永野裕之のBlog

永野数学塾塾長、永野裕之のBlogです。

語呂合わせと徹底整理で攻略する高校無機化学（両性元素・水銀・合金篇）

化学

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永野数学塾の「虎の巻」を公開する「語呂合わせと徹底整理で攻略する高校無機化学」シリーズ8回目の今日は両性元素・水銀・合金篇です。

このシリーズをまとめたものは↓

今回は

  • 12族：亜鉛（Ｚｎ）と水銀（Ｈｇ）
  • 13族：アルミニウム（Ａｌ）
  • 14族：スズ（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）

と合金について学んでいきます。このうちＨｇをのぞく、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｐｂは酸とも塩基と反応する両性元素です。

元素周期表(両性元素）

まずは両性元素全般に言える性質から！

両性元素

一般に金属は「塩基性」であり、イオン化傾向が水素よりも小さい金属（金、銀、銅、白金、水銀）を除くすべての金属は酸に溶けて水素を発生します。

  • 例）2Ｎａ ＋ 2ＨＣｌ → 2ＮａＣｌ ＋ Ｈ2↑

ただし、金属の中で両性元素と呼ばれる次の４つの金属は酸だけでなく強塩基の水溶液とも反応し、水素を発生して溶解します。

両性元素：Ａｌ（アルミニウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｎ（スズ）、Ｐｂ（鉛）

また両性元素の酸化物や水酸化物も酸と強塩基の両方に反応して溶けます。

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それでは各元素について詳しく見ていきましょう。まずはアルミニウムから。

 

アルミニウム Al

  • 両性金属（単体も酸化物も水酸化物も酸と塩基の両方に溶ける。）

 

単体Alの反応

  • 2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑
  • 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

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酸化物Al2O3（白色粉末）の反応

  • Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O
  • Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]

 

水酸化物Al(OH)3（白色ゲル状）の反応

  • Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O
  • Al(OH)3 + NaOH → 2Na[Al(OH)4]

単体も酸化物も水酸化物も酸や強塩基に溶けたときの錯イオンが同じであることに注意しましょう。

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テルミット反応

Al粉末と酸化鉄（Ⅲ）Fe2O3の混合物（テルミットという）に点火すると、反応と共に多量の熱が生じて融解したFeが生成します。この反応をテルミット反応といいます。Alは大変酸化されやすく強い還元力を持ち、Alの燃焼熱は金属中で最大です。

↓高校の化学部が文化祭で演示実験したそうです。

 

不動態

Ａｌ、Ｆｅ，Ｎｉの各金属は濃硝酸や濃硫酸と不動態を作り反応しません。これは金属の表面に安定で緻密な酸化被膜が生じこれが内部を保護するためですが、このように金属が本来反応すべき状態にあるにもかかわらず、化学的に反応性を失ってしまった状態を不動態といいます。

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アルミニウムの製錬

原料にはボーキサイト（主成分はAl2O3・ｎH2O）を用います。このボーキサイトには不純物としてFe2O3（酸化鉄（Ⅲ））やSiO2（二酸化ケイ素）が含まれるので、これからまず純粋なAl2O3（アルミナ）を取り出します※１。アルミナは融点が高いので氷晶石（Na3AlF6）を融解させたものに混合して融点を下げ、炭素電極を用いて融解塩電解※２を行い単体のアルミニウムを得ます。

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AlK(SO4)2・12H2O（ミョウバン）

  • 硫酸アルミニウムAl2(SO4)3と硫酸カリウムK2SO4から成る複塩（2種以上の塩が一定の割合で結合した塩）で、水溶液は弱酸性。
  • 結晶は無色透明の正八面体をしており、加熱すると六水和物 → 無水和物（粉末）と変化する。
  • 上水道の清澄剤、染色の媒染剤、紙のにじみ止め（サイジング）など利用されている。

 

亜鉛Zn

  • 周期表の12族に属する元素で2個の価電子を持つ（二価の陽イオンになりやすい）。
  • 両性金属（単体も酸化物も水酸化物も酸と塩基の両方に溶ける。）

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単体Znの反応

  • Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
  • Zn + 2NaOH → 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑

Zn単体が酸や塩基に溶けるときはZnがZn2+になったときに放出される電子（e-）をH2Oの電離によって生じたH+が受け取るので水素（H2）が発生する。

 

酸化物ZnO（白色粉末）の反応

  • ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O
  • ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4]

 

水酸化物Zn(OH)2（白色ゲル状）の反応

  • Zn(OH)2 + 2HCl → ZnCl2 + 2H2O
  • Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2[Zn(OH)4]

※ 亜鉛は両性金属の中で唯一、水酸化物が弱塩基のアンモニア水とも反応して錯イオン（テトラアンミン亜鉛（II）イオン）を作り溶解する（AlとSnとPbの水酸化物は強塩基でないと溶解しない）。

Zn(OH)2 + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2+ + 2OH-

他に銅（II）イオンや銀（I）イオンも塩基性下で沈殿｛Cu(OH)2やAg2O｝を生じるが,

これにアンモニアを過剰に加えると沈殿が溶ける。

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スズSn

  • 両性金属。

 

単体Snの反応

  • Sn ＋ 2HCl → SnCl2 ＋ H2↑

Sn2＋はSn4＋に酸化されやすいので、SnCl2は強い還元力を持ちます。

  • Sn ＋ 2NaOH ＋ 4H2O → Na2[Sn(OH)6] ＋ H2↑

AlやZnと同様にSnがSn2＋になった際に放出する電子e－をH2Oの電離によって生じたH＋が受け取って水素（H2）が発生します。

 

鉛Pb

  • 両性金属。
  • 酸化数は＋２と＋４。
  • 化合物は水に不溶なものが多い。
  • 放射線を遮蔽（しゃへい）。

鉛は水に不要な化合物が要チェックです。

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※ 鉛は水素よりイオン化傾向の大きい物質であるが、塩酸HClや硫酸H2SO4には白色沈殿を作るため、溶けない。

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めっき

トタン

  • 鉄（Fe）に亜鉛（Zn）のめっきをしたもの。

450px-トタンの倉庫P3263925トタンの倉庫

 

ブリキ

  • 鉄（Fe）にスズ（Sn）のめっきをしたもの。

Tin_toysブリキのおもちゃ

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以上で両性金属は終わりです。ここで酸化物の性質についてまとめておきます。

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最後に水銀と合金について見ておきます。

 

水銀Hg

単体Hg

  • 金属の中で唯一常温で液体の元素（非金属では臭素Brも常温で液体）。
  • 常温では酸化されない⇒多くの金属と合金をつくりやすい。
  • 他の金属との合金をアマルガムという。
  • 酸化数は＋１と＋２を取る。

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水銀の塩化物

  • 塩化水銀（I）Hg2Cl2 ： 甘汞（カンコウ）ともいい、水に不溶の白色沈殿。無毒
  • 塩化水銀（II）HｇCl2 ： 昇汞（ショウコウ）ともいい、水に可溶の無色の結晶。猛毒。

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水に不溶の塩化物には他にAgClやPbCl2もありますが、AgClは過剰のアンモニアに溶け、PbCl2は熱湯に溶けます。Hg2Cl2は過剰のアンモニアにも熱湯にも溶けないので他の2つと区別することができる。

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合金

有名な合金をまとめておきます。

黄銅

青銅

白銅

ジュラルミン

  • Al、Cu、Mg、Mn … 軽くて強度が大きい。（航空機材）
    【カメラ機材用アルミケース】アルミキャリングケース LLサイズ ショルダーストラップ付 AL case LL シルバー ジュラルミン製のケース

ステンレス鋼

  • Fe、Cr、Ni … さびにくい。（厨房用品、食器）
    SA 18-10 共柄三層鋼 雪平鍋 目盛付 18cm AYK52018 ステンレス鋼の鍋

ニクロム

はんだ

  • Pb、Sn … 融点が低い。（金属の接着）

無鉛はんだ