鋳造用語集

窒素属元素（ちっそぞくげんそ）／ ニクトゲン
Nitrogen Group / Pnictogen

窒素族とは、周期表の第15族に属する元素の総称である。ニクトゲン（Pnictogen）とも呼ばれる。
窒素族に属する元素は、窒素（N）・リン（P）・ヒ素（As）・アンチモン（Sb）・ビスマス（Bi）・モスコビウム（Mc）の6元素である。

窒素族の特徴

窒素族元素は、最外殻に共通して5個の価電子を持つ。一般的な最外殻電子配置はns²np³であり、この電子配置が窒素族に共通する化学的性質の基礎となっている。
5個の価電子を持つため、代表的な酸化数として−3、+3、+5を示す。ただし、その安定性は元素によって大きく異なる。
窒素やリンでは+5の酸化状態も比較的安定であるが、周期表を下に進むにつれて+5よりも+3の酸化状態が安定になる傾向がある。特にビスマスでは+3が主要な酸化状態となる。これは、原子番号が大きくなるにつれて最外殻のs電子が化学結合に参加しにくくなる不活性電子対効果が強くなるためである。

上から下へ「非金属」から「金属」へ変化する

窒素族の大きな特徴は、同じ族でありながら、周期表を上から下へ進むにつれて性質が大きく変化することである。

窒素・リン → ヒ素・アンチモン → ビスマス

と進むにつれて、非金属的性質が弱くなり、金属的性質が強くなる。

窒素は典型的な非金属元素であり、常温では二原子分子N₂からなる気体として存在する。リンも非金属元素であるが常温では固体であり、白リン、赤リン、黒リンなど複数の同素体を持つ。

ヒ素とアンチモンは非金属と金属の中間的な性質を示すため、一般に半金属として分類される。ビスマスまで下がると金属的性質が明確となり、金属元素として扱われる。

このため窒素族は、周期表の中で非金属から金属へ性質が移り変わっていく様子を理解しやすい元素群でもある。

窒素族と生命

窒素族には、生命活動と深い関係を持つ元素が含まれている。
窒素はタンパク質を構成するアミノ酸やDNA・RNAの核酸塩基などに含まれ、生命を構成する基本元素の一つである。
リンもDNAやRNAのリン酸骨格、細胞膜を構成するリン脂質、骨や歯を構成するリン酸カルシウムなどに含まれる。また、細胞内のエネルギーの受け渡しを担うATPにも不可欠である。
したがって、窒素族の中でも特に窒素とリンは生命活動を支える重要元素である。
一方、ヒ素やアンチモンには毒性を示す化合物が多く存在する。ビスマスは重元素でありながら比較的毒性が低く、その化合物の一部は医薬品などにも利用されている。

金属材料と窒素族元素

窒素族元素は金属材料においても重要な役割を持つ。

■  窒素は鉄鋼材料に固溶あるいは窒化物として存在し、鋼の強度や硬さなどに影響を与える。
     窒化処理では、鋼材表面に窒素を浸透させ、硬質な窒化物を形成することで耐摩耗性や疲労強度を向上させる。

■  リンは鉄鋼中では粒界に偏析しやすく、過剰に含まれると靱性を低下させるため、一般には管理すべき不純物元素の一つである。
     一方、銅合金では脱酸材として利用されるほか、リン青銅などの重要な合金にも利用される。

■  ヒ素やアンチモンも金属材料に微量添加されることがあり、アンチモンは鉛合金の硬さや強度を高める目的などに利用されてきた。

■  ビスマスは融点が比較的低く、鉛の代替元素として低融点合金や快削材料などに利用される場合がある。

このように窒素族元素は、金属材料に対して有用な添加元素となる場合と、不純物として管理すべき場合の両方がある元素群である。

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