レアアース
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７月の第３月曜日は「海の日」で、今年の「海の日」は７月２１日です。 「海の恩恵に感謝するとともに、海洋国日本の繁栄を願う」ことを趣旨として１９９５年に制定されました。 この日をきっかけに、海洋についての理解と関心を深めていきたいものです。 ・・・というわけで、今月は、海に関する話題として、「レアアース」を取り上げたいと思います。 今から１４年前になりますが、２０１１年７月４日、 「日本最東端である南鳥島沖の海底に、レアアースの巨大鉱床が存在する。」 との発表がありました。 「レアアース」とは、元素の周期表において、 第３族元素であるスカンジウムとイットリウム、それにランタノイド１５元素を合わせた、計１７元素のことで、 これからのハイテク技術には欠かせない資源として、注目されています。 ２００９年の「レアアース・ショック」により、 レアアース市場は中国の思いのままか・・・と心配されたわけですが、 ２０１１年のこの発表は、日本に希望の光を与えてくれるものでした。 現在、海洋研究開発機構（ＪＡＭＳＴＥＣ）の地球深部探査船「ちきゅう」により、採掘法を検討中で、 ２０２８年度の民間企業参入を目指しています。 さて、レアアースの巨大鉱床について、素朴な疑問が２つあります。 ①レアアースは、これからのハイテク技術に欠かせない・・・とのことですが、 他の元素と何が異なるのでしょうか？ ②発見に至ったきっかけは、何だったのでしょうか？・・・最初からレアアース目的だったとは思えません。 そのような当たりハズレのある事案に研究予算は下りないでしょうからね。 ①は化学や物理学に関連します。 ②は地学に関連します。 今回は、まず、①について考えていきましょう！  （図１）上の元素の周期表（図１）は、教科書に掲載されているもので、 ランタノイド（赤）とアクチノイド（青）は、欄外にはみ出ています。 この“はみ出し”を無くして、ランタノイドを第６周期の段に、アクチノイドを第７周期の段に入れると、 次のようになります（図２）。  （図２）かなり横長になりました。 教科書では、スペースの都合上、この横長を避けて、図１のように描いているのでしょう。 この図２を見ると、ある特徴に気付きます。 第２・３周期、第４・５周期、第６・７周期というように、２段ずつ同じ元素数です。 第１周期には２×１＝２種類の元素が、第２・３周期には２×（１＋３）＝８種類ずつの元素が、 第４・５周期には２×（１＋３＋５）＝１８種類ずつの元素が、 第６・７周期には２×（１＋３＋５＋７）＝３２種類ずつの元素があります。 （１＋３＋５＋７）というのは、電子軌道の種類と数を表しており、それぞれ、 「１」は“ｓ軌道が１個”、「３」は“ｐ軌道が３個”、「５」は“ｄ軌道が５個”、「７」は“ｆ軌道が７個” という意味です。頭にある「２×」の「２」は、それぞれの電子軌道に、電子は２個まで入ることを意味します。 どうして、電子が、こんな入り方をするのかは、物理で「量子力学」を学ぶと理解できます。 数学の「偏微分方程式」と併せて、一緒に学んでいきましょう！  「第ｎ周期に入ることができる電子の最大数は「２ｎ２」であり、電子は内側から順番に入っていく。」 ・・・と教わります。 これに従うと、 一番内側の電子軌道は「１ｓ」が１個であり、そこに電子が２個まで収まるので、 第１周期に、原子番号１の水素と、原子番号２のヘリウムが位置することが頷けます。 第２周期には８種類の元素がありますが、これは「２ｓ」が１個と「２ｐ」が３個で計４個の軌道があるからで、 原子番号３のリチウムから原子番号１０のネオンが収まります。 第３周期の８元素は、１個の「３ｓ」と３個の「３ｐ」に順次収まっていった結果です。 この後、原子番号１９のカリウムが「３ｄ」軌道に収まっていくと思いきや、「４ｓ」に収まります。 これは「マーデルングの規則」で説明されています。・・・詳しくは、塾にて♪ 「１ｓ」→「２ｓ」→「２ｐ」→「３ｓ」→「３ｐ」→「４ｓ」→「３ｄ」→「４ｐ」→「５ｓ」→「４ｄ」→ ・・・というように、右上から左下に斜めの線を引いていく順番になっています。 マーデルングの規則に従うと、ランタノイドの１つ手前であるバリウム（原子番号５６）の時点で、 最外殻電子は６ｓ軌道にありますが、１つ内側はもちろん、２つ内側の４ｆ軌道も空白になっています。 ランタン以降のランタノイドでは、この（最外殻より２つ内側の）４ｆ軌道に電子が入っていこうとするわけで、 この特殊な状況が、他の元素では代用できない最高の機能を生み出すことになるのです。 例えば「磁性（磁石としての性質）」について。 小学校で学ぶように、Ｎ極とＳ極という、相反する極どうしを近づけると、互いに引きつけ合います。 １つの電子軌道には、電子が２個まで入れるのですが、 ある軌道に入っている電子が２個ですと、互いに相殺されて、磁性がなくなります。 電子が１個しか入っていない軌道が多くあればあるほど、磁性は強くなります。 皆さんに「砂鉄」として馴染みある「鉄」は、原子番号が２６なので、電子が２６個あります。 最初の２０個が、１ｓに２個、２ｓに２個、２ｐに６個、３ｓに２個、３ｐに６個、４ｓに２個と入って、 次の５個が、５つある３ｄ軌道に１つずつ入ります。 最後の１個は、既に１つずつ埋まった３ｄ軌道５つのどれかに入ります。 したがって、電子が１個しか入っていない軌道が４つ存在するので、磁性がある程度強いわけです。 ちなみに、鉄の１つ前にあるマンガン（原子番号２５）の場合、電子１個の３ｄ軌道が５つになるので、 より磁性が強くなるんじゃないの？・・・と思いたくなりますが、 ５つの３ｄ軌道がすべて同じ（副殻が満たされた）状況になると、逆に安定して、磁性が弱まります。 レアアースのガドリニウム（Ｇｄ）は、原子番号が６４で、電子が６４個あります。 １ｓに２個、２ｓに２個、２ｐに６個、３ｓに２個、３ｐに６個、４ｓに２個、３ｄに１０個、４ｐに６個、 ５ｓに２個、４ｄに１０個、５ｐに６個、６ｓに２個・・・この時点で５６個。 あと８個は４ｆ軌道へ。 ７つある４ｆ軌道のそれぞれに１個ずつ入った後、最後の１個は、５ｄに入ります。 こうなると、電子が１個しか入っていない軌道が８つも存在することになり、磁性がかなり強くなります。 もちろん、最後の電子１個の振舞いは、気ままで、瞬間的には４ｆの１つに入ることも多々あるでしょうが、 それでも、電子が１個しか入っていない軌道が６つあるので、やはり磁性が強くなります。 同じ磁力の磁石を作るとき、磁性のより強い金属を用いると、それだけ少量で済み、 その分、磁石がコンパクトになります。 今まで持ち運べなかった機器が、簡単に持ち運べるサイズになるかも知れません。 デスクトップの大きなパソコンだと、家に居る時しか使えませんが、 “小さなパソコン”であるスマホだと、手軽に持ち運べて、家以外でも使えます。 これを実現したのもレアアース。 ここに挙げた「磁性」以外にも、光学的な性質など、レアアースは多方面で大活躍しそうです。 |
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