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」 に分わけ、 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。 これまでに学まなんだ 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) の流ながれを知しる
• 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

最もっとも軽かるい元素げんそ。 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もつ。

• 単体たんたい: 無色むしょく無臭むしゅうの気体きたい、 空気くうきより軽かるい、 水みずに溶とけにくい
• 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。 最外殻さいがいかく電子でんしが 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、 ガラスを溶とかす (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つかう
• 塩素えんそ酸さんカリウム KClO₃: 加熱かねつで O₂ を出だす

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まぜると、 弱よわいハロゲンが押おし出だされます。

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 (相手あいてが弱よわ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. 硫黄いおうを燃もやす: 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と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、 水みずに溶とけにくい、 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 を溶とかす)

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、 水みずに溶とけ弱酸じゃくさん (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、 電気でんきを通とおさない
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、 電気でんきを通とおす
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 除のぞく)

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 柔やわらかく軽かるい、 水みずと激はげしく反応はんのうして H₂ を出だし、 強塩基きょうえんきを生しょうじる。

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たかい。

• 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える
• 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 酸さんにも強塩基きょうえんきにも溶とける。

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 〜 12 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)
錯イオンさくイオンをつくる	NH₃, CN⁻, OH⁻ などと配位結合はいいけつごう

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つかう
• 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 (酸さんとも強塩基きょう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つかう

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

陽ひイオンを含ふく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。

加くわえるもの	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、 アンモニアあんもにあ = 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 は酸さんにも強塩基きょうえんきにも溶とける
• 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、 錯イオンさくイオンをつくる
• 沈殿ちんでん反応はんのうと 炎色反応えんしょくはんのう 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のべられる
• [ ]両性りょうせい金属きんぞくと強塩基きょうえんきの反応はんのうを書かける
• Fe²⁺ / Fe³⁺ の区別くべつ試薬しやくをあげられる
• [ ]主おもな炎ほのお色しょく反応はんのうの色いろを言いえる

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。 必かならずドラフトどらふと内で扱あつかう
• 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はげしく反応はんのう。 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。 衣服いふくに付つくと穴あなが開ひらく
• 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 は皮膚ひふを通とお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 に入はいり、 脂肪しぼう族ぞく炭化たんか水素すいそ (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まなびます。

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 ・アンモニアあんもにあのハーバー・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イオン ・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えん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