最終更新日：2025年12月14日

セレン (34)：必須の光電気的元素

セレンの発見の歴史

セレンは1817年、スウェーデンの化学者ヨンス・ヤコブ・ベルセリウス (1779-1848)と彼の助手ヨハン・ゴットリーブ・ガーンによって発見されました。ベルセリウスはスウェーデンのグリプスホルムにある硫酸工場で働いており、硫酸生産に使用される鉛室の底に蓄積する赤みがかった沈殿物を研究していました。この残留物は当初は数年前に発見されたテルルと考えられていました。

ベルセリウスはこの沈殿物を詳細に分析し、テルルとの顕著な違いに気づきました。一連の化学実験の後、彼は新しい元素を単離することに成功し、それをセレンと名付けました。この名前はギリシャ語のセレーネ（月）に由来し、テルル（地球）との類似性から名付けられました。

ベルセリウスによるセレンの発見は19世紀の化学にとって大きな貢献でした。ベルセリウスは既にセリウム、トリウム、シリコンなどの他の元素を発見し、アルファベット記号を用いた現代の化学記号法を開発したことで有名でした。

1873年、イギリスの電気技師ウィロービー・スミスは、セレンの電気伝導度が光の影響で著しく増加することを発見しました。この革新的な光電気的性質は多くの技術的応用への道を開き、セレンを光電池、露出計、初期の機械式テレビシステムで使用される最初の材料の一つにしました。

構造と基本的な性質

セレン（記号Se、原子番号34）は、周期表の16族に属する非金属で、酸素、硫黄、テルル、ポロニウムとともにカルコゲン族に属します。その原子は34個の陽子、通常46個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{80}\mathrm{Se}\) の場合）、および電子配置 [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴ の34個の電子を持ちます。

セレンは、物理的性質が非常に異なる複数の同素体を示します。最も安定な形態は灰色セレン（金属セレンまたは六方晶セレン）で、六方晶構造を持つ光沢のある灰色の金属固体です。この形態の密度は4.81 g/cm³で、光の影響で伝導度が1000倍に増加する顕著な半導体特性を示します。

赤色セレンは、単斜晶の赤色セレンαと単斜晶の赤色セレンβの2つの異なる同素体形態で存在し、いずれも環状のSe₈分子から構成されています。これらの赤色形態は、溶融セレンの急速冷却または溶液からの沈殿によって得られ、不安定で室温で徐々に灰色セレンに変化します。

非晶質セレン（または黒色ガラス状セレン）は、液体セレンの非常に急速な冷却によって得られます。この黒色ガラス状形態は無秩序構造を持ち、180 °C以上に加熱すると灰色セレンに変化します。この形態は歴史的に整流器や光電池に使用されてきました。

セレンは221 °C（494 K）で融解し、685 °C（958 K）で沸騰します。融解時に得られる液体は最初赤褐色で、重合により徐々に黒色になります。液体セレンの粘度は、長い分子鎖の形成により、温度の上昇とともに劇的に増加します。

セレンの融点：494 K（221 °C）。
セレンの沸点：958 K（685 °C）。

セレンの同位体表

セレンの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
セレン-74 — \(\,^{74}\mathrm{Se}\,\)	34	40	73.922476 u	≈ 0.89 %	安定	天然セレンの最も軽い安定同位体。
セレン-76 — \(\,^{76}\mathrm{Se}\,\)	34	42	75.919214 u	≈ 9.37 %	安定	生物学でトレーサーとして使用される安定同位体。
セレン-77 — \(\,^{77}\mathrm{Se}\,\)	34	43	76.919914 u	≈ 7.63 %	安定	NMR分光法で使用される核スピンを持つ。
セレン-78 — \(\,^{78}\mathrm{Se}\,\)	34	44	77.917309 u	≈ 23.77 %	安定	天然セレンの2番目に豊富な同位体。
セレン-80 — \(\,^{80}\mathrm{Se}\,\)	34	46	79.916521 u	≈ 49.61 %	安定	セレンの最も豊富な同位体で、天然セレンのほぼ半分を占める。
セレン-82 — \(\,^{82}\mathrm{Se}\,\)	34	48	81.916699 u	≈ 8.73 %	≈ 1.08 × 10²⁰ 年	放射性（β⁻β⁻）。極めて遅い二重ベータ崩壊で、準安定と見なされる。
セレン-75 — \(\,^{75}\mathrm{Se}\,\)	34	41	74.922523 u	合成	≈ 119.8 日	放射性（電子捕獲）。工業用ラジグラフィーや医学で使用されるガンマ線放出体。

セレンの電子配置と電子殻

注記：
電子殻：原子核の周りの電子の配置。

セレンは34個の電子を持ち、それらは4つの電子殻に分布しています。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁴、または簡略化すると：[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴です。この配置はK(2) L(8) M(18) N(6)とも書くことができます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1sサブシェルに2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布しています。完全な3dサブシェルの存在は、遷移後元素の特徴であり、セレンの性質に大きな影響を与えます。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁴に6個の電子が分布しています。これらの6個の電子はセレンの価電子です。

価電子と酸化状態

外側の殻の6個の電子（4s² 4p⁴）は、セレンの価電子です。この配置は、その多様な化学的性質を説明します：

セレンの最も一般的な酸化状態は-2で、ここでセレンは2個の電子を得て価電子殻を完成させ、セレン化物イオンSe²⁻を配置[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶で形成します。これはクリプトンと等電子です。金属セレン化物（Na₂SeやZnSeなど）は化学および技術において重要です。

酸化状態+4も非常に重要で、特に二酸化セレン（SeO₂）において重要です。これは両性化合物で、有機合成で広く使用されています。この状態では、セレンは4個の価電子を使用して結合を形成します。

酸化状態+6は、セレン酸（H₂SeO₄）や三酸化セレン（SeO₃）などの最も酸化された化合物に現れます。これらの化合物は強力な酸化剤であり、セレンは利用可能なすべての価電子を使用します。

中間の酸化状態も存在します：+2は塩化セレン（SeCl₂）に、-1は有機ジセレン化物（R-Se-Se-R）に現れます。状態0は、セレンのさまざまな同素体形態に対応します。

セレンの化学は、16族の軽い同族体である硫黄の化学と多くの類似点を持ちますが、セレンは一般的に電気陰性度が低く、より長くて弱い結合を形成します。この違いは、より大きな分極率と遷移金属との化合物を形成する能力に現れます。

化学的反応性

灰色セレンは室温で空気中で比較的安定であり、ゆっくりと酸化します。しかし、空気中で加熱すると、特徴的な青い炎を上げて燃焼し、二酸化セレン（SeO₂）を形成します。これは腐った大根のような刺激臭を持つ白い煙として放出されます：Se + O₂ → SeO₂。この特徴的な臭いは、揮発性のセレン化合物によるものです。

セレンは高温で水素と反応し、セレン化水素（H₂Se）を形成します。これは極めて有毒で悪臭のあるガスで、硫化水素（H₂S）よりも有毒です。H₂Seは不安定で、容易に水素と元素状態のセレンに分解します。

酸化性の酸と反応すると、セレンは条件に応じて亜セレン酸（H₂SeO₃）またはセレン酸（H₂SeO₄）を形成します。熱い濃硝酸はセレンを酸化します：3Se + 4HNO₃ + H₂O → 3H₂SeO₃ + 4NO。セレンは希釈された非酸化性酸に対して耐性があります。

アルカリ溶液に溶解したセレンは、条件に応じてセレン酸塩（SeO₃²⁻）またはセレン化物（Se²⁻）を形成します：3Se + 6OH⁻ → 2Se²⁻ + SeO₃²⁻ + 3H₂O。この不均化反応は、塩基性媒体中のカルコゲンに特徴的です。

セレンはすべてのハロゲンと直接反応し、さまざまなハロゲン化物を形成します：Se + X₂ → SeX₂またはSeX₄（X = F, Cl, Br, I）。四フッ化セレン（SeF₄）と六フッ化セレン（SeF₆）は特に安定です。二塩化セレン（SeCl₂）と四塩化セレン（SeCl₄）は反応剤として使用される液体です。

セレンは容易に有機セレン化合物を形成し、これらは硫黄化合物の類似体ですが、一般的により反応性が高いです。有機セレン化物、セレノール（R-SeH）、セレン化物（R-Se-R'）、および有機セレン酸は、有機化学および生化学において重要な役割を果たします。いくつかの必須アミノ酸はセレンを含み、特にセレノシステインとセレノメチオニンが含まれます。

セレンの産業および技術的応用

薄膜太陽電池（CIGS：銅インジウムガリウムセレン）での太陽エネルギー；
複写機やレーザープリンターの製造（セレン感光ドラム）；
電気整流器や歴史的な光電池；
ガラス産業での脱色剤（鉄による緑色の色調を中和）；
信号用の赤色およびオレンジ色ガラス（セレン・カドミウムガラス）の製造；
金属工学でのステンレス鋼や銅の加工性向上；
ゴム産業での加硫添加剤（摩耗抵抗性の向上）；
人間および動物の健康のための必須栄養補助食品（微量元素）；
抗ふけシャンプー（セレン硫化物）での脂漏性皮膚炎治療；
産業および医療用ラジグラフィー（セレン-75をガンマ線源として）；
セラミック、塗料、プラスチック用の赤色顔料の製造；
特定の有機化学合成および精密化学での触媒；
医療画像での直接変換X線検出器；
光度計や照度計での光強度測定；
電子工学でのサーミスタや温度感知デバイス；
光電子工学用の化合物半導体（CdSe、ZnSe）の製造；
特定の製薬および化粧品製剤での抗酸化剤。

生物学的および栄養学的役割

セレンは人間および動物の健康に不可欠な微量元素です。セレンは、グルタチオンペルオキシダーゼ（GPx）やチオレドキシンレダクターゼ（TrxR）などの複数の抗酸化酵素の機能において重要な役割を果たし、これらは細胞をフリーラジカルによる酸化損傷から保護します。

セレンはタンパク質中でセレノシステインの形で取り込まれ、これはしばしば21番目のアミノ酸と呼ばれます。この取り込みには、通常は翻訳の停止信号として使用される特定のコドン（UGA）を認識する専門の細胞機構が必要です。人間では約25種類のセレノプロテインが同定されています。

成人の1日のセレン必要量は約55マイクログラムです。セレン欠乏は心臓障害（克山病）、甲状腺障害、免疫力低下を引き起こす可能性があります。克山病は1930年代に中国で発見された心筋症で、特定の地域の土壌中の重度のセレン欠乏によって引き起こされます。

しかし、セレンは有益な投与量と有毒な投与量の間に狭い治療窓を持っています。セレンの過剰摂取（1日400マイクログラム以上）はセレン中毒を引き起こし、脱毛、爪の喪失、消化器障害、神経学的問題、およびメチル化セレン化合物の排泄による呼気のニンニク臭が特徴です。

セレンの主な食物源には、ブラジルナッツ（特にセレンが豊富）、海産物、内臓、肉、全粒穀物、卵が含まれます。植物性食品のセレン含有量は、栽培された土壌のセレン濃度に大きく依存します。

天体物理学および宇宙論における役割

セレンは、いくつかの恒星核合成プロセスによって星で合成されます。セレン同位体は主に、漸近巨星分枝（AGB）星における遅い中性子捕獲プロセス（sプロセス）およびII型超新星や中性子星合体などのカタストロフィックなイベントにおける速い中性子捕獲プロセス（rプロセス）によって生成されます。

セレンの6つの安定同位体（\(\,^{74}\mathrm{Se}\), \(\,^{76}\mathrm{Se}\), \(\,^{77}\mathrm{Se}\), \(\,^{78}\mathrm{Se}\), \(\,^{80}\mathrm{Se}\), \(\,^{82}\mathrm{Se}\)）の分布は、sプロセスとrプロセスの核合成への異なる寄与を反映しています。原始的な隕石中のセレン同位体比の研究は、太陽系の形成条件と異なる核合成プロセスの相対的な寄与に関する貴重な情報を提供します。

セレンの宇宙存在量は比較的低く、水素の原子数に対して約3×10⁻⁹倍です。この希少性は、この原子質量領域（A ≈ 75-82）における核合成の困難さと、セレンが中程度の核安定性を持つ領域にあることに起因します。

イオン化セレン（Se II、Se III）のスペクトル線は、特定の高温星や特異な恒星天体のスペクトルで検出されています。これらの線の観測は、恒星の化学的豊富化と銀河の化学進化を研究するのに役立ちます。

セレンはまた、隕石中の同位体異常の研究において興味深い役割を果たします。カルシウムとアルミニウムに富む包有物（CAIs）の一部はセレン-82の過剰を示し、太陽系形成前に特定の恒星環境で形成されたプレソーラー粒子の寄与を示唆しています。

注記：
セレンは地殻中に平均約0.00005%の質量比（0.5 ppm）で存在し、水銀と同程度の比較的希少な元素です。セレンは通常、独自の鉱物を形成せず、銅、鉛、ニッケル、銀の金属硫化物に関連して見られます。主なセレン含有鉱物はクラウスタライト（PbSe）、ティーマン石（HgSe）、ナウマン石（Ag₂Se）です。

セレンは主に銅の電解精製の副産物として抽出され、陽極泥に蓄積します。もう一つの重要な源は鉛と亜鉛鉱石の処理です。世界のセレン生産量は年間約2,500トンで、主に日本（≈40%）、ベルギー、ドイツ、カナダ、ロシアで生産されています。

地球の土壌中のセレンの分布は非常に不均一です。アメリカのグレートプレーンズのような地域はセレンに富んだ土壌を持ちますが、中国の一部の地域は重度のセレン欠乏を示します。この地理的格差は公衆衛生と農業に重要な影響を与えます。

セレンのリサイクルは、電子工学と太陽光発電の成長に伴いますます重要になっています。セレンは使用済みの複写機、寿命を終えた太陽電池パネル、産業プロセスから回収することができます。現在のリサイクル率は総生産量の約30%と推定され、多くの希少元素よりもはるかに高いです。

セレンの世界的な需要は、主に太陽光発電、冶金、栄養補助食品セクターによって着実に増加しています。セレンはそのグリーンテクノロジーにおける重要性と生産の地理的集中のため、複数の国によって戦略的元素と見なされています。