実験部屋/無機化学

高校化学レベルアップ演習無機総合編 †

I) 次の気体の製法を述べよ †

1. 二酸化炭素
   • 石灰石(水酸化カルシウム)に塩酸を加える
     • CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2
2. 一酸化炭素
   • ギ酸に濃硫酸を加えて加熱する(濃硫酸による脱水)
     • HCOOH→H2+CO
3. 酸素
   • 過酸化水素水に触媒として二酸化マンガンを加える
     • 2H2O2→2H2O+O2
   • 塩素酸カリウムに触媒として二酸化マンガンを加えて加熱する
     • 2KClO3→2KCl+3O2
4. オゾン
   • 酸素中で無声放電する
5. 窒素
   • 硝酸アンモニウムを加熱分解する
     • 2NH4NO3→4H2O+O2+2N2
6. 塩素
   • 濃塩酸に酸化剤として酸化マンガンを加え加熱する
     • 4HCl+MnO2→MnCl2+2H2O+Cl2
   • さらし粉に濃塩酸を加える
     • CaCl?(ClO)・H2O+2HCl→CaCl2＋2H2O＋Cl2
7. 塩化水素
   • 塩化ナトリウムに濃硫酸を加えて加熱する
     • NaCl?+H2SO4→NaHSO4+HCl
8. 二酸化硫黄
   • 銅に濃硫酸を加えて加熱する
     • Cu+2H2SO4→CuSO4+2H2O+SO2
   • 亜硫酸水素ナトリウムに希硫酸を加える
     • 2NaHSO3+H2SO4→Na2SO4+2H2O+2SO2
9. アンモニア
   • 塩化アンモニウムに水酸化カルシウムを加え加熱する
     • 2NH4Cl+Ca(OH)2→CaCl2+H2O+2NH3
10. 一酸化窒素
    • 銅に希硝酸を加える
      • 3Cu+8HNO3→3Cu(NO3)2+4H2O+2NO
11. 二酸化窒素
    • 銅に濃硝酸を加える
      • Cu+4HNO3→Cu(NO3)2+2H2O+2NO2
12. 水素
    • 亜鉛に希硫酸を加える
      • Zn+H2SO4→ZnSO4+H2
13. 硫化水素
    • 硫化鉄(II)に希塩酸を加える
      • FeS+2HCl→FeCl2+H2S

II) 溶けやすい、溶けにくい気体をそれぞれ6つ述べよ †

• 溶けやすい気体
  • アンモニア・塩化水素・塩素・二酸化窒素・二酸化硫黄・二酸化炭素・クロロメタン など
• 溶けにくい気体
  • ヘリウム・ネオン・窒素・水素・硫化水素・一酸化酸素・酸素 など

III) 酸性(3つ)、中性(1つ)、塩基性(3つ)を示す乾燥剤をそれぞれ述べ、それぞれが使用出来ない気体を挙げなさい †

• 酸性
  • 五酸化二リンP2O5・十酸化四リンP4O10
    • ×塩化水素・アンモニア
  • 濃硫酸
    • ×硫化水素・アンモニア
• 中性
  • 塩化カルシウム
    • ×アンモニア
• 塩基性
  • 生石灰CaO・水酸化ナトリウム・ソーダ石灰(生石灰+水酸化ナトリウム)
    • ×酸性気体全般

IV) Li,Na,K,Cu,Ca,Sr,Ba がそれぞれイオンになった時の炎色反応を答えよ †

V) 炭酸イオン(2),硫酸イオン(3),水酸化物イオン(6),塩化物イオン(2),硫化物イオン(黒 4,黒以外 3),クロム酸イオン(3),シアン化物イオン(2),それぞれによって沈殿するイオンを()内の数だけ述べなさい、ただし沈殿した色も答えること †

• 炭酸イオン(2)
  • Ba2+(白)・Ca2+(白)
• 硫酸イオン(3)
  • Ca2+(白)・Ba2+(白)・Pb2+(白)
• 水酸化物イオン(6)
  • Ag+(褐)・Cu2+(青白)・Zn2+(白)・Al3+(白)・Zn2+(白)・Fe3+(赤褐) ※アルカリ・アルカリ土類金属以外は基本的に沈殿する(ほぼ白沈・NH3aqまたはNaOHaq過剰下で溶解する物もあるので注意)
• 塩化物イオン(2)
  • Ag+(白)・Pb2+(白)
• 硫化物イオン(黒 4,黒以外 3)
  • Fe2+・Ni2+・Pb2+・Cu2+・Hg2+・Ag+ (黒)
  • Mn2+(淡赤)・Zn2+(白)・Cd2+(黄)
• クロム酸イオン(3)
  • Ag+(赤褐)・Pb2+(黄)・Ba2+(黄)
• シアン化物イオン(2)
  • Fe2++K4[Fe(CN)6] (青白)
  • Fe3++K4[Fe(CN)6] (濃青)
    • ？

VI) ハーバー法,オストワルト法,アンモニアソーダー法をそれぞれ化学式を書いて説明しなさい(さらに、まとめた全体の反応も記せ) †

• ハーバー法
  • 高温高圧の条件で触媒に四酸化鉄をもちいる。
    • N2+3H2→2NH3
• オストワルト法
  1. アンモニアを白金触媒下で900℃程に加熱すると一酸化窒素が作られる
     • 4NH3+5O2→4NO+6H2O
  2. 一酸化窒素は空気中の酸素と反応し二酸化窒素となる
     • 2NO+O2→2NO2
  3. 二酸化窒素を水と反応させると硝酸と一酸化窒素が発生する(一酸化窒素は最初のサイクルに戻る)
     • 3NO2+H2O→2HNO3+NO
  • これをまとめると以下のようになる
    • 12NH3+21O2→8HNO3+4NO+14H2O
• アンモニアソーダー法
  1. 石灰石を加熱して、二酸化炭素を発生させる
     • CaCO3→CaO+CO2
  2. 食塩を水に飽和させ、そこにアンモニアを十分に溶かした後、二酸化炭素を通じる
     • NaCl?+H2O+NH3+CO2→NH4Cl+NaHCO3
  3. 炭酸水素ナトリウムを取り出し加熱する(ここで発生する二酸化炭素は回収して、先ほどの工程にもどして一部が再利用される)
     • 2NaHCO3→Na2CO3+H2O+CO2
  • これをまとめると以下のようになる
    • 2NaCl?+CaCO3→CaCl2+Na2CO3

VII) 隔膜法,水銀法,塩化ナトリウムの融解電解,接触法を化学式で書いて説明しなさい(VIに比べるとあまり頻度は高くない) †

• 隔膜法
  • 食塩水を電解することによってNa分を水酸化ナトリウムとして得る。同時にCl2とH2も得ることができる。
    • 陽極：Cl-→1/2Cl2＋e-
    • 陰極：H2O＋e-→1/2H2O＋OH-
    • 全体：Na+＋Cl-＋H2O→1/2Cl2＋1/2H2＋NaOH
• 水銀法
  • 陰極に水銀を使用した塩素および水酸化ナトリウムの工業的製法
    • ※化学式が見つかりませんでした
• 塩化ナトリウムの融解電解
  • 陽極は炭素、陰極はステンレスを使用し、塩化ナトリウムを高温下で融解させて電気分解する
    • 陽極：Cl-→1/2Cl2＋e-
    • 陰極：Na+＋e-→Na
    • 全体：Na+＋Cl-→1/2Cl2＋Na
• 接触法
  • 硫酸の工業的製法
  1. 硫黄を酸化し二酸化硫黄を得る
     • S+O2→SO2
  2. 五酸化バナジウム(V2O5)を触媒として二酸化硫黄を酸化する
     • 2SO2+O2→2SO3
  3. 三酸化硫黄を濃硫酸に過剰に吸収させて発煙硫酸(H2SO4·nSO3)とし、希硫酸で希釈して濃硫酸を得る
  4. なお、三酸化硫黄SO3は水とは発熱を伴って激しく反応し、硫酸を生じる
     • SO3+H2O→H2SO4

VIII) 鉄,銅,Al,それぞれの精錬の仕方を説明せよ(頻度は低いが重要,難) †

• 鉄
  • 主に高炉法で精錬される
  • 高炉上部から、鉄鉱石等の原料と、コークスなどの燃料、石灰石を入れ、下部から高温で熱する。内部ではコークスが燃え、鉄鉱石を溶かし、そして炭素による鉄の還元反応が起こる。こうして鉄鉱石は、銑鉄とスラグに分離される。また、最近は上部から入れる燃料の中に古タイヤを入れる事もある。
    • 主な反応：Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
• 銅
  • 電解精錬により精錬される
  • 銅鉱山で得られた、銅製鉱を溶錬炉で溶融し、銅分を銅マットや銅鈹（どうかわ）【銅精製への中間製品。硫化銅と硫化鉄の化合物から成る】の形で濃縮する。そして、銅マットを転炉に入れて、空気を吹き込んで不純物（鉄や硫黄）を酸化除去し、粗銅（銅含有率は約98%）を精錬する。その後、粗銅は電解精錬によって、99.99%以上の純銅に精製される。電解精錬された純銅は電気銅とも呼ばれる。
• Al
  • 融解塩電解し電気精錬される
  • ボーキサイトからアルミニウムを精練する場合膨大な電力を必要とすることから、回収された空き缶等をリサイクル原料とし、電気炉等を用いる形態で再生するケースが徐々に増えている。

IX) 一族を原子量が小さい方から4つ挙げ性質を説明せよ †

• リチウム(Li)
  • 比重は、0.53、融点は摂氏180℃、沸点は摂氏1330℃（沸点は異なる実験値あり）。銀白色の柔らかい金属である。ナトリウムよりは硬い。同じアルカリ金属のナトリウム、カリウムと比べて反応性は劣り、化学的性質は、アルカリ土類金属、特にマグネシウムと類似するのが特徴。乾いた空気中ではほとんど変化しないが、水分があると常温でも窒素と反応し窒化リチウム(Li3N) を生ずる。また、熱すると燃焼して酸化リチウム(Li2O)になる。
• ナトリウム(Na)
  • 比重が、0.97である（僅かに水より軽い）。非常に反応性の高い金属で、空気中で容易に酸化される（石油に浸けて保存する）。水と激しく反応する。また、酸、アルカリにも侵される。イオン化する時は、一価の陽イオンになりやすい。炎色反応で黄色を呈する。
• カリウム(K)
  • 銀白色の金属。比重は、0.86（水より軽い）、融点は摂氏 63.7℃、沸点は摂氏774℃。とても軟らかい金属で、反応性はナトリウムより強い。水、ハロゲン元素と激しく反応する。アルコールとも反応する。高温で水素と反応。
• ルビジウム(Rb)
  • 銀白色の金属で、比重は、1.53、融点は摂氏38.5℃。常温、常圧で安定な結晶構造は、体心立方構造(BCC)。ナトリウム、カリウムより反応性は強く、空気中で酸化され、水、ハロゲン元素と激しく反応する。原子価は、+1で、ルビジウムの気体（沸点は、700℃）は、青色である。

X) 二族を原子量が小さい方から3,4番目の元素を挙げ性質を説明せよ、また2番目の元素を水で溶かす方法を述べよ †

• Ca
  • 銀白色の金属。比重は 1.55、融点は摂氏 839℃、沸点は摂氏 1494℃（融点、沸点は異なる実験値あり）。常温で酸素やハロゲン元素と反応する。常温で水ともゆるやかに反応（アルコールとも反応）。アンモニア（液体）に溶ける。石灰岩等に含有されている。
• Sr
  • 銀白色の金属で、比重は 2.63、融点は摂氏 768℃。空気中では灰白色の被膜を生じる。水とは激しく反応する。
• Mg
  • 熱水と反応して溶ける。

XI) 三,四,五族元素を一つずつ挙げ三族以外2つの性質を説明せよ †

• 三族
  • スカンジウムSc (イットリウムY、ランタンLa、アクチニウムAc)
• 四族
  • チタニウムTi (ジルコニウムZr、ハフニウムHf)
    • Ti：銀灰色の金属元素。比重は4.5であり、融点は摂氏1812度（1667度、1668度とも）、沸点は摂氏3285度（3287度とも）である。純粋なものは耐食性が高く、展性、延性に富み、引張強度が大きい（硬くかつ軟らかく強い）。空気中では常温で酸化被膜を作り内部が保護される。プラチナ(白金)とほぼ同等の強い耐蝕性を持つことから、室温では酸や食塩水(海水)などとは殆ど反応しないため錆を生じにくい他、少量の湿気があれば塩素系ガスとも反応しない。他の金属に比べ、比較的融点が高く、超硬合金としてよく使用される。チタンは鋼鉄と同等の強度を持つなど大変強い物質である一方、質量は鋼鉄の45%と非常に軽く、アルミニウムと比較した場合、アルミニウムに比べ60%程度質量の大きいものの、約2倍の強度を持つ。これらの特性の影響により、チタンは他の金属よりも金属疲労が起こりにくい。また、磁石をわずかに引きつけられるほどの弱い常磁性や極めて低い電気伝導性、熱伝導性を持っている。
• 五族
  • バナジウムV (ニオブNb、タンタルTa)
    • V：銀白色の金属（遷移金属）で、比重は 6.11、融点は 1726℃（他に1890℃、1915℃という実験値もあり）。濃硝酸や濃硫酸、フッ酸には溶けるが、普通の酸や、アルカリ、水とは反応しない。バナジウム－ガリウム合金など、超伝導磁石の製造に使用される。また、工業触媒としてバナジウム化合物を用いた触媒が広く利用され、その用途は拡大する傾向にある。

XII) Cr(クロムイオン,クロム酸イオン,二クロム酸イオン)、Mn(マンガン,二酸化マンガン,過マンガン酸イオン)の色をそれぞれ述べ、酸性,中性,塩基性によってどんな反応を起こすか説明せよ †

• クロムイオン
  • 酸化クロム(II)、酸化クロム (IV)は黒色粉末、酸化クロム (III)は緑色粉末であり、水に不溶
• クロム酸イオン CrO42-
  • 黄色
    • 酸性下で酸化剤として働く。
• 二クロム酸イオン Cr2072-
  • 赤橙色
    • 同じく酸性下で酸化剤として働く。酸化剤として良く使われる。
• マンガン
  • Mn2+は淡赤色
• 二酸化マンガン
  • 黒もしくは茶色の粉末
    • 水には不溶。酸化剤として働くほか、塩酸と反応して塩素を、熱濃硫酸と反応して酸素を発生する。触媒として良く用いられる。
• 過マンガン酸イオン
  • 深紫色
    • 非常に強い酸化剤として働く。
    • 酸性溶液中では酸化数+2を持つ薄いピンク色のMn+2(aq)陽イオンに還元される。塩基性溶液中では過マンガン酸は酸化数+4を持つ茶色の沈殿物、二酸化マンガンMnO2に還元される。

XIII) 鉄,ニッケル,コバルト,白金の族と性質を説明せよ †

• Fe
  • 八族。
    • 純粋な鉄は白い光沢を放つが、湿った空気中では容易に錆を生じ、見かけ上黒ずんだり褐色になったりする。一方、極めて純度の高い鉄は、比較的高いイオン化傾向を有するにも関わらず、酸に侵されにくくなる。
• Ni
  • 10族
    • 銀白色の金属で鉄族に分類される。また、鉄よりは弱いが強磁性体である。耐食性が高いためめっきに用いられ、ステンレス鋼や硬貨などの原料としても使用される。
• Co
  • 九族
    • 純粋なものは白色の金属で、強磁性体。鉄より酸化されにくく、酸やアルカリにも強い。
• Pt
  • 10族
    • 単体では、白い光沢を持つ金属として存在する。化学的に非常に安定であるため、装飾品に多く利用される一方、触媒としても自動車の排気ガスの浄化をはじめ多方面で使用されている。

XIV) 11族元素を三つ挙げ、それぞれ性質を説明せよ †

• Cu
  • 赤褐色の光沢を放つ金属。金属では銀の次に導電性が高く、電線・ケーブルの材料としてよく使われる。 銅イオンは殺菌作用を持つ。 この為、靴下、靴の中敷きなどによく使われている。
• Ag
  • 金属の一種で、貴金属に分類される。銀イオンはバクテリアなどに対して極めて強力な殺菌力を示す。貴金属の中では比較的化学変化しやすく、空気中に硫黄分(自動車の排気ガスや、温泉地の硫化水素など)が含まれていると、表面に硫化物 Ag2S ができ、黒ずんでくる。
• Au
  • 柔らかく、可鍛性があり、重く、光沢のある黄色(金色)をしており、非常に薄くのばすことができる。イオン化傾向が極めて小さく化学反応は殆ど起こさないが、塩素、フッ素、王水と反応をする。金塊や沖積鉱床(砂金)として存在している。

XV) Zn,B,Al,N,Pのそれぞれの族と性質を述べよ †

• Zn
  • 12族
    • 融点は摂氏 419.5℃。常温では脆いが、摂氏約 110℃～150℃の範囲のみで展性、延性に富むようになる。酸やアルカリに溶ける。融解した亜鉛に鉄板を浸すとトタンになる。
• B
  • 13族
    • 単体は黒みかかっていて、非常に硬く(単体元素としては、ダイヤモンドに次ぐ。硬度9.3)、半導体の性質を持つ。水や塩酸などには不溶。硝酸には溶ける。常温でフッ素と反応し、空気中では表面が酸化される。
• Al
  • 13族
    • 軽量で、比較的良い熱伝導性、電気伝導性を持つ金属。酸やアルカリに侵されやすいが、空気中では表面に酸化膜ができ、内部は侵されにくくなる。ボーキサイトが原料で、アルミニウムを作るには大量の電力を消費する。このためアルミニウムのことを“電気の缶詰”と呼ぶこともある。
• N
  • 15族
    • アミノ酸をはじめ、多くの生体物質中に含まれており、すべての生物にとって必須の元素である。窒素分子は常温では無色無臭の非常に安定な気体。液化した窒素分子（液体窒素）は冷却材としてよく使用される。
• P
  • 15族
    • 白リン(黄リン)、赤リン、紫リン、黒リンなどの同素体が存在する。
    • 白リンP4は比重が1.82、融点が44.1℃、沸点が280℃の常温、常圧で白色蝋状の固体。湿った空気中で酸化され自然発火するため、水中で保存する。
    • 赤リンP__nは、紫リンを主成分とする白リンとの固溶体で、融点590℃、発火点260℃の赤褐色の粉末。マッチの材料に使われる。

XVI) 14属(4),16族元素(2)を挙げ,その性質を述べよ †

• 14族
  • C
    • 非金属元素であり、様々な化合物の形で豊富に存在しているが、希少な同素体の形でも天然に存在している。知られている物質の中で最もやわらかい物質のひとつ(黒鉛)と最も硬い物質のひとつ(ダイアモンド)は両方とも炭素の分子でできている。また、炭素以下の原子番号を持つ元素との結合に強い親和力を示し、小さな分子はそれ自身複数の結合を持つこともできる。そのため、炭素の化合物は 1000万種近くが確認されている。炭素は、すべての有機物、生命活動と関係があり、有機化学の根本でもある。
  • Si
    • 地球に最も多く含まれる元素のひとつ。うっすらと青みがかった暗灰色。周期表において、ケイ素は炭素のすぐ下にある同列の元素であるが、炭素において常温、常圧で安定なグラファイト構造(黒鉛)は、安定な構造として存在できない。ダイヤモンド構造のケイ素は半導体である。現在99.999999999％まで純度を高められる。
  • Ge
    • 炭素族の元素の一つ。灰色がかった白。半導体である。初期のトランジスタにはゲルマニウムが使われた。
  • Sn
    • 炭素族元素の一つ。光沢のある銀灰色。常温、常圧では金属である。
• 16族
  • O
    • 単体では酸素分子O2あるいはオゾンO3として存在する。地球上では海・大気・地殻のどこにでも多量に存在し、また宇宙でも広く分布している。酸素はフッ素に次いで2番目に電気陰性度が大きい元素であり、希ガスを除くほとんどの元素と化合物をつくる。
  • S
    • 多くの同素体や結晶多形が存在し(斜方硫黄S8、ゴム状硫黄Snなど)融点、密度はそれぞれ異なる。硫黄から製造される硫酸は化学工業上最も重要な酸である。また、種々の硫黄を含んだ化合物が合成されている。

XVII) ハロゲンを4つ挙げそれぞれの性質を述べよ †

• F
  • 常温、常圧で淡黄色で独特のにおいがする気体である。全元素中最も大きな電気陰性度をもち、化合物中では常に -1 の酸化数をとる。すなわち、相手を酸化する。極めて反応性の高い気体で、希ガスの一部を含むほとんどの元素と化合物（フッ化物）を作る。単体としての保存は極めて難しい。猛毒。
• Cl
  • 常温、常圧で黄緑色の気体(塩素ガス)。沸点は、-34.1℃。非常に反応性が高い気体で、塩化ナトリウムなどの一部の化合物を除き、人体にとって非常に有毒。イオン化する時は、一価の陰イオンになりやすい。
• Br
  • 常温、常圧で液体(暗赤色)である。融点は摂氏-7.3℃、沸点は摂氏 58.8℃。反応性は塩素より弱い。刺激臭あり。猛毒。
• I
  • ヨードともいう。融点は摂氏113.6℃であるが、昇華性がある。固体の結晶構造は紫黒色の斜方晶で、反応性は塩素、臭素より弱い。水にはあまり溶けないが、ヨウ化カリウム水溶液にはよく溶ける。単体のヨウ素は、毒劇法により医薬用外劇物に指定されている。体内で甲状腺ホルモンを合成するのに必要なため、ヨウ素は人にとって必須元素である。