカリ金属であるナトリウムやカリウムが動植物界に広く分布しているのに対して，この新元素が鉱物から発見されたものであることから，ギリシャ語の石ÕlithosØにちなんで Lithium と名づけられた．しかし，その後の研究でリチウムも微量ではあるが動植物中にも分布し，重要な役割を果していることがわかった．
物性 リチウムは，塩化リチウム (LiCl) の融解電解か，あるいはピリジン，エタノー
ル，アセトン中で塩化物の電解によって単離できる銀白色の金属である．リチウムは
密度は 0.534 g cm  で，全金属中で最も軽く，軟らかくナイフで切ることができる．
表 5・3 に示すように，リチウムの原子半径およびイオン半径は他のアルカリ金属に比較して著しく小さい．
1)

petalite Li O ∙ Al O  ∙ 8 SiO 

Li Na K Rb Cs Fr
150

5章

元

素 ― 歴史，分布，物性 ―リチウム金属は他のアルカリ金属と違って乾燥空気中では安定で，ほとんど酸化されない．しかし高温では反応して酸化物ができる (p. 152 ｢アルカリ金属の酸化物｣ 参
照)．
4 Li + O  → 2 Li O
リチウムは室温でも窒素と反応して Li N ができる．また金属リチウムはアンモニ
アや脂肪族アミン類によく溶けて青色の溶液になり導電性が高い．これはリチウム
が 1 価の陽イオンとなったためである．解離して生じた電子は溶媒分子に取り囲まれて独立した化学種として振る舞う (溶媒和電子)．
金属リチウムは高温でガラスと反応するので，蒸留精製には鉄製の容器を用いる必要がある．
用途 リチウムイオン電池は出力電圧が 3.6 V と高く，エネルギー密度も高いなど性能に優れ，携帯電話やノートパソコンに広く用いられている．正極にコバルト酸リチ
ウム LiCoO ，負極にグラファイトを用い，電解液にはリチウム塩 (LiPF , LiBF ,
LiClO  など) の有機溶媒 (炭酸エチレン，炭酸プロピレン) 溶液が使われている．充電状態の正極はリチウムが一部抜けた Li   CoO  の組成を持ち，負極は Li C の組成を持つグラファイトの層間化合物になっており，次式のように放電・充電によって，Li  が可逆的に移動する．
負極 Li C → C + x Li  + x e 
正極 Li   CoO  + x Li  + x e  → LiCoO 
放電

Li C + Li   CoO  + x Li   C + LiCoO 
充電

11 ナトリウム (Sodium Na)
来歴 ナトリウムの化合物は，極めて古くから人類が利用している物質で，旧約聖書の中に清浄剤としてÕnetherØ(炭酸ナトリウムと考えられている) を用いることが記されている．食塩 (塩化ナトリウム) は食品の調味料，保存などに使われてきた．しかし，ナトリウムとカリウムの化合物の区別が明白になったのは 1761 年，マルグラ
フ (Marggraf) による炎色反応の実験の結果である (ナトリウム化合物は黄色，カリ
ウム化合物は淡紫色の炎色反応を示す)．
金属ナトリウムは，1807 年デービー (Davy) がカリウムに用いた方法で，水酸化ナ
トリウムの加熱融解物の電解によって単離に成功した．
ナトリウムは海水中に含まれ，塩化ナトリウムに換算して平均 2 〜 3 ％ (死海は 20％) 含有する．また，古代の海水の蒸発凝縮や岩石の長期間にわたる風解作用によって生じた岩塩も塩化ナトリウムを主成分とする．なお，海水中に含まれる代表的なイ
オン種の濃度を表 5・4 に示す (表 5・24 (p. 209) 参照)．