次世代技術を支えるジルコニウムとは？用途や性質を現役理系学生ライターが5分でわかりやすく解説！

ライター／通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻している。これらの学問への興味は人一倍強い。資源材料学、環境化学工学、バイオマスエネルギーなども勉強中。

ジルコニウムについて学ぼう！

Alchemist-hp (pse-mendelejew.de). - 投稿者自身による作品, FAL, リンクによる

皆さんはジルコニウムという物質をご存知でしょうか？ジルコニウムは、元素周期表の中では5行目に存在しており、中学校や高校の化学の授業でもあまり取り扱われない影の薄い元素です。しかしながら、その単体や化合物は持続可能な社会を実現するために必要な次世代技術などに用いられています。

つまり、現在は影が薄いジルコニウムですが、今後期待が集まる可能性が高い物質なのです。今回の記事では、このようなジルコニアを化学・物理学・工学などの様々な学問の視点で解説していきます。それでは早速、ジルコニウムがどのような物質であるのかを説明していきますね。

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ジルコニウムとは？

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ジルコニウムは原子番号が40の金属元素であり、元素記号で表示するとZrとなります。ジルコニアは遷移元素で、チタン族に属しますよ。また、世界的に見た場合にも、その埋蔵量は少なく、レアメタルに属する元素でもあるのです。

単体のジルコニアは銀白色をしており、常温では六方最密構造の結晶になります。そして、ジルコニアは空気中で表面に酸化皮膜ができることが知られていますよ。つまり、ジルコニアは不働態なのですね。加えて、ジルコニアは人間にとって危険物・有害物になりにくいものでもあります。そのため、安全が求められる医療器具・装飾品などにも使われていますよ。

ジルコニウム鉱石の分布

ジルコニウムは自然界には単体では存在せず、ジルコン（ケイ酸ジルコニウム）やバデライト（二酸化ジルコニウム）などの鉱石として存在します。また、ジルコニウム鉱石が産出される場所もある程度限定されていますよ。

ジルコニア産出国を、産出量の多い順に並べると、オーストラリア・南アフリカ共和国・中華人民共和国・インドネシア・ウクライナ・インド・ブラジルとなります。このうち、オーストラリアと南アフリカ共和国を合わせた産出量が7割を超えていますよ。

ジルコニウムの主な用途

ここでは、ジルコニウムの用途について考えてみましょう。ジルコニウムが使用されている最も身近なものは結婚指輪などの装飾品ですよ。ジルコニウムは金属アレルギーを発症させにくいという特性があるので、装飾品に向ている素材なのですね。また、酸化皮膜を活かしたカラー装飾が可能であることも知られていますよ。

また、ジルコニウムの工業的な用途としては、原子炉の燃料棒被覆材料などが挙げられます。燃料棒被覆材料は、放射性物質を外部に流出しないように封じ込めるという重要な役割を果たしていますよ。

ジルコニウムを含む化合物について知ろう！

ここまで、ジルコニウムという元素とは一体どのようなものか、その単体の用途とはどのようなものかといった事柄を説明してきました。以下では、ジルコニウムの化合物に焦点を当てた解説をしていきます。

実はジルコニウムは単体だけでなく、化合物も工業的にみて重要な資源なのです。このチャプターでは、ジルコニア・イットリア安定化ジルコニア・塩化ジルコニウム・ジルコニウム錯体について述べますね。

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ジルコニア

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ジルコニアは二酸化ジルコニウムの別名です。ジルコニアの用途として最も有名なものは、人工ダイヤモンドですよ。こちらは代替ジュエリーとして婚約指輪に使われたり、切削工具の先端部など使われたりしています。

また、ジルコニアのセラミックは遮熱性能が高いことが知られていますよ。このような特徴をもつことから、高温にさらされるガスタービンの遮熱材の原料としても使用されます。遮熱材はガスタービンの効率を向上させるために必要不可欠なものですよ。以上のような用途に加えて、ジルコニアは触媒として使用されることもあります。

イットリア安定化ジルコニア

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イットリア安定化ジルコニアは、ジルコニアにイットリア（酸化イットリウム）を添加した物質です。イットリア安定化ジルコニアのイットリウム含有率は10パーセント程度ですよ。ジルコニアと比べて、イットリア安定化ジルコニアは高温域での温度変化に強くなっています。

また、イットリア安定化ジルコニアには酸素イオンを伝導させることができるという特徴があるのです。この特徴を活かして、家庭用燃料電池や酸素センサーなどの製造に使用されますよ。家庭用燃料電池は、各家庭に供給される都市ガスから発電と給湯を同時に行える装置であり、省エネルギーに貢献する技術として開発されました。