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第1章 元素の基礎知識
第 1 章 元素の基礎知識 元素のことを知ると、鉄鋼材料と切削加工の いろいろな知識がつながります！ 鉄鋼材料は元素の組合せでいろいろな種類が作られています。また、 その鋼材を加工する切削工具も元素でできています。 切削加工を速く安全におこなう工具や条件を選定するには、鋼材の特性を もたらす元素や結晶のことを知っておくと、すべてがつながってきます。 どのような部品に、どの材料を使っているのか？ １）なぜ、その材料を使うのですか？ ２）それを削ると、どのような特徴がでますか？ ３）切削加工する際には、何に注意するのですか？ この理由のなかに、元素のことがでてきます。 なので、元素のことから勉強しましょう ！ そうすると、加工現場の話しが良くわかるようになります。 1-1 身近な元素あれこれ まず、元素に親しむために、どのような元素が身のまわりにあるか見ていきましょう。 たとえば大気・地球・人体はこんな元素からできています。 第１章 大気中の元素 えっ！ 窒素が 78％も！ N 窒素 O 酸素 78% Ar アルゴン 21% 0.9% 第２章 CO 2 二酸化炭素（炭素と酸素） Ne ネオン 0.0018% 18ppm He ヘリウム 0.0005% 5ppm H2O 水蒸気（水素と酸素） 0 ∼ 3％ CH 4 メタン Kr クリプトン 1.6ppm 1.1ppm H 水素 0.5ppm CO 一酸化炭素 0.1ppm その他 第３章 0.08ppm 100% （体積％） （ppmとは、1万分の1％の単位） 地殻・マントル部の元素 87％ 0.04% 第４章 第５章 O 酸素 46% Si ケイ素（シリコン） 26% Al アルミニウム 8% Fe 鉄 7% Ca カルシウム 5% Mg マグネシウム 3% Na ナトリウム 2% K カリウム 1% Ti チタン 0.5 H 水素 0.1 その他（タングステン、コバルト、モリブデン、マンガン） 100% （重量％） 酸素は いろいろな元素と結びついて存在 シリコン（水晶の成分）が、全体の 4 分の1も！ えっ！ アルミニウムの方が 鉄より多いの ？ サーメットの原料 超硬チップの原料のタングステンやコバルトは0.1％ 以下 人体の元素 第６章 第７章 資 料 O 酸素 C 炭素 18% H 水素 10% N 窒素 Ca カルシウム P リン 1% S 硫黄 0.3 K カリウム 0.2 Na ナトリウム 0.2 Cl 塩素 Mg マグネシウム Fe 鉄 F フッ素 0.007 Zn 亜鉛 0.004 Si ケイ素（シリコン） 0.002 Ti その他 チタン 0.001 65% 96％ 3% 1.5% 人体 0.2 0.05 0.008 鉄は血液中のヘモクロビンに含まれ、酸素を 体内に運ぶ役割 （昆虫は、銅が酸素を運び、血液は緑色） 100% （重量％） 8 人間だけでなく、すべての生物はこの 4 つ の元素が作るアミノ酸が基本です 1-1 身近な元素あれこれ 鉄鋼材料 や 切削工具にかかわる元素が、いろいろ！ 大気 地殻 たとえば、つぎの 3 つの元素は… 窒素 N この窒素 Nとチタン Tiの組合せ（TiN）が、切削工具チップへの金色コーティングです ◦空 気中に 78％も含まれ、アミノ酸をはじめ、多くの生体物質中に含まれており、すべての生物に とって必須の元素です。N 2（窒素ガス）の状態で存在します。 ◦窒素は人体にはほとんど影響しません。植物には窒素肥料として使われています。 ◦窒素分子は常温では、無色無臭の非常に安定した気体です。空が青いのは、空気中の窒素や酸素 の分子に、光の青い波長が反射しているからです。 酸素 O アルミ二ウム Al と結びついた酸化アルミ二ウム（Al2O3）は、コーティングの王様 ◦地 球上では空気や水、大気・海・地殻のいずれにも多量に存在し、いろいろな元素と結びつきや すい元素です。 ◦単体では酸素分子（酸素ガスO 2）あるいはオゾン（O 3）として存在しています。 ◦酸素は多すぎても少なすぎても、人の体に悪い影響を与えます。 炭素 C 鉄に最も大きな影響を与える元素は、炭素（C）です。 その量に比例して硬くなります ◦材木が燃えると炭（すみ）になります。鉛筆の芯（しん）もダイヤモンドも炭素です。 ◦二酸化炭素は、地球温暖化をもたらし、氷河が溶けたり、異常気象の原因になっています。 ◦植物は二酸化炭素を取込んで酸素を出しています。 1-2 地球は鉄の星！ 地球は【水の星】とよく言われますが、じつは鉄が 3 分の 1を占める【鉄の星】なのです。 地殻・マントルには7％しか鉄は含まれていませんが、内部は液体と固体の鉄です。 第１章 体積の 3 分の1が鉄 地殻（ちかく）：固体 （海の下は10km 程度、陸の下は 20 ∼ 50km 程度） 上部マントル：固体と液体 3400km 岩石 下部マントル：液体 3000km 第２章 鉄 中心部は ニッケルも含む 外核：液体 内核：固体 第３章 なぜ、地球の中心が鉄なのか？ それにしても、なぜ地球の中心に鉄なのでしょうか？ それは、元素に重さがあって、元素に付けられた【原 子番号】は、おおむね重さ（質量の大きさ）の順番で、原子番号の小さい元素は軽く、原子番号が大きい元素 は重たい元素なのです。 第４章 したがって、13 番アルミニウムや 14 番シリコン（ケイ素）などの軽い元素は地表に存在し、26 番の鉄は中 心部へ集まったものと考えられています。 太陽に近い惑星の水星・金星・地球・火星の 4 つは地球型と分類されています。それは地球と同じよ うに外部は岩石、内部は鉄でできているからです。一方、木星と土星はガス星で、地球型岩石の地 面はないといわれています。 第５章 地球だけは内部の液体状の鉄が対流しており、そのおかげで磁場が発生して、生命に有害な宇宙線 から地球を守っています。 火山から吹き出る真っ赤なマグマは、溶岩という言葉どおり岩石が溶けたものであって、内部の鉄の液体が 噴出しているのではなく、溶岩の半分はシリコンなのです。わたしたちが利用している鉄は、溶岩に含まれる鉄 分が海に溶け出して酸化鉄として堆積し、ぶ厚く集まった鉄鉱床から採掘しています。 ウラ ヌ ス： 天 王 ネプ 星 チ ュー ン： 海 王 サ ター ン： 土 星 星 ジュ ピ ター ： 木 e ptu n Ne n tu r Sa pit er Ju Ur an us rs Ma Ea Me rcu ry Ve nu s 第７章 r th マー キュ ビー リ： 水 ナ ス： 星 金 ア 星 ー ス ： 地 マ 球 ー ス ： 火 星 星 第６章 （実際の惑星間の距離は図とは異なります） 資 料 水の星！地球 豆知識 10 地球ができて46 億年ですが、40 億年前には地球表面はすべて海だったようです。太陽からの距離が、水を蒸発 させてしまわない奇跡的な位置に地球があるからです。 1-2 地球は鉄の星！ 【鉄以上の元素】は、どのようにしてできたのか？ 1 2 水素 H He 軽い元素 6 14 22 シリコン チタン Si Ti C 26 鉄 Fe 27 Co 28 Ni 74 92 原子番号 タングステン ウラン W U 重い元素 宇宙ができたとき、水素と水素がぶつかって【ヘリウム He】ができ、ヘリウムどうしが 3 つぶつかり合って炭 素（C）というように、核融合を繰り返して、鉄（26）までがつくられました。 鉄はそれ以上に核融合をしない、安定している元素ですが、では、鉄以上の元素はどのようにして生まれた のでしょうか？ それは、太陽の 8 倍以上に大きい星が作ります。 太陽 太陽の 8 倍以上の恒星 水素 H、ヘリウム He 水素 H、ヘリウム He 超新星爆発の瞬間に、 鉄以上の元素ができる ！ それは、 一生の最後に重力収縮が起きて、 その圧力で、水素とヘリウムが核 融合し、それが加速する。 玉ねぎ状に重い元素が中に作られ 水素、ヘリウム ていく。 そして、一番安定した 炭素、酸素 【鉄元素：番号 26】までできる。 アルミニウム、シリコン すると、それ以上は核融合が進ま チタン、クロム 鉄 核融合の燃料の水素を使い 果たし、星間ガスになる。 ず、重力崩壊して大爆発を起こし ます。 【超新星爆発】 新しい星ができたかのように、大 きく輝く 大きくなって拡散する。 【赤色巨星】 Red giant 【白色矮星】 このときのエネルギーによって、 鉄の 他の元素がぶつかって、核 融合を起こして【鉄からウランま での元素】が合成されると考えら れている。そうして元素は宇宙に 飛び散って、新たな星のもとにな ります。 新星：Nova ノバ White dwarf あとに小さい白色の星が残り、 太陽より25倍以上の恒星は、 25 倍以下のものは、電子と陽子が結 らせん星雲になって消えてい 【ブラックホール】になる。 合して、中性子だけからなる不思議な く。 Black hole 【中性子星】になる。 Neutron star 〈メモ〉オリオン座のベテルギウス（左上の赤い星）は太陽の 20 倍と推定され、超新星爆発寸前の状態と言われている。 11 1-3 すべての元素の一覧表が 周期表 世の中のすべてのものは、この表にある元素の組合せでできています！ 第１章 すべての元素を並べて表にしたものを周期表といいます。電子軌道の数が【周期】 、性格の似た元素の並び を【族】といいます。元素は電子の数を原子番号として番号付けされています。数が増えるだけで、元素の性 質が大きく変わるのですから不思議です。自然界は 92 種類（ウランまで）の元素でできており、 それ以上の番 号の元素は、人工的に融合させた元素です。 鉄鋼材料や工具のチップに関係する元素を見てみると… 第２章 ◦ たとえば、サーメットチップ（TiC）は、22 番チタン（Ti）と6 番炭素（C）の組合せでできています。 ◦ 炭素鋼S45C は、26 番の鉄（Fe）と6 番の炭素（C）の組合せ。 ◦ 合金鋼SCM435 は、26 番の鉄＋24 番クロム（Cr）＋ 42 番モリブデン（Mo）の組合せ。 ◦ ステンレス鋼SUS304 は、26 番の鉄＋24 番クロム（Cr）＋28 番のニッケル（Ni）の組合せです。 第３章 周期表 左上の番号が元素の番号【原子番号】で、 電子と原子核内の陽子と中性子の数を表しています 電子 軌道の数 族 1 電子 第４章 1周目には 2 個の電子しか 入れない 原子核 1 第５章 3 周目は 18 個まで Li 2 リチウム リチウム ネオン 11 Na 3 ナトリウム アルゴン ナト リ ウ ム 19 4 周目は 32 個まで 4 カリウム クリプトン K カリウム 第６章 37 5 周目は 50 個まで 5 Rb ル ビジウム 非金属 気体 液体 55 6 第７章 液体 固体 豆知識 Cs セシウム 固体 金属 5 6 7 8 87 7 サーメット チップ TiC Fr フランシウム 4 窒化チタン・コーティング層 TiN （金色コーティング） Be ステンレス鋼 SUS304 ベ リリ ウ ム 12 Mg 超硬チップ WC マグネシウム 20 Ca カ ル シウム 38 Sr スト ロ ン チ ウ ム 56 Ba 21 Sc 39 Y イット リ ウ ム 57 ～ 71 Ra Ti チタン 40 Zr ジ ルコ ニウム 72 ラ ン タノイド バリウム 88 22 ス カンジウム Hf ハフニウム 8 9 ～ 10 3 10 4 Rf アク チノイド ラジウム 資 料 金属元素のことを英語で「ミネラル」といいま す。 スコットランド人やイギリス人、フランス人が発 見者として多いなか、スウェーデン鋼で有名な スウェーデンの人たちが発見した元素もたくさ んあります。 スウェーデン人が発見した元素 12 4 水素 ヘリウム 3 2 周目は 8 個まで入る 3 H 1 水素 2 周期 ラ ザ ホ ー ジウム 57 La ラタン 89 Ac アク チ ニ ウ ム 23 V 24 バ ナジウム 41 Nb ニオブ 73 Ta タンタル 10 5 Db ド ブニウム 58 Ce セリウム 90 Th トリウム Cr クロム 42 Mo モ リブ デ ン 74 W タングステン 10 6 Sg シ ー ボ ー ギウム 59 Pr プ ラセ オジウム 91 Pa プ ロトアクチニウム 25 Mn 26 Fe 鉄 マンガン 43 Tc テクネチウム 75 Re レニウム 107 Bh ボ ー リウム 60 Nd ネ オジウム 92 U ウラン 44 Ru ル テニウム 76 Os オスミウム 10 8 Hs ハッシウム 61 Pm プ ロメチウム 93 Np ネプ ツニウム