最終更新：2025年12月16日

スズ (50)：青銅器時代の祖先金属

スズの発見の歴史

スズは古代から知られる金属の一つで、人類は少なくとも紀元前5000年から使用してきました。その発見と利用は、人類の歴史における大きな転換点である青銅器時代（紀元前3300年-紀元前1200年）をもたらしました。銅（約90%）とスズ（約10%）の合金である青銅は、純銅よりもはるかに硬く耐久性があり、武器、農業、工芸品を変革しました。

メソポタミア文明、エジプト文明、インダス川流域の文明は、紀元前3千年紀には青銅の冶金術をマスターしていました。スズの鉱床は希少で貴重であり、広範囲にわたる交易路が形成されました。イギリスのコーンウォールの鉱山は古代から採掘され、フェニキア人やローマ人にスズを供給し、伝説的な存在となりました。スズの供給源を支配することは、大きな戦略的優位性をもたらしました。

スズという名前は、ラテン語のstannumに由来し、これはもともと銀と鉛の合金を指していましたが、後に純粋なスズを指すようになりました。化学記号Snは、ラテン語のstannumから直接来ています。英語のtinは、古英語とゲルマン語に由来し、古代ヨーロッパ文化におけるこの金属の重要性を反映しています。

数千年にわたって知られていたにもかかわらず、スズは18世紀に近代化学が発展するまで、独立した化学元素として認識されませんでした。アントワーヌ・ラボアジエは、1789年に発表した化学元素のリストにスズを含め、その科学的認識を確立しました。

構造と基本的な性質

スズ（記号Sn、原子番号50）は、周期表の14族に属する炭素、ケイ素、ゲルマニウム、鉛とともに、ポスト遷移金属です。その原子は50個の陽子、通常70個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{120}\mathrm{Sn}\)）、および電子配置 [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p² の50個の電子を持ちます。

スズは明るい銀白色の金属で、柔らかく展性に富んでいます。その安定したβ形（白色スズ）の密度は7.31 g/cm³です。スズは、性質が全く異なる2つの主要な同素体を示します：αスズ（灰色スズ）とβスズ（白色スズ）、これらは13.2 °Cの遷移温度で区切られています。

白色スズ（β-Sn）は13.2 °C以上で安定し、金属的で延性と展性があり、正方晶構造で結晶化します。これはすべての実用的な応用で使用される形態です。灰色スズ（α-Sn）は13.2 °C以下で安定し、灰色で粉末状の半導体であり、ケイ素と同様のダイヤモンド立方構造で結晶化します。低温での白色スズから灰色スズへの変化は、27%の体積膨張を伴い、「スズペスト」または「スズ病」と呼ばれます。

白色スズは232 °C（505 K）で融解し、2602 °C（2875 K）で沸騰します。比較的低い融点は、はんだや低融点合金での使用を容易にします。スズは淡水や海水による腐食に強いですが、強酸や強塩基には侵されます。

スズの融点：505 K（232 °C）。
スズの沸点：2875 K（2602 °C）。
α-Sn → β-Snの遷移温度：286 K（13.2 °C）。

スズの同位体表

スズの同位体（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
スズ-112 — \(\,^{112}\mathrm{Sn}\,\)	50	62	111.904818 u	≈ 0.97 %	安定	天然スズの中で最も軽く、最も希少な安定同位体。
スズ-114 — \(\,^{114}\mathrm{Sn}\,\)	50	64	113.902779 u	≈ 0.66 %	安定	天然スズの中で2番目に希少な安定同位体。
スズ-115 — \(\,^{115}\mathrm{Sn}\,\)	50	65	114.903342 u	≈ 0.34 %	安定	3番目に希少な安定同位体。NMR分光法に使用されます。
スズ-116 — \(\,^{116}\mathrm{Sn}\,\)	50	66	115.901741 u	≈ 14.54 %	安定	天然スズの中で4番目に豊富な安定同位体。
スズ-117 — \(\,^{117}\mathrm{Sn}\,\)	50	67	116.902952 u	≈ 7.68 %	安定	天然スズの中で5番目に豊富な安定同位体。
スズ-118 — \(\,^{118}\mathrm{Sn}\,\)	50	68	117.901603 u	≈ 24.22 %	安定	スズの中で2番目に豊富な同位体で、全体の約4分の1を占めます。
スズ-119 — \(\,^{119}\mathrm{Sn}\,\)	50	69	118.903308 u	≈ 8.59 %	安定	6番目に豊富な安定同位体。メスバウアー分光法に使用されます。
スズ-120 — \(\,^{120}\mathrm{Sn}\,\)	50	70	119.902194 u	≈ 32.58 %	安定	スズの中で最も豊富な同位体で、全体の約3分の1を占めます。
スズ-122 — \(\,^{122}\mathrm{Sn}\,\)	50	72	121.903439 u	≈ 4.63 %	安定	7番目に豊富な安定同位体。
スズ-124 — \(\,^{124}\mathrm{Sn}\,\)	50	74	123.905274 u	≈ 5.79 %	安定	8番目で最後の安定同位体。スズの中で最も重い安定同位体。

スズの電子配置と電子殻

注：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

スズは50個の電子を5つの電子殻に持っています。その完全な電子配置は： 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p²、または簡略化して：[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p²。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(4)とも表記できます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含みます。この内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）の配置を形成しています。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布しています。この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が分布しています。完全な4d軌道は特に安定しています。
O殻 (n=5)：5s² 5p²に4個の電子が分布しています。これらの4個の電子がスズの価電子です。

価電子と酸化状態

スズは4個の価電子を持ちます：2個の5s²電子と2個の5p²電子。主な酸化状態は+2と+4です。+4状態では、スズは4個の価電子を失い、Sn⁴⁺イオンを形成します。この状態は、酸化スズ(IV)（SnO₂）、塩化スズ(IV)（SnCl₄）、および有機スズ化合物など、ほとんどの化合物に見られます。

+2状態では、スズは2個の5p²電子のみを失います（不活性電子対効果）。この状態は、14族を下るにつれて徐々に安定になります。酸化スズ(II)（SnO）や塩化スズ(II)（SnCl₂）などの化合物は一般的ですが、スズ(IV)化合物に酸化しやすいです。塩化スズ(II)は、化学合成で強力な還元剤として使用されます。

化学的反応性と腐食

スズは室温で空気中で比較的安定で、ゆっくりと保護酸化膜を形成し、さらなる腐食を防ぎます。この耐食性は、他の金属（ブリキ）を保護するための歴史的および現代的な使用を説明しています。スズは淡水、海水、および多くの有機化合物に対して優れた耐性を示します。

スズは強酸と反応して、条件に応じてスズ(II)またはスズ(IV)塩を形成します：Sn + 2HCl → SnCl₂ + H₂（希酸）、またはSn + 4HNO₃ → Sn(NO₃)₄ + 2NO₂ + 2H₂O（濃硝酸）。強塩基もスズを攻撃し、スタンナートを形成します：Sn + 2NaOH + 4H₂O → Na₂[Sn(OH)₆] + 2H₂。

スズはハロゲンと反応して四ハロゲン化物（+4状態）を形成します：Sn + 2Cl₂ → SnCl₄。四塩化スズは、有機合成で使用される発煙液体です。スズはまた、多くの有機スズ化合物（R₄Sn、R₃SnXなど）を形成し、これらは触媒、PVC安定剤、殺生物剤として広く使用されていますが、その毒性により使用が制限されています。

スズの産業および技術的応用

鉛フリー電子はんだ（Sn-Ag-Cu、Sn-Cu合金） - 需要の約50%；
ブリキの防食コーティング（缶、金属包装）；
青銅合金（銅-スズ）の彫刻、軸受、海洋応用；
フロートガラス（窓やガラス板）のコーティング；
低融点のろう付けおよびはんだ合金；
PVC安定剤としての有機スズ化合物（使用は減少傾向）；
化学における触媒および還元剤（SnCl₂）；
ガスセンサーおよび透明電極用の酸化スズ（SnO₂）；
歯科および義肢用合金；
パイプオルガンおよびスズ食器（スズ/アンチモン/銅）；
軸受および摩擦防止合金（青銅、バビット）；
タッチスクリーンのインジウムスズ酸化物（ITO）；
白色光効果を生み出す花火。

鉛フリーはんだ：スズの革命

スズの現代的な主要な応用は、世界需要の約50%を占める電子はんだです。数十年間、スズ-鉛合金（典型的には63% Sn、37% Pb）が電子機器のはんだの標準であり、融点183 °Cと優れた濡れ性を持っていました。

鉛の毒性とその環境への影響に対する認識が高まり、厳格な規制が採用されました。特に、欧州連合のRoHS（有害物質規制）指令（2006年）は、ほとんどの電子機器での鉛の使用を禁止しました。この規制は技術革命を引き起こし、鉛フリーはんだへの移行が進みました。

鉛フリーはんだは主にスズをベースに、さまざまな添加剤を含んでいます。最も一般的な合金はSAC（スズ-銀-銅：96.5% Sn、3% Ag、0.5% Cu）で、融点は217-220 °C、および低コストの応用のためのSn-Cu（99.3% Sn、0.7% Cu）です。この移行には、電子製造プロセスの完全な見直しが必要で、はんだ付け温度の上昇と長期的な信頼性の課題が伴いました。

この移行により、はんだ用のスズの世界的な需要が急増し、1990年代の約50,000トン/年から2020年代には180,000トン/年以上になりました。各スマートフォンには約0.5-1グラムのスズがはんだに含まれ、各ノートパソコンには3-5グラム含まれており、消費者向け電子機器の普及により巨大な需要が生まれています。

ブリキと食品産業

ブリキは、薄いスズの層（通常2-10ミクロン）でコーティングされた鋼板で、19世紀に食品の保存を革命的に変えました。ニコラ・アペールは1810年に缶詰を発明し、ピーター・デュランドは1810年にブリキ缶を特許取得しました。この革新により、食品の長期保存が可能になり、食品、貿易、軍事ロジスティクスが変革されました。

スズのコーティングは、鋼を腐食から保護し、金属イオンが食品に移行するのを防ぎます。スズは無毒で、ほとんどの食品と化学的に不活性であり、効果的な保護バリアを形成します。アルミニウムやプラスチックが一部の応用でブリキを徐々に置き換えていますが、ブリキ缶は依然として広く使用されており、世界のスズ需要の約15-20%を占めています。

天体物理学と宇宙論における役割

スズは主に、漸近巨星分枝（AGB）星におけるsプロセス（遅い中性子捕獲）によって星で合成され、超新星や中性子星の合体時のrプロセス（速い中性子捕獲）も寄与します。スズは、10個の安定同位体を持つことで、すべての元素の中で最も多く、50個の陽子（魔法数）を持つ核の特別な安定性を反映しています。

スズの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約4×10⁻⁹倍です。この重い元素に対して比較的高い存在度は、Z=50（完全な陽子の魔法数殻）の核の例外的な安定性によって説明され、核合成過程でのスズ同位体の形成と生存を促進します。

スズの10個の安定同位体は、sプロセス、rプロセス、およびpプロセス（陽子捕獲）のさまざまな組み合わせによって生成され、それぞれが特定の同位体に対して支配的です。原始的な隕石中のスズの同位体比の分析は、これらのプロセスが太陽系の組成に対する相対的な寄与と、原始太陽星雲の不均一性に関する貴重な制約を提供します。

中性スズ（Sn I）とイオン化スズ（Sn II）のスペクトル線は、重元素に富んだ冷たい星や巨星のスペクトルで観測可能です。これらの線の分析により、スズの存在度を決定し、銀河の化学的進化を追跡することができ、AGB星がsプロセス元素の生産における役割を確認します。

注：
スズは地殻中に平均約2 ppmの濃度で存在し、比較的希少です。亜鉛の約1000分の1の存在量ですが、銀の40倍豊富です。主なスズ鉱石は錫石（SnO₂）で、約78%のスズを含み、通常、熱水脈または沖積鉱床（プラサー）の形で存在します。

世界のスズ生産量は年間約350,000トンです。中国が世界総生産量の約40%を占め、次いでインドネシア（20%）、ミャンマー（15%）、ペルー（7%）、ボリビアが続きます。コーンウォールの歴史的な鉱床は20世紀に枯渇しましたが、東南アジアと南アメリカでの採掘が続けられています。

スズのリサイクルは重要で、年間供給量の約30%を占めています。スズは主に使用済みブリキ（電解または化学的脱スズ）、スラグおよび精錬残渣、電子廃棄物から回収されます。スズの高いリサイクル率は、その経済的価値、回収の容易さ、環境への配慮によるものです。スズは、十分な埋蔵量と多様な供給源があるため、ほとんどの国では重要な材料とは見なされていません。