無機むき化学かがく — 非金属ひきんぞく・典型てんけい金属きんぞく・遷移せんい元素げんそと工業こうぎょう的てき製法せいほう

この 章しょう で 学まなぶ こと

第だい 8 章しょう で は、 周期しゅうき表ひょう の 元素げんそ を 「非金属ひきんぞく」 「典型てんけい金属きんぞく」 「遷移せんい元素げんそ」 に 分ぶん け、 そ れ ぞ れ の 単体たんたい・化合かごう物ぶつ の 性質せいしつ と 反応はんのう を 見み て いき ます。 これ ま で に 学がく ん だ 酸さん塩基えんき と 酸化さんか還元かんげん が 各所かくしょ で 出で て き ます。

• 水素すいそ、 ハロゲン (F, Cl, Br, I)、 酸素さんそ、 硫黄いおう、 窒素ちっそ、 リン、 炭素たんそ、 ケイ素けいそ の 単体たんたい と 主要しゅよう化合かごう物ぶつ を あげ られる
• アルカリ金属きんぞく・アルカリ土ど類るい金属きんぞく・両性りょうせい金属きんぞく・遷移元素せんいげんそ の 性質せいしつ を 区別くべつ で きる
• 工業こうぎょう的てき製法せいほう (アンモニア・硫酸りゅうさん・水酸化すいさんか ナトリウム な ど) の 流ながれ を 知ち る
• 金属きんぞく イオン の 沈殿ちんでん反応はんのう で 試料しりょう中ちゅう の 元素げんそ を 同定どうてい で きる

1. 水素すいそ と 希まれガス

水素すいそ H

最さい も 軽けい い 元素げんそ。 周期しゅうき表ひょう の 1 族ぞく に あ る が 性質せいしつ は 独特どくとく で、 ハロゲン と も 似に た 面めん を 持じ つ。

• 単体たんたい: 無色むしょく無臭むしゅう の 気体きたい、 空気くうき よ り 軽けい い、 水みず に 溶 け に く い
• 製法せいほう (実験じっけん室しつ): Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂
• 製法せいほう (工業こうぎょう): 天然てんねん ガス CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ (改あらため質しつ)
• 反応はんのう: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O (爆鳴な気き、 発火はっか注意ちゅうい)
• 用途ようと: アンモニア 合成ごうせい、 燃料ねんりょう電池でんち、 ロケット 燃料ねんりょう

希まれガス (18 族ぞく)

He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn。 最外殻さいそとから電子でんし が 8 個こ (He は 2 個こ) で 安定あんてい。 単体たんたい は 単たん原子げんし分子ぶんし。

希まれガス	用途ようと
He	飛行船ひこうせん・MRI 冷却れいきゃく
Ne	ネオンサイン (赤あか橙色だいだいいろ)
Ar	電球でんきゅう の 封入ふうにゅう ガス、 アーク 溶接ようせつ

2. ハロゲン (17 族ぞく)

ハロゲン の 単体たんたい

F₂, Cl₂, Br₂, I₂。 す べ て 2 原子げんし分子ぶんし、 強つよ い 酸化さんか剤ざい。 反応はんのう性せい は F > Cl > Br > I (上じょう ほ ど 強つよ い)。

ハロゲン	状態じょうたい (常温じょうおん)	色いろ
F₂	気体きたい	淡あわ黄色きいろ
Cl₂	気体きたい	黄き緑色りょくしょく
Br₂	液体えきたい	赤褐色せきかっしょく
I₂	固体こたい	黒くろ紫色むらさきいろ

ハロゲン化か水素すいそ

化合かごう物ぶつ	名称めいしょう	性質せいしつ
HF	フッ化か水素すいそ	弱酸じゃくさん、 ガラス を 溶 か す (SiO₂ + 4 HF → SiF₄ + 2 H₂O)
HCl	塩化えんか水素すいそ	強酸きょうさん (水溶液すいようえき = 塩酸えんさん)、 アンモニア と 白しろ煙けむり
HBr	臭におい化か水素すいそ	強酸きょうさん
HI	ヨウ化か水素すいそ	強酸きょうさん

塩素えんそ の 化合かごう物ぶつ

• 塩素えんそ Cl₂ + 水みず: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO (次亜塩素酸つぎあえんそさん)。 漂白ひょうはく・殺菌さっきん作用さよう
• さらし粉こ: Ca(OCl)Cl·H₂O。 プール の 消毒しょうどく に 使し う
• 塩素えんそ酸さん カリウム KClO₃: 加熱かねつ で O₂ を 出で す

ハロゲン の 反応はんのう

ハロゲン化物ばけもの イオン と 強つよ い ハロゲン を 混 ぜ る と、 弱じゃく い ハロゲン が 押 し 出で さ れ ます。

例れい: Cl₂ + 2 KBr → 2 KCl + Br₂ (Cl₂ の ほ う が 強つよ い 酸化さんか剤ざい)

3. 酸素さんそ・硫黄いおう (16 族ぞく)

酸素さんそ と オゾン

物質ぶっしつ	化学かがく式しき	性質せいしつ
酸素さんそ	O₂	無色むしょく無臭むしゅう、 燃焼ねんしょう・呼吸こきゅう に 必要ひつよう
オゾン	O₃	淡あわ青色あおいろ、 特異とくい臭しゅう、 強つよ い 酸化さんか剤ざい、 上空じょうくう で 紫外線しがいせん を 吸収きゅうしゅう

実験じっけん室しつ で の 酸素さんそ の 製法せいほう: 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂ (MnO₂ 触媒しょくばい)、 2 KClO₃ → 2 KCl + 3 O₂ (MnO₂ 触媒しょくばい)

硫黄いおう

単体たんたい は 斜はす方かた硫黄いおう・単たん斜はす硫黄いおう・ゴム 状じょう硫黄いおう の 同素体どうそたい が ある。

主要しゅよう化合かごう物ぶつ:

• 二に酸化さんか硫黄いおう SO₂: 無色むしょく刺激しげき臭しゅう、 還元かんげん剤ざい (相手あいて が 弱じゃく け れ ば 酸化さんか剤ざい)、 漂白ひょうはく作用さよう、 大気たいき汚染おせん物質ぶっしつ (酸性さんせい雨う)
• 硫化りゅうか水素すいそ H₂S: 無色むしょく腐くさ卵たまご臭しゅう、 強つよ い 還元かんげん剤ざい、 有毒ゆうどく
• 硫酸りゅうさん H₂SO₄: 強酸きょうさん、 不揮発ふきはつ性せい、 吸湿きゅうしつ性せい (希釈きしゃく の 際さい は 「酸さん を 水みず へ」)

硫酸りゅうさん の 工業こうぎょう的てき製法せいほう (接触法せっしょくほう)

1. 硫黄いおう を 燃 や す: S + O₂ → SO₂
2. 触媒しょくばい (V₂O₅) で 酸化さんか: 2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃
3. 濃こ硫酸りゅうさん に 吸収きゅうしゅう し 発煙はつえん硫酸りゅうさん に: SO₃ + H₂O → H₂SO₄

4. 窒素ちっそ・リン (15 族ぞく)

窒素ちっそ N と アンモニア

• 単体たんたい N₂: 空気くうき中ちゅう 78 %、 不ふ活性かっせい
• アンモニア NH₃: 無色むしょく刺激しげき臭しゅう、 水みず に 非常ひじょう に よ く 溶 け 弱じゃく塩基えんき、 噴水ふんすい実験じっけん
• ハーバー・ボッシュ法ハーバー・ボッシュほう (アンモニア の 工業こうぎょう的てき製法せいほう): N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ (Fe₃O₄ 触媒しょくばい、 高温こうおん高圧こうあつ)
• オストワルト法オストワルトほう (硝酸しょうさん の 工業こうぎょう的てき製法せいほう): NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃

窒素ちっそ酸化さんか物ぶつ

化合かごう物ぶつ	性質せいしつ
NO (一いち酸化さんか窒素ちっそ)	無色むしょく、 水みず に 溶 け に く い、 空気くうき中ちゅう で す ぐ NO₂ に
NO₂ (二に酸化さんか窒素ちっそ)	赤褐色せきかっしょく、 刺激しげき臭しゅう、 水みず と 反応はんのう し て HNO₃
HNO₃ (硝酸しょうさん)	強酸きょうさん、 強つよ い 酸化さんか剤ざい (Cu, Ag を 溶 か す)

リン P

• 単体たんたい: 黄きリン (猛毒もうどく、 水中すいちゅう で 保管ほかん)、 赤あかリン (マッチ の 側がわ薬やく、 比較的ひかくてき安全あんぜん)
• 十じゅう酸化さんか四よん リン P₄O₁₀: 強つよ い 吸湿きゅうしつ剤ざい
• リン酸さん H₃PO₄: 中位ちゅうい の 強つよ さ の 酸さん、 肥料ひりょう・洗剤せんざい

5. 炭素たんそ・ケイ素けいそ (14 族ぞく)

炭素たんそ C と そ の 酸化さんか物ぶつ

• 単体たんたい: ダイヤモンド・黒鉛こくえん・フラーレン C₆₀・カーボン ナノチューブ (同素体どうそたい)
• CO (一いち酸化さんか炭素たんそ): 無色むしょく無臭むしゅう、 有毒ゆうどく (ヘモグロビン と 結合けつごう)、 還元かんげん剤ざい、 不完全ふかんぜん燃焼ねんしょう で 発生はっせい
• CO₂ (二酸化炭素にさんかたんそ): 無色むしょく無臭むしゅう、 水みず に 溶 け 弱酸じゃくさん (炭酸たんさん)、 石灰せっかい水すい を 白濁はくだく (CaCO₃)
• 実験じっけん室しつ製法せいほう (CO₂): CaCO₃ + 2 HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

同素体どうそたい	結合けつごう	性質せいしつ
ダイヤモンド	sp³ 共有きょうゆう結合けつごう、 立体りったい網もう目め	無色むしょく透明とうめい、 最高さいこう硬度こうど、 電気でんき を 通つう さ ない
黒鉛こくえん	sp² 共有きょうゆう結合けつごう、 層状そうじょう	黒色こくしょく、 やわ ら か い、 電気でんき を 通つう す
フラーレン C₆₀	サッカー ボール 状じょう	球形きゅうけい分子ぶんし
カーボン ナノチューブ	黒鉛こくえん を 円筒えんとう状じょう に 巻まき い た	強度きょうど・電気でんき伝導でんどう性せい高だか

ケイ素けいそ Si

地殻ちかく中ちゅう で 酸素さんそ に 次つぎ い で 多おお い 元素げんそ。 単体たんたい は 半導体はんどうたい。

化合かごう物ぶつ	性質せいしつ・用途ようと
SiO₂ (二に酸化さんか ケイ素けいそ)	石英せきえい・水晶すいしょう の 主成分しゅせいぶん、 ガラス の 原料げんりょう
ガラス	SiO₂ + Na₂CO₃ + CaCO₃ を 高温こうおん で 融とおる か す
シリカゲル	SiO₂·nH₂O、 乾燥かんそう剤ざい

6. 典型てんけい金属きんぞく元素げんそ

アルカリ金属きんぞく (1 族ぞく、 H 除じょ く)

Li, Na, K, Rb, Cs。 1 価あたい の 陽ひ イオン に な り やす い。 単体たんたい は 柔やわら ら か く 軽けい い、 水みず と 激げき し く 反応はんのう し て H₂ を 出で し、 強つよ塩基えんき を 生なま じ る。

例れい: 2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂

水酸化すいさんか ナトリウム NaOH の 工業こうぎょう的てき製法せいほう = イオン交換膜法イオンこうかんまくほう (NaCl 水溶液すいようえき の 電気でんき分解ぶんかい)。

アルカリ土ど類るい金属きんぞく (2 族ぞく の Ca, Sr, Ba ほ か)

2 価あたい の 陽ひ イオン。 アルカリ金属きんぞく ほ ど で は な い が 反応はんのう性せい が 高こう い。

• 石灰石せっかいせき・大理石だいりせき の 主成分しゅせいぶん: CaCO₃
• 生石灰せいせっかい CaO ← CaCO₃ を 加熱かねつ し て 得とく る
• 消石灰しょうせっかい Ca(OH)₂、 水溶液すいようえき = 石灰せっかい水すい
• セッコウ CaSO₄·2 H₂O

両性りょうせい金属きんぞく

Al, Zn, Sn, Pb は 酸さん に も 強つよ塩基えんき に も 溶 け る。

例れい (Al): 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂ 例れい (Al): 2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂

7. 遷移せんい元素げんそ

特徴とくちょう

性質せいしつ	説明せつめい
周期しゅうき表ひょう の 位置いち	3 〜 11 族ぞく (4 〜 7 周期しゅうき の 中央ちゅうおう)
単体たんたい	密度みつど大だい (重金属じゅうきんぞく)、 融点ゆうてん高だか、 硬かた い
酸化さんか数すう	複数ふくすう の 酸化さんか数すう を と る (Fe²⁺ / Fe³⁺、 Cu⁺ / Cu²⁺)
化合かごう物ぶつ の 色いろ	多おお く 有色ゆうしょく (Cu²⁺ 青あお、 Fe³⁺ 黄き褐、 Cr₂O₇²⁻ 橙だいだい)
[[錯イオン	さくいおん]] を つ く る

鉄てつ Fe

• 製法せいほう (高だか炉ろ): Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂
• Fe²⁺ (淡あわ緑みどり) と Fe³⁺ (黄き褐) を 区別くべつ: K₃[Fe(CN)₆] で Fe²⁺ → 濃こ青色あおいろ、 KSCN で Fe³⁺ → 血ち赤色あかいろ

銅どう Cu

• 銅鉱どうこう (CuFeS₂) → 粗銅そどう → 電解 精錬でんかい せいれん で 純銅じゅんどう
• 反応はんのう: Cu + 4 HNO₃ (濃こ) → Cu(NO₃)₂ + 2 NO₂ + 2 H₂O
• 緑青ろくしょう: Cu の さ び (CuCO₃·Cu(OH)₂)

銀ぎん Ag

• AgNO₃ + NaCl → AgCl ↓ (白色はくしょく)、 写真しゃしん感光かんこう材料ざいりょう に 使し う
• 銀鏡しろみ反応はんのう: アルデヒド と 反応はんのう し て Ag が 析出せきしゅつ
• AgCl は 光ひかり で 黒くろ ず む (Ag に な る)。 こ の 性質せいしつ が 写真しゃしん フィルム の 原理げんり

クロム Cr と マンガン Mn

イオン	色いろ	主おも な 性質せいしつ
Cr₂O₇²⁻ (二にクロム酸さん イオン)	橙色だいだいいろ	酸性さんせい中ちゅう で 強つよ い 酸化さんか剤ざい (還元かんげん さ れ る と Cr³⁺ 緑みどり)
CrO₄²⁻ (クロム酸さん イオン)	黄色きいろ	塩基えんき性せい で 安定あんてい、 Pb²⁺ と 黄色きいろ沈殿ちんでん (PbCrO₄)
MnO₄⁻ (過かマンガン酸さん イオン)	赤あか紫色むらさきいろ	強つよ い 酸化さんか剤ざい、 還元かんげん で Mn²⁺ (淡紅あわべに)

亜鉛あえん Zn

• 両性りょうせい金属きんぞく (酸さん と も 強つよ塩基えんき と も 反応はんのう)
• ZnS は 白色はくしょく沈殿ちんでん (塩基えんき性せい H₂S で 沈殿ちんでん)
• 乾電池かんでんち (マンガン 乾電池かんでんち / アルカリ マンガン 電池でんち) の 負ふ極きょく に 使し う

8. 金属きんぞく イオン の 沈殿ちんでん反応はんのう と 系統けいとう分離ぶんり

陽ひ イオン を 含 む 試料しりょう を 順じゅん に 試薬しやく と 反応はんのう さ せ、 沈殿ちんでん か 否いな か で 元素げんそ を 同定どうてい で き ます。

加か え る もの	沈殿ちんでん する 主おもな 陽ひ イオン (色しょく)
希まれ HCl	Ag⁺ (AgCl 白しろ)、 Pb²⁺ (PbCl₂ 白しろ)
H₂S (酸性さんせい)	Cu²⁺ (CuS 黒くろ)、 Pb²⁺ (PbS 黒くろ)、 Cd²⁺ (CdS 黄き)
NH₃ (過剰かじょう)	Al³⁺ (Al(OH)₃ 白しろ)、 Fe³⁺ (Fe(OH)₃ 赤あか褐)
H₂S (塩基えんき性せい)	Zn²⁺ (ZnS 白しろ)、 Ni²⁺ (NiS 黒くろ)
(NH₄)₂CO₃	Ca²⁺ (CaCO₃ 白しろ)、 Ba²⁺ (BaCO₃ 白しろ)
炎ほのお色しょく反応はんのう	Li 赤あか、 Na 黄き、 K 紫むらさき、 Ca 橙だいだい赤あか、 Sr 紅べに、 Ba 黄き緑みどり、 Cu 青あお緑みどり

9. 章しょう の まとめ

重要じゅうよう用語ようご まとめ

• ハロゲン: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂ の 反応はんのう性せい順じゅん
• 硫酸りゅうさん の 工業こうぎょう的てき製法せいほう = 接触法せっしょくほう、 アンモニア = ハーバー・ボッシュ法ハーバー・ボッシュほう、 硝酸しょうさん = オストワルト法オストワルトほう
• 両性 金属りょうせい きんぞく Al, Zn, Sn, Pb は 酸さん に も 強つよ塩基えんき に も 溶 け る
• 遷移元素せんいげんそ は 多彩たさい な 酸化さんか数すう と 有色ゆうしょく化合かごう物ぶつ、 錯イオンさくいおん を つ く る
• 沈殿ちんでん反応はんのう と 炎色反応ほのおしょくはんのう で 元素げんそ を 同定どうてい

確認かくにん リスト

• ハロゲン と そ の 化合かごう物ぶつ の 性質せいしつ を 整理せいり で き る
• [ ]硫酸りゅうさん・硝酸しょうさん・アンモニア の 工業こうぎょう的てき製法せいほう を 述じゅつ べ ら れ る
• [ ]両性りょうせい金属きんぞく と 強つよ塩基えんき の 反応はんのう を 書しょ け る
• Fe²⁺ / Fe³⁺ の 区別くべつ試薬しやく を あげ ら れ る
• [ ]主ぬし な 炎ほのお色しょく反応はんのう の 色いろ を 言げん え る

この 章しょう の 安全あんぜん配慮はいりょ

• 塩素えんそ Cl₂、 二酸化にさんか硫黄いおう SO₂、 硫化りゅうか水素すいそ H₂S、 アンモニア NH₃ は い ず れ も 有毒ゆうどく気体きたい。 必 ず ドラフト内 で 扱 う
• 黄き リン は 自然しぜん発火はっか の お そ れ。 水中すいちゅう で 保管ほかん、 素手すで で ふ れ ない (火傷かしょう)
• ナトリウム・カリウム は 水みず と 激げき し く 反応はんのう。 灯油とうゆ中ちゅう で 保管ほかん
• 濃こ硫酸りゅうさん・濃こ硝酸しょうさん は 強つよ い 腐食ふしょく性せい + 酸化さんか性せい。 衣服いふく に 付つけ く と 穴あな が 開ひらき く
• 金属きんぞく ナトリウム を 廃棄はいき す る 時とき は エタノール → 水みず の 順じゅん で 少量しょうりょう ず つ
• フッ化か水素すいそ HF は 皮膚ひふ を 通つう し て 骨ほね ま で 浸透しんとう し、 強つよ い 痛いた み と 壊死えし を 起おこし こ す。 少量しょうりょう で も 危険きけん

次じ の 章しょう: 第だい 9 章しょう で は 有機化学ゆうきかがく に 入いり り、 脂肪族 炭化水素しぼうぞく たんかすいそ (アルカン・アルケン・アルキン)、 アルコール、 カルボン酸カルボンさん、 そ し て ベンゼン と そ の 誘導体ゆうどうたい を 学がく び ます。

まとめ — 無機化学むきかがく を 3 行くだりで

• ハロゲン (F > Cl > Br > I の反応はんのう性せい順じゅん) や硫黄いおう・窒素ちっそなど非金属ひきんぞく元素げんその性質せいしつと周期表しゅうきひょう上じょうの位置いちの関係かんけいを体系たいけい的てきに理解りかいする
• 工業こうぎょう的てき製法せいほうは 硫酸りゅうさん の 接触法せっしょくほう ・アンモニア の ハーバー・ボッシュ法ハーバー・ボッシュほう ・硝酸しょうさん の オストワルト法オストワルトほう が三さん大だい基本きほんである
• 両性 金属りょうせい きんぞく (Al, Zn, Sn, Pb) や 遷移元素せんいげんそ の 錯イオンさくいおん ・有色ゆうしょく化合かごう物ぶつ、 沈殿ちんでん反応はんのうと 炎色反応ほのおしょくはんのう が元素げんそ同定どうていの実験的じっけんてき手段しゅだんとなる