Hidden in Plain Sight
1930年代のアールデコ・デザインでのクロムめっきの使用から始まり、1950年代から1960年代の自動車、家具、家電製品での全盛期まで、クロムは目まぐるしい現代社会と密接に関係してきました。 他の金属とは異なり、クロムは古代または先史時代には使用されていませんでした。
大量のクロムは、2つの鉱物で自然に発見されます。 クロマイトと呼ばれるより一般的なものは、暗い、鈍い石で、簡単に見落とされた。 2つ目は、クロコアイトと呼ばれる鉱物で、見た目は珍しいですが、非常に稀です。 クロコアはクロム酸鉛とも呼ばれ、1765年にシベリアのエカテリンブルグ近郊のベレゾフ鉱山で地質学者によって発見された。 鮮やかなオレンジ色のこの鉱物は、4面体の結晶として初期の石材収集家に珍重された。 また、芸術家たちは、赤みがかったオレンジ色の美しいクロコアイトの破片を大切にしていた。 しかし、この鉱石は商業的に利用するにはあまりに希少である。
All the Colors of the Rainbow
1797 年にフランスの化学者 Louis Nicholas Vauquelin によって、クロム元素が単離されました。 彼は、生成したクロム化合物がそれぞれ鮮やかな色をしていたことから、ギリシャ語で色を意味する「クロマ」からこの元素を命名しました。 彼は、赤、明るい黄色、深い緑を発見し、ペルー産エメラルドに含まれる微量のクロムが、その色の原因であることを突き止めた。 1799年、パリに住むドイツ人化学者が、後にクロマイトと呼ばれるようになる暗くて鈍い石の中にクロムを発見した。 この鉱物はクロサイトよりも豊富で、クロムの入手しやすさが、さまざまな産業での革新や発見を促しました。
王女と馬車
ヴォークリンがクロムと名付けたカラフルなクロム化学物質は、すぐに繊維産業で実用化されました。 合成染料が登場する以前は、染料はすべて鉱物や植物などの自然界に存在するものであった。 しかし、これらの染料は、洗濯をするとすぐに色あせてしまう。 そこで、色を定着させるために、媒染剤と呼ばれる化学物質が使われるようになった。 媒染剤は化学的に染料と素材の繊維を結合させ、にじみや色あせを防ぐ。 1820年には、綿やウールの産業界で、重クロム酸カリウムなどのクロム化合物を大量に使って染色していた。 1822年、ヴォークリンの弟子の一人、アンドレアス・クルツはイギリスに渡り、重クロム酸カリウムの生産を始め、イギリスの繊維産業に1ポンド5シリングで販売した。 その後、地元のメーカーが続々と参入し、競争によって価格は8分の1の8ペンスにまで下がった。 しかし、これでは満足な利益が得られない。そこで、カーツは他のクロム化合物、特にクロム顔料の生産を始めた。 このクロムイエローは、イギリスの君主ジョージ4世の娘、シャーロット王女の馬車の塗装に使われ、人気を博した。 これが、今日のニューヨークのタクシーに代表される「イエローキャブ」の原点となったのだろう。
Alloy for a Better Iron
クロム化学は顔料産業で急速に商業的重要性を増したが、クロムは他の分野では印象が変わるまでに時間がかかった。 その1つが、冶金（金属製造）産業である。 1800年代半ばから、鉄鋼メーカーは鉄にクロムを添加することで、より硬く、より有用な金属ができることを発見しました。 このような金属の混合物は合金と呼ばれる。 鉄は、純粋な形であれば、加熱して、曲げたり、槌で打ったり、「錬る」ことによって、さまざまな形にすることができます。 この方法で作られた鉄の物体は中程度の硬さしかなく、使っているうちに曲がってしまうことがあります。 鉄を溶かして鋳型に流し込む「鋳鉄」は、冷えるともろくなる。 しかし、鉄に炭素を加えると、その組織や性質が変化する。 この混合物を加熱すると、非常に延性の高い段階に達し、容易に成形することができる。 冷えると強度と剛性が増し、鉄よりも強くなる。 この工程を「焼き戻し」という。
この混合物にクロムを加えると、鋼が冷却されるときに起こる変態を遅らせてより硬い鋼を作ることができ、1865年から3～5％のクロムを含む鋼が生産されるようになった。 5％以上のクロムを含む鋼の耐食性-特性が注目されたのは、1900年代初頭のことであった。 クロムの含有率が高いほど、鋼は多くの腐食性物質や環境に対して高い耐性を持つようになる。 このような「ステンレス」鋼は、高い強度と耐腐食性を必要とする材料に多く使用されている。 ステンレス鋼の最もよく知られた用途は、おそらくカトラリーや調理器具であろう。 例えば、「18-8」という刻印は、その鋼が18％のクロム（強度）と8％のニッケル（光沢）を含んでいることを示す。 現在、ステンレス鋼の製造におけるクロムの使用量は、クロム消費量の60パーセントを占めている。 ステンレス製の調理器具やカトラリーは、全米のキッチンで見かけることができる
Toasters to Bumpers: クロムは王様」
キッチンには別の形でクロムが使われています。電気メッキされたクロムが、シンクの備品や家電製品を鏡のような膜で覆っています。 クロムの電気めっきの基本原理が1924年まで発見されていなかったことを考えると、電気めっきされたクロムの遍在ぶりは印象的です。 1843年にフランスで出版されたアントワーヌ・セザール・ベクレルの電気化学の本がその始まりである。 彼は、塩化クロムと硫酸クロムの溶液に浸しておくと、表面にクロムが析出することを示唆した。 1849年には、フランス人が、鉄に金を付着させる方法の特許を取得し、中間的なクロムめっきを施した。 ブンゼンバーナーの発明者であるR. W. von Bunsenは、クロムの電気めっきを研究し、1854年に塩化クロム溶液から電着クロムの小さなサンプルを作りました。 初期の実験者たちは、塩化クロムや硫酸塩の溶液を試しましたが、ほとんど成功しませんでした。 ドイツ人教授がクロム酸溶液を電気分解したところ、クロムが析出することに気づき、偶然にも正しい溶液が発見された。 この意外な発見をきっかけに、コーネル大学やコロンビア大学のコリン・G・フィンク教授と数人の大学院生が研究を行い、プロセスを解明した。 プラチナ製の結婚指輪を摩耗から守るために、クロムがメッキに使われたのです。 メッキ加工が安価で一般的になるにつれ、配管設備や家庭用電化製品にクロムがメッキされるようになりました。 メッキ加工が安価で一般的になると、配管設備や家電製品にクロームメッキが施されるようになり、光沢のある表面と耐腐食性により、メッキ製品は美的にも機能的にも好まれるようになりました。 やがて、消費者はすべての家電製品にクロームメッキを要求するようになり、自動車メーカーも1950年代の自動車デザインの特徴であるクロームメッキのバンパーやモールディングを作るようになった。 「
装飾用クロムめっきが華々しくデビューしたのと同時に、クロムめっきの工業的用途が発見されました。 クロムは非常に硬い金属で、摩擦係数が低い。 そこで、自動車のシリンダーなど摩耗の激しい機械部品に厚いクロムメッキを施し、部品の寿命を大幅に延ばした。 また、ボイラーのパイプにもクロムが使われるようになった。 鉄でできたパイプには、沸騰したお湯に含まれる鉱物の沈殿物であるスケールが付着し、それがパイプの表面から剥がれ落ちて詰まりを起こします。 しかし、クロームメッキを施したパイプは、スケールが剥がれ落ちない。
これらの用途にクロムが広く使用されているため、環境、食品、人体組織内のクロムの量を測定することが困難になっている。 科学者たちは、微量のクロムを正確に測定するために、極めて厳格な金属を使わない「クリーン」な技術を使用している。 しかし、ステンレス製の実験器具などに含まれるクロムは、適切に保管、処理、分析されていないサンプルを容易に汚染してしまいます。
Too Hot to Handle: 耐熱材料
極端な熱の条件下でも反りや溶融が起きにくいクロム鋼は、ジェットエンジン部品などの高温用途に最適です。 クロムの原石であるクロマイトも同じように熱に強い。
耐火物は、金属製造、特に金属の精錬や鉄などの合金を作る際に使われる高炉やルツボの内部を覆う断熱材として使用されます。
高炉は高い円筒形の塔で、底に大きなボウル状の構造物であるルツボがあり、上部は少し先細りになっています。 炉の上部には鉱石などの混合物（装入物）が入れられ、下部から熱風が吹き上げられる。 装入物の化学反応により、金属と廃棄物（スラグ）が分離され、精製された金属がルツボに集まる。 通常、スラグは上に浮き、金属はるつぼの底にある注ぎ口から注がれる
稼働中の高炉は非常に高温である。 この高温は、鉱石から金属を分離する化学反応を促進するために必要である。 しかし、この熱は、鉱石が高炉の壁やるつぼの内張りの材料と反応し、精錬される金属を汚染する可能性がある。 また、この熱で炉壁が膨張すると、塔の構造に支障をきたす可能性があります。 そのため、壁には適切な化学組成が要求される。 コンクリートやセメントなどの一般的な建材ではこのような状況に耐えられず、建物に使用する鉄は遮蔽しなければ炉内の金属と同じように溶けてしまうことは明らかです。 耐火物、すなわち耐熱材料は融点が高く、化学的に安定している。
フランスでは当初、マグネサイトやドロマイト（他の耐火鉱物）とともに、クロム酸塩が耐火物として使用されていた。 1890年代までは、鉱山から直接切り出された固体クロマイトのレンガが、さらなる精製や加工をせずに使用されていました。
米国や英国で鉄鋼業が発展するにつれ、メーカーはクロマイトやマグネサイトを粉砕した耐火レンガを開発した。 これは、砕いた鉱石の破片が選鉱に必要な大きな固形ブロックと同じくらい有用であったため、選鉱ブロックよりも安価に製造することができました。 砕いた鉱石を樹脂と混ぜ、プレスしてレンガ状にしたものである。 また、粘土のように低温で焼成する方法もある。 1930年代には、クロマイトとマグネサイトをさまざまな割合で混合した耐火物が、用途に応じて生産されるようになった。 2000年には、世界で400万トンのクロマイトが採掘された。 米国では年間約9万トンが消費されている。 1982年には、クロマイトの11%が耐火物に使用されていたが、1989年には7%に減少した。
技術の進歩により、クロマイトは20世紀初頭に比べて、今日では耐火物としての重要性が低下している。 しかし、ステンレス鋼の重要な合金としては、依然としてかけがえのないものである。 鉄鋼製造におけるクロムの価値が広く認識される以前から、アメリカではこの鉱石の発見によりある家族が非常に裕福になり、クロム産業のリーダーとしての地位を確立しました。
The American Chrome Tycoon
こうしたクロムベースの産業の出現により、クロム鉱石の需要は高くなりました。 1830年頃まで、世界のクロマイトの大部分は、パラスが最初にクロマイトを発見したシベリアから産出されていた。 アマチュア地質学者として、Isaac Tysonはクロマイトを研究し、その価値と商業的可能性を知っていた数少ないアメリカ人でした。
1827年の夏、彼はボルチモア市場に立っていたとき、アップルサイダーの樽を運ぶカートに気づきました。 重い黒い石が樽の間に挟まれていて、樽が転がらないようになっていたのです。 彼は、ボルチモアから6マイル離れた父親の家の近くで、同じような石を調べたことがあり、この石がクロマイトという鉱物であることを認識したのです。 タイソンは、この石がボルチモアから北東に27マイル離れたハーフォード郡のリード農場で産出されたものであることをすぐに突き止めた。 タイソン氏はこの農場を買い取り、地表から8フィートのところにクロマイト鉱石が眠っていることを突き止めた。 タイソン氏は、ボルチモア周辺にもっと鉱脈があると確信し、さらに広範囲に探した。 1828年、彼はペンシルベニア州のウッド農場で鉱石を発見した。
タイソンはその土地をウッド鉱山に変え、最終的に10万トンの鉱石を産出した。 やがてタイソンは、ペンシルベニア州、バージニア州、メリーランド州のすべての鉱床の鉱業権を所有するようになった。 シベリアの鉱脈が枯渇する中、タイソンはクロム鉱石を国際的に独占するようになった。 しかし、1848年、トルコでクロムが発見されると、タイソンは独占権を失った。 タイソンは、イギリスのカーツと同じように、他の製品に目を向け、繊維産業用のクロム化学品の生産を開始した。 こうして、彼はアメリカの化学工業のパイオニアとなったのである
Cancer Risk in the Workplace?
クロムの商業的用途のほとんどは、クロマイト（クロム+3）から、クロマイト鉱石を粉砕し、反応化学物質で加熱する化学焙煎プロセスによって生産される、クロム+6の形態を必要とします。 この工程では、大量の粉塵と空気中のクロムが発生する。
20世紀前半、鉱石処理中の空気中のダストレベルは非常に高く、ピーク生産時間帯には工場の床を挟んで反対側の壁が見えないと言われたほどでした。
1930年代、ドイツの産業衛生学者たちは、クロム鉱石産業で働く労働者の肺癌などの呼吸器系癌の発生率が、他の同様の職業よりも高いことに気づき始めた。 数年後の剖検では、生涯にわたってこれらの粉塵にさらされた労働者の肺には、重量にして10％ものクロムが含まれていることが示された。 1900年から1940年にかけては、一般の人々にはタバコは珍しく、中年男性には肺がんはまだ比較的まれであった。
これらの観察に基づいて、ドイツ人はクロム産業における粉塵レベルと個人暴露を減らすための一連の措置を開始し、現在の近代産業衛生慣行の始まりとなった。 1950年代と1960年代に行われた職業性クロムへの暴露に関する主要な疫学研究では、鉱石中に自然に存在するクロム+3ではなく、工業的に生産されたクロム+6を含む粉塵への暴露が、肺がんと関連していることが明らかにされた。 これらの研究はまた、特定の形態のクロム粉塵、特にクロム酸カルシウムのような水への溶解度が中程度の化合物が最も懸念されることを示唆した。
この時期には、製造工程の変更、クロムの形態の代替、個人用保護衣の使用、およびその他の対策により、労働者の暴露を減らすための協調的な努力が行われた。 政府機関は暴露の許容レベルを設定し、それは追加の研究から得られた新しい情報に従って継続的に改訂された。 その結果、粉塵量は大幅に減少し、作業者の被ばく量も減少しました。 最近の研究によると、これらの慣行が実施された後、1960年代以降にこれらの産業で働き始めた労働者の呼吸器がんのレベルは、一般集団と大きな違いはない。
Chromium on the Silver Screen
映画「エリン・ブロコビッチ」（2001、ユニバーサルスタジオ）では、カリフォルニア州の小さな町の水を汚染した巨大企業としてパシフィックガスと電気が描かれた。
1960年代、PG&Eは冷却液の防錆剤としてクロム6化合物の二クロム酸ナトリウムを使用していました。 現代の石油化学工場や製油所には、発電機や冷凍機などの機械から発生する余分な熱を取り除くために、大きな冷却塔が設置されています。 冷却塔の冷却水には、時間の経過とともに腐食や鉱物の沈着が生じます。 このような堆積物は、プラントの効率を低下させ、長くて高価な洗浄のために生産を停止する必要があります。 しかし、冷却液に重クロム酸ナトリウムを添加すると、腐食や鉱物の蓄積はほとんどなくなります。
時間の経過とともに、重クロム酸ナトリウムはクロム+3 に分解されます。 これが起こると、溶液は防錆剤としてますます効果がなくなります。 その結果、PG&Eはすぐに大量の廃液を溜め込んでしまいました。 この廃液を浅い池にため、残りの溶液が蒸発したら、池の底からクロム廃液を浚うつもりだった。 しかし、砂漠の砂地という地質が考慮されていなかった。
今日、ヒンクリーのいくつかの井戸で、クロム+6の濃度が通常より高くなっています。
20世紀初頭にクロム鉱石労働者に見られた呼吸器系の癌と関連する病気は、クロムへの曝露に関連した唯一の文書化された病気です。 米国環境保護庁、米国疾病管理予防センター、世界保健機関、国際がん研究機関などの国内外団体から、ヒトや実験動物における飲料水へのクロムの曝露による他の悪影響は報告されていません。
映画「エリン・ブロコビッチ」の基となった訴訟に一部対応し、最近カリフォルニアでは飲料水中のクロムの許容量を下げることを検討しています。 しかし、この決定を検討するためにカリフォルニア州環境保護局が招集した専門家委員会は、その報告書の中で、現在の基準は人間の健康を守るものであり、飲料水中のクロムによって病気のリスクが高まるという証拠はないと結論づけています。
Essential for Life
鉄、カルシウム、亜鉛、セレンなどのビタミンやミネラルと同様に、クロムは必須微量元素であり、通常の健康のために食事で必要とされるものです。 ほとんどの日用ビタミン製剤は、50～200マイクログラムのクロムを含んでいます。 1950年代の研究では、クロムが血液中のグルコースレベルの調節に関与している可能性が示唆されました。 グルコースは、私たちの体が燃料として使用する砂糖です。 血中グルコースレベルは、主にインスリンの放出によって調節される。 インスリンによる適切なグルコースコントロールの欠如は、糖尿病の基礎となるものです。 1960年代にダートマス大学の研究者ヘンリー・シュローダーが行った動物実験では、少なくとも実験動物では、正常なグルコース調節にクロムが必要であることが証明されました。 これは、まずクロムを食事から完全に除去し、動物に糖尿病のようなグルコースの問題を引き起こし、次にクロムを食事に戻し、問題を解消することで証明されました。 もちろん、究極の科学的証明は、ある物質が人間にとって不可欠であるという直接的な証拠（英国の壊血病の観察など）であろうが、クロムについては長年この証拠が欠けていた。 ところが1970年代、ある若い医師が、昏睡状態に陥った若い女性を救うために、大胆かつ珍しい実験を行った。 つまり、砂糖やアミノ酸などの栄養素が入ったビニール袋から、すべての栄養が点滴で投与されたのです。 何週間もかけて、糖尿病のような状態になり、インスリンの注射にも思うように反応しなくなった。 彼女を治療した医師は、クロムの動物実験について読み、彼女のTPNバッグにクロム+3を加えてみることにしました。 数日のうちに彼女の糖尿病状態は完全に消失した。 この観察は他の数人の患者でも繰り返され、正常なグルコース調節のためにクロム+3が必要であることが人間で直接実証された。 クロムは現在、TPNやその他の人工栄養の標準的な成分です。
ほとんどの研究では、肉、穀物、果物、野菜などの通常のバランスのとれた食事から必要なすべてのクロムが得られると示唆されています。 しかし、サプリメントは、糖尿病患者やグルコース調整の不均衡を持つ他の人々、高齢者や栄養不良の人々にとって有益であることが示されています。
Chromium, Vols. 1 and 2, Udy, Martin J. Ed. Reinhold Pub. Co., New York 1956.
Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology（カーク・オスマー化学技術百科）. 第4版。 第3巻、820-875頁。 Wiley & Sons, New York 1998.
Written by:
Erik Jacobson Science Writing Intern