化学の巻(高校化学) nao blog

様々な本(小説や実用書)または化学(高校生向け)に関するトピックを紹介していきます。

化学の巻↓ 無機化学(高校)

無機化学(2)大学入試対策[金属元素とその化合物、系統分析 ]

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問題1アルカリ金属について

アルカリ金属に関する次の記述のうち誤っているものはどれか。(第7周期の化合物は答えなくてよい)

(A)アルカリ金属の化合物を炎の仮名に入れると、その金属元素に特有の炎の色を示す。

(B)アルカリ金属の原子は価電子1個を持ち、1価の陽イオンになりやすい。

(C)アルカリ金属の単体は全て銀白色で金属としては融点が低く、密度が小さい。

(D)アルカリ金属の単体はそのアルカリ金属の化合物の水溶液を電解すると得ることが出来る。

(E)アルカリ金属の単体は塩素と容易に反応して塩化物をつくる。

(F)アルカリ金属の中でリチウムが最も密度が小さい。

(G)アルカリ金属の結晶の単位格子は体心立方格子である。

(解答および解説)(D),(G)

(D)イオン化傾向が非常に大きいので一般的な水溶液の電気分解を行っても単体を得ることができないので塩化物の融解塩電解によって単体を得る。

(F)密度Li→0.53[g/cm3],Na→0.97[g/cm3], K→0.86[g/cm3], Rb→1.53[g/cm3],

Cs→1.87[g/cm3],

(G)体心立方格子→アルカリ金属(Na,Kなど)

面心立方格子→Al,Cu,Ag,Au

六方最密構造→Mg,Zn

問題2ナトリウムについて

 下の図は炭酸ナトリウムの工業的製法の概要を示している。(水については省略)

問(1)この製造法を何というか。

問(2)図中①、②、③に当てはまる化合物の名称を答えよ。

問(3)図中(ア)、(ィ)、(ウ)で示される工程で起こる反応について適切な化学式を記せ。

問(4)1.0kgの原料①を用いて製造できる炭酸ナトリウムの重量を有効数字3桁で答えよ。原子量はH=1.0,C=12,O=16,Na=23,Cl=35.5,Ca=40

問(5)炭酸ナトリウムの十水和物は空気中で結晶水を失う性質がある。この現象を(ア)という。これは炭酸ナトリウム十水和物の(ィ)が空気中の水蒸気分圧よりも(ウ)ことに起因する。(ア)~(ウ)に当てはまる語句を下の語群から選べ

[語群] 風解、潮解、飽和蒸気圧、溶解度、大きい、小さい

解答および解説

問1(1)アンモニアソーダ法(ソルベー法)

問2(2)①炭酸カルシウム炭酸水素ナトリウム塩化カルシウム

問3(3)(ア)CaCO3→CaO+CO2

(ィ)2NH4Cl+Ca(OH)2→CaCl2+2H2O+2NH3

(ウ)NaCl+H2O+NH3+CO2→NaHCO3+NH4Cl

ちなみにNaHCO3とNH4Clを分離したいときはNH4Clは水に溶く溶け、NaHCO3は水にやや溶けにくいので沈殿しろ過で分離ができる。

また(エ)と(オ)の反応は

(エ)2Na2CO3+H2O+CO2

(オ)CaO+H2O→Ca(OH)2

(ウ)の式を2倍して残りの4つ式をすべて加え中間生成物を消去すると

(全体の反応)2NaCl+CaCO3→Na2CO3+CaCl2

ちなみに塩化カルシウムは吸湿性(潮解性)が強いので乾燥剤に使われている。安価な電解質であり、溶解熱が発熱なので電離して大きな凝固点降下を示すことから道路の融雪剤や凍結防止剤に使われている。

問41.06kg

問5(ア)風解(ィ)飽和蒸気圧(ウ)大きい

Na2CO3・10H2OやNa2SO4・10H2Oのように水和物の蒸気圧が大気中の水蒸気より大きい物質では結晶中から水和水が絶えず蒸発し続け、やがて結晶は砕けて粉末になる。この現象を風解という。Na2CO3・10H2O(結晶)⇄ Na2CO3・H2O(粉末)+9 H2O(気)右向きに反応が進む。

ちなみに潮解は例えばNaOHの結晶を空気中に放置すると空気中の水蒸気を吸収してしまいその水に溶けてしまうことである。潮解性を示す他の物質としては水酸化カリウム、塩化カルシウム、リン酸などである。

問題3カルシウムについて

1上図のA~Fに当てはまる物質の化学式を書け。

問2上図のG,Hの名称を下の語群から選べ。

[語群] 「アルマイト、カーバイド、さらし粉、セッコウ、水ガラス、焼きセッコウ、

増加、減少」

問3次の文中に入る(ア)~(ウ)に適切が語句を上の語群から選べ。

物質Eの半水和物(E:1/2H2O)は(ア)と呼ばれ、適量の水と混合すると発熱しながら硬化して体積が少し(ィ)して(ウ)と呼ばれる、物質Eの二水和物になる。

問4 次のうちカルシウムの化合物を主成分として含まないものを一つ選べ

「サンゴの骨格、鶏卵の殻、真珠、チョーク、ベビーパウダー、グラウンドの白線材」

問5 消化管からの吸収率や骨組織への集積性(骨親和性)などの体内動態がカルシウムとよく似ている元素を次から一つ選べ。

「K, Cs, Sc, Sr, Ti」

問6(1) 炭酸カルシウムは水に溶けにくいが二酸化炭素を溶かした水には溶ける。この理由を化学反応式も含め書いて説明せよ。

問6(2)石灰岩地帯では鍾乳洞や鍾乳石ができることがある。鍾乳洞や鍾乳石はどのようにしてできるかを説明せよ。

問7 周期表の2族元素であるCaとMgを比較したとき、Caのみに認められる性質にはA,Mgのみに認められる性質にはB,CaとMgの両方に認められる性質にはC、CaとMgの両方に認められるない性質にはDとそれぞれ答えよ。

(a)塩化物が水に可溶

(b)炎色反応を示す

(c)硫酸塩が水に可溶である

(d)単体が水と容易に反応する

(e)水酸化物は強い塩基性を示す

(f)炭酸塩が水に不溶である

(g)硫化物は水に不溶である

(h)硝酸塩は水に可溶である。

解答および解説

問1(A)Ca(OH)2,(B)CaO,(C)CaCO3.(D)CaCl2,(E)CaSO4,(F)Ca(HCO3)2

(A)Ca+2H2O→Ca(OH)2+H2

(B)Ca(OH)2→CaO

(C)Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O

(D)CaCO3+2HCl→CO2+H2O+CaCl2

(E)CaCl2+H2SO4→CaSO4↓+2HCl

(F)CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

問2G:さらし粉、H:カーバイド

塩素を水酸化カルシウムに吸収させることでさらし粉ができる

Ca(OH)2+Cl2→CaCl(ClO)・H2O

酸化カルシウムににコークスを混ぜ加熱するとカーバイド(炭化カルシウム)を得ることが出来る

CaO+3C→CaC2+CO

問3(ア)焼きセッコウ(ィ)増加(ウ)セッコウ

CaSO4の二水和物CaSO4・2H2Oはセッコウと呼ばれ適度に加熱すると半水和物CaSO4・1/2H2Oの焼きセッコウになる。焼きセッコウを水で練って放置すると再び二水和物になって固まりこのとき体積が増加する。この性質を活かして医療用ギブスや建築材料として使われている。

CaSO4・1/2H2O+3/2H2O→CaSO4・2H2O

問4 ベビーパウダー

ベビーパウダーの主成分は粉状にした滑石(タルク)とデンプンで滑石の主成分は酸化マグネシウムとケイ酸塩である。ベビーパウダー以外の主成分は炭酸カルシウムといたカルシウム化合物である。

問5 Sr(ストロンチウム)

SrとCaはアルカリ土類金属なので性質がよく似ている。

問6(1)CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2の反応がおこり炭酸水素カルシウムに変化する。

(2)二酸化炭素が溶け込んだ雨水などが石灰岩を溶かしていく。

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2・① 炭酸水素カルシウムを含む地下水から二酸化炭素が逃げるとその場所で炭酸カルシウムが析出する。Ca(HCO3)2→CaCO3+CO2+H2O・②

①と②によって鍾乳洞や鍾乳石ができる。

 CO32-+CO2+H2O⇄2HCO3の可逆変化は二酸化炭素の濃度が高まると平衡が右へ移動する。一方で二酸化炭素や水が系から逃げると平衡が左へ移動する。

問7(a)C,(b)A,(c)B,(d)A,(e)A,(f)C,(g)D,(h)C

MgMg(OH)2MgSO4炎色×MgCl2MgCO3
 弱塩基水○ 水○水×
CaCa(OH)2CaSO4橙色CaCl2CaCO3
 強塩基水× 水○水×

2族元素の硫化物はいずもれ水に溶ける。硝酸塩は2族元素に限らず全て水に可溶。

問題4アルミニウムについて

アルミニウムは地殻中に(1)、(2)に次いで3番目に多く存在する元素である。工業的にはアルミニウムの単体は原料の(3)から作られる。(a)高純度の酸化アルミニウムAl2O3(アルミナ)を融解した氷晶石中で炭素電極を用いて融解塩電解して得られる。アルミニウムは軽量で展性、延性に富む金属である。アルミニウムと少量の(4)、(5)、マンガンなどの合金である(6)は軽くて強度が大きいので航空機の機体などに用いられている。また濃硝酸や濃硫酸中では表面に緻密な酸化被膜を生成し内部を保護する。このような状態を(7)という。(b)アルミニウム粉末と他の金属酸化物を混ぜて点火すると3000℃以上の高温となり、金属は還元されて金属単体が遊離する。このようにして金蔵単体を得る方法を(8)という。さらにアルミナの結晶はきわめて硬く透明で微量の不純物を含む赤色のルビーや鉄、チタンを含む青色の(10)と呼ばれる宝石が知られている。アルミニウムは空気中では、表面に酸化アルミニウムの被膜を生じ、その膜は緻密で丈夫なので酸化が内部まで進行しにくい。電気分解を利用して人工的に酸化アルミニウムの被膜を作ったアルミニウム製品が(11)であり、身の回りの多くのアルミニウム製品には(11)処理が施されている。酸化アルミニウムの結晶は極めて硬く、水に溶けにくいが(c)塩酸とも水酸化ナトリウム水溶液とも反応して溶ける。

問1(1)~(11)に入る適切な語を書け。

問2(a)で融解塩電解において氷晶石を用いる理由を書け。

問3(b)で金属酸化物として酸化鉄(Ⅲ)を用いた場合に起こる反応を化学反応式で書け。

問4(c)の塩酸および水酸化ナトリウムとの化学反応式を書け。

問5カリウムミョウバンの化学式を書け。またカリウムミョウバン水溶液は酸性、中性、アルカリ性のどれを示すか。理由と共に書け。

問6 ある条件で融解塩電解を行うと、陰極ではアルミニウムの単体が生成し、陽極では一酸化炭素と二酸化炭素を1:3の体積比で含まれる混合気体を生成した。この混合気体に体積は標準状態に換算すると122.4Lであった。このときアルミニウムは何g生成したか。有効数字3桁で求めよ。原子量(H=1.00,O=16.0,Al=27.0,標準状態(0℃、1.01×105Pa)における気体の体積は22.4Lとする。

(解答および解説)

問1(1)酸素(2)ケイ素(3)ボーキサイト(4)(5)マグネシウム(6)ジェラルミン(7)不動態(8)テルミット法(9)クロム(10サファイア(11)アルマイト

問2Al2O3の融点は非常に高くより低い温度で融解し電気分解するため。

Al2O3の融点は約2000℃と非常に高い。氷晶石Na2AlF6の融点は約1000℃なのでこれをAl2O3に溶かして溶融液にAl2O3を加えるとAl3+とO2-になって溶かすことができる。

問3 2Al+Fe2O3→2Fe+Al2O3

イオン化傾向がAl>FeなのでAlによってFe2O3中のFe3+が還元される。アルミニウムと他の金属酸化物の粉末混合物をテルミットという。

問4 

Al2O3+6HCl→2AlCl3+3H2O

Al2O3+2NaOH+3H2O→2Na[Al(OH)4]

両性元素、両性酸化物、両性水酸化物はいずれも酸・塩基と反応して溶ける。このときいずれも同じ塩が生成することを意識しておいて反応式を書く。

(i)HCl→AlCl3,ZnCl2,SnCl2,PbCl2

(ii)NaOH→Na[Al(OH)4]テトラヒドロキシドアルミン酸ナトリウム

Na2[Zn(OH)4]テトラヒドロキシド亜鉛(Ⅱ)酸ナトリウム

問5 カリウムミョウバンの化学式:AlK(SO4)2・12H2O

 カリウムミョウバン水溶液:酸性、理由→アルミニウムイオンが加水分解してオキソニウムイオンを生じるため。

ミョウバンは1価の陽イオンと3価の金属イオンと硫酸イオンからなつ複塩の総称で、単にミョウバンというときは硫酸カリウムアルミニウム十二水和物を示す事が多い。これはカリウムミョウバンとよばれていて 上下水道の凝集剤などに利用されている。

Al3+はアクサ錯イオン[Al(H2O)6]3+の状態で存在していて灰石の水の一部がH+を解離して酸性を示す。これは金属イオンの灰石となった水分子はもとの水分子に比べてO-Hの極性が大きくなりH+を放出しやすくなるためである。

[Al(H2O)6]3++H2O ⇄ [Al(OH)(H2O)5]2++H3O+

問6アルミニウム:315g

陰極:Al3++3e→Al

陽極:C+O2-→CO+2e

      C+2O2-→CO2+4e

一酸化炭素と二酸化炭素を1:3の体積比の混合気体なので一酸化炭素がX[mol]、二酸化炭素が3X[mol]生成したとすると

(X+3X)×22.4=122.4 →X=2.5

流れた電子の物質量は陽極の電子の係数に着目する。

流れたe-の物質量=X[mol]×2+3X[mol]×4=14X[mol]=35[mol]

よって生成したアルミニウムは 35×(1÷3)×27=315[g]

問題5亜鉛について

亜鉛を空気中で燃焼させると白色の(1)を生成する。これは塩酸にも水酸化ナトリウム水溶液にも反応して融解するので(2)と呼ばれる。

ZnO+2HCl→ZnCl2+H2O

ZnO+2NaOH+H2O→Na2[Zn(OH)4]

(a)硫酸亜鉛の水溶液にアンモニア水を加えると白色の(3)の沈殿が生じる(b)さらにアンモニア水を加えると沈殿は溶けて無色の溶液となるこれはは(4)という錯イオンを生じたため。      

問1(1)~)(4)に入る語句を答えよ。

問2(a),(b)の反応を化学反応式で書け。

解答および解説

問1

(1)酸化亜鉛(2)両性酸化物(3)水酸化鉛(4)テトラアンミン亜鉛(Ⅱ)イオン

問2

(a)ZnSO4+2NH3+2H2O→Zn(OH)2+(NH4)2SO4

(b)Zn(OH)2+4NH3→[Zn(NH3)4]2++2OH

問題6水銀と鉛について

水銀Hgは12族に属する元素である。水銀の単体は銀白色で融点が低く、常温で唯一の液多の金属で密度が大きい。水銀の単体は(a)塩酸、希硝酸には溶けないが酸化力のある硝酸や熱濃硫酸に溶ける。水銀の単体は多くの金属を良く溶かしアマルガムと呼ばれる合金を作るが鉄は溶かさない性質がある。古来より水銀は温度計、気圧計、水銀灯に、水銀の化合物は(b)顔料や触媒などに用いられてきた。しかしとても水銀はとても有害なので廃除されてきている。

単体の鉛は密度が大きく、軟らかくて加工が容易な金属である。また耐熱性の必要な管

や蓄電池の電極などに用いられてきている。さらにX線などの放射線を吸収する能力が大きいため、X線装置などの遮蔽物質として使われてきている。

問1(a)に関して水銀の単体を希硝酸で処理すると銅と希硝酸との反応に類似した反応を起こす。すなわち水銀の単体は酸化されて一酸化窒素NOを発生する。その化学反応式を書け。

問2(b)に関して、朱肉、神社の塗装、壁画の赤色顔料に使用されてきた水銀の化合物の化学式を書け。

問3耐熱性の必要な管に鉛が用いられる理由を鉛化合物の性質から説明せよ。

問4ある金属の単体に他の金属を溶かし合わせてできた合金はもとの金属にはない新しい性質をもつ。鉛を含む合金である。はんだはどのような特徴をもつか記せ。

解答および解説

問1 3Hg+8HNO3→3Hg(NO3)2+2NO+4H2O

問2 Hg2+を含む水溶液にHgSを通じると黒色のHgSが沈殿する。

Hg2++HgS→HgS↓+2H+

この沈殿を昇華することで赤色のHgSを得ることができる。

問3鉛は塩酸や硫酸と接触しても水に難溶な塩化鉛(Ⅱ)や硫酸鉛(Ⅱ)に表面が覆われるため、酸による浸食が内部まで進みにくいから。

鉛は水素よりもイオン化傾向が大きいが塩酸や硫酸には水に難溶な塩化鉛(Ⅱ)や硫酸鉛(Ⅱ)を析出するので耐熱性の必要な管に使われている。

問4低い温度で融解する。

鉛とスズの合金をはんだといい金属どうしの接合に用いられてきたが、鉛は有毒なので使われない方向に進んでいる。

・問題7鉄について

鉄は遷移元素の中で(ア)族に属し、多様な用途により文明を支えてきた重要な元素の一つである。鉄は地殻中に酸化物や硫化物として多量に含まれていて、これらを還元することで単体を得ることが出来る。この過程の概略は以下である。

溶鉱炉の上部から鉄鋼石とコークス、石灰石を入れて、下部から熱風を吹き込む。するとコークスが熱風によって燃焼し、一酸化炭素を生じる。(a)生じた一酸化炭素によって鉄鋼石が還元されて鉄を生じるが、一酸化炭素は酸化されて二酸化炭素を生じる。このときに得られる鉄は(イ)と呼ばれ、鉄以外に炭素を含んでいる。融解した(イ)に酸素を吹き込んで炭素を酸化し一酸化炭素として除去することによって炭素の含有量を低くしたものを(ウ)と呼ぶ。(ウ)は強靱で弾性があるため、建築材などに用いられる。

鉄は濃硝酸とは反応せずに不動態となるが、(b)希硫酸とは反応して水素を発生しながら溶け、淡黄色の水溶液となる。この水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると緑白色の沈殿が生じる。この沈殿をしばらく放置すると(c)赤褐色の沈殿に変化する。

鉄(Ⅱ)イオンはヘキサシアニド鉄(Ⅲ)カリウム(化学式は(エ))と反応して濃青色の沈殿を生じる。鉄(Ⅲ)イオンはヘキサシアニド鉄(Ⅱ)カリウム(化学式は(オ))と反応してやはり濃青色の沈殿を生じる。同じく鉄(Ⅱ)イオンを含む溶液にチオシアン酸カリウム(化学式は(カ))の水溶液に加えると水溶液は濃赤色になりこの反応も鉄(Ⅲ)イオンの検出に用いられる。

問1(ア)~(カ)に当てはまる語句を答えよ。

問2(a)で一酸化炭素を用いて赤鉄鋼を還元するときの化学反応式を書け。

問3(b)の化学反応式を書け。

問4(c)沈殿した赤褐色の化合物の化学式を書き、沈殿物の色が変化するときの化学変化の過程を簡潔に説明せよ。

問5鉄の腐食を防ぐために鉄にクロムやニッケルを混ぜてつくった合金を何というか。

問6鋼鉄は純鉄に比べて展性、延性が小さく、硬度が大きい理由を説明せよ。

解答および解説

問1(ア)(イ)銑鉄(ウ)(エ)K3[Fe(CN)6](オ)K4[Fe(CN)6](カ)KSCN

問2Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

赤鉄鋼の主成分はFe2O3(赤褐色)、磁鉄鋼の主成分はFe3O4(黒色)である。コークスを溶鉱炉で空気酸化して生じる一酸化炭素が段階的に鉄の酸化物を還元して鉄が生成する。Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

鉄鉱石中のSiO2は石灰石と反応しスラグとして取り除かれる。スラグは鉄よりも密度が小さいので銑鉄の上に浮かびその酸化を防止してくれる。

SiO2+CaCO3→CaSiO3(スラグ)+CO2

溶鉱炉から得られる銑鉄はCを約4%含む融点が低い。溶融銑鉄を転炉に移し酸素を吹き込んでCを2~0.02%程度に減らした物が鋼である。

問3Fe+H2SO4→FeSO4+H2

Feは水素よりもイオン化傾向が大きく希硫酸と反応して水素を発生する。

問4化学式:Fe(OH)3  

過程:溶存酸素によりFe(OH)2が酸化され、4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3の変化によってFe(OH)3が生じる。

4Fe2+の化物は酸化されやすく、Fe3+の化合物になりやすい。とくに緑白色のFe(OH)2は酸化剤H2O2を加えるとすぐにFe(OH)3になる。しかし空気中に放置されると徐序に酸化されて赤褐色のFe(OH)3になる。

問5ステンレス鋼

問6鋼鉄は鉄の結晶格子のすきまに炭素原子が入りこむことによってできた合金で炭素原子が外力によって生じる鉄原子の移動を妨げるため、純鉄に比べて展性、延性は小さくなる代わりに硬度が増すから。

問題8銅について

銅の単体は黄銅鉱物(CuFeS2)を製錬して得ることができる。まず(a)黄銅鉱を溶鉱炉に入れて、熱風を送り込むと酸化鉄(Ⅱ)、二酸化硫黄、硫化銅(Ⅰ)になる。次に得られた硫化銅(Ⅰ)を転炉に入れ、空気を送り金属銅を作る。このようにして得られる金属銅は粗銅と呼ばれ、金、銀、ニッケル、鉄、亜鉛などの不純物が含まれる。(b)粗銅を電解精錬することにより純度の高い銅を得ることができる。

(c)銅は希硫酸とは反応しないが、熱濃硫酸には反応して溶ける。銅をガスバーナーで赤熱して生成した黒色の酸化銅(Ⅱ)をメタノールの蒸気に接触させると(d)刺激臭のある気体が発生する。銅(Ⅱ)イオンは水溶液中で青色を示すが(e)濃アンモニア水を加えると深青色の溶液になる。

問1 文中の(a)の反応式を書け

問2文中の(b)の装置を図示せよ。図は原理がわかる簡単な模式図でよい

問3粗銅に含まれていた不純物は電解精錬語どうなるか。銀について50文字以内で説明せよ。

問4(c)についてその理由を述べよ。

問5(d)の気体の名称を答えよ。また化学反応式で書け。

問6(e)の化学反応式を書け。

問7遷移元素の特徴を3つ述べよ。

問8硫酸銅(Ⅱ)水溶液1.00Lと不純物としてNiを含んだ粗銅を陽極に、純銅を陰極に用い、電解をおこなったところ、粗銅は2.00g減少し、純銅は1.90g増加した。さらに水溶液中の銅(Ⅱ)イオンは0.020molだけ減少した。このことから陽極泥としてさらに沈殿した金属の質量を求めよ。また電気分解時に0.3Vと低い電圧で行う理由を答えよ。(原子量:Ni=59,Cu=63.5,Ag=108)

解答および解説

問1CuFeS2+9O2→2Fe2O3+6SO2+2Cu2S

未定係数法で求めると良い。

問2

粗銅が陽極、純銅が陰極、電解液が硫酸酸CuSO4水溶液。

問3銀は銅よりイオン化傾向が小さいので陽イオンとして溶液中に溶出せずに陽極の下に沈殿する。

問4銅は水素よりイオン傾向が小さいので希硫酸中の水素イオンでは酸化されないが酸化力の強い熱濃硫酸には酸化される。

問5気体;ホルムアルデヒド(HCHO)

CH3OH+CuO→HCHO+Cu+H2O

メタノールが酸化銅(Ⅱ)によって酸化されホルムアルデヒドが生成する

還元剤:CH3OH→HCHO+2H++2e

酸化剤:CuO+2e+2H+→Cu+H2O

(全体) CH3OH +CuO→HCHO+ Cu+H2O

問6Cu(OH)2+4NH3→[Cu(NH3)4]2++2OH

水酸化銅(Ⅱ)は両性水酸化物ではないので過剰のNaOH水溶液には溶けないが、過剰のアンモニア水溶液にはテトラアンミン銅(Ⅱ)イオンの錯イオンを生じる。

問7

・価電子数がほぼ一定なので族に関係なく同周期の元素の化学的性質も類似している。

・典型元素の金属に比べて原子半径が小さく金属結合が強いので融点が高く密度も大きい物が多い。

・イオンや化合物では内側の電子核が未閉殻であるので可視光の吸収が起こり有色であるものが多い。

問8金属の質量:0.185g

(理由)電圧を高くすると、陽極からAgが溶解したり、陰極にZnやFeなどが析出し銅の純度がわからなくなるため。

(陽極)Cu→Cu2++2e

(陰極)Cu2++2e→Cu

Cu1molが析出するのに電子2molが必要。

陰極で反応した電子:(1.9÷63.5)×2≑0.060mol。陽極ではCuとNiの分解にこの電子(0.060mol分)が使われる。

陰極で析出したCuは0.030mol。

陽極は水溶液中の銅(Ⅱ)イオンが0.020mol減少している。析出したCuが0.030molなので陽極で溶解したCuは0.030-0.020=0.010mol。また0.010×2=0.020molの電子がこの反応に使われている。

次にNiに着目するとNi→Ni2++2eの反応でこの反応に使われた電子の物質量は0.060-0.020mol(先ほどのCuの溶解に使われた電子量)=0.040mol。よって溶解したNiは0.020molである。

溶解したCuの質量:0.010×63.5=0.635g

溶解したNiの質量:0.020×59=1.180g

2.00-0.635-1.180=0.185g

(補足)

名称主要成分その他特性や用途
ステンレス鋼FeCr,Niさびにくい
ジェラルミンAlCu,Mg,Mn軽い
黄銅CuZn楽器
青銅CuSn美術品
白銅CuNi貨幣
ニクロムNiCr電熱線
はんだSnPb融点低い

問題9銀について

(a)硝酸銀水溶液にアンモニア水溶液を加えたら、褐色の沈殿が生じた(b)さらにアンモニア水溶液を過剰に加えたら沈殿は溶けて無色透明な水溶液になった

(c)硝酸銀水溶液に臭化カリウム水溶液を加えたら淡黄色の沈殿が生じた。臭化カリウム水溶液を過剰に加えてもこの沈殿は溶けなかったが、(d)チオ硫酸ナトリウムを加えるとこの沈殿は溶解した。

問(a)~(d)の化学反応式を書け。

解答および解説

(a)2AgNO3+2NH3+H2O→Ag2O↓+2NH4NO3

(b)Ag2O+4NH3+H2O→2[Ag(NH3)2]++2OH–  *2[Ag(NH3)2]OHでも良い

(c)AgNO3+KBr→AgBr↓+KNO3

(d)AgBr+2Na2S2O3→Na3[Ag(S2O3)2]+NaBr

銀の化合物には水に不要な物が多いがAgNO3は水に良く溶け、Ag2SO4も水によく溶ける。Agは塩基の水溶液と反応したとき水酸化銀AgOHはAgが弱いので非常に不安定である。なので代わりにAg2Oの褐色沈殿を生成する特徴がある。
ハロゲン化銀はAgFを除いて水に溶けにくい。AgCi(白)、AgBr(淡黄)、AgI(黄)の沈殿の中でAgClとAgBrは過剰のアンモニア水を加えることでジアンミン銀(Ⅰ)イオン{Ag(NH3)2}+となり溶けるがAgIは溶けない。またこの三つの沈殿は過剰のチオ硫酸カリウム水溶液またはシアン化カリウム水溶液にいずれもビス(チオスルファト)銀(Ⅰ)酸イオン、ジシアニド銀(Ⅰ)イオンという錯体を作ることで無色透明の液体になる。水に対する溶解度の小さいハロゲン化銀の沈殿を錯イオンとして溶解するにはAg+に対する配位能力大きいチオ硫酸カリウムまたはシアン化水素を使う必要がある。またAgClやAgBrには感光性があることを覚えておくにゃ!

問題10クロムとマンガンについて

クロムとマンガンは周期表で同じ第4周期に属する遷移元素である。これらの元素は酸化数の違ういろいろな色のイオンや化合物を作る。酸化物では顔料に用いられる緑色の三価クロム(Ⅲ)やマンガン乾電池に用いられる(1)色の酸化マンガン(Ⅳ)などがよく知られている。ニクロム酸カリウムや過マンガン酸カリウムは、クロムやマンガンが大きな酸化数をもつ化合物である。ニクロム酸カリウムは水に溶けると(2)を生じて、水溶液は(3)になる。この水溶液を塩基性にすると(4)が生じ、液は(5)色に変わる。(4)を含む水溶液はPb2+,Ba2+,Ag+などと反応して難溶性の塩を生じる。一方、過マンガン酸カリウムが水に溶けると(6)を生じるため、水溶液は(7)色になる。またニクロム酸カリウムや過マンガン酸カリウムの水溶液を酸性にした溶液は強い酸化作用をもつ。

問 文中に入る適切な語句またはイオン式を答えよ。(1,3,5,7は色が入る)

解答および解説

(1)(2)Cr2O72-(3)赤橙(4)CrO42-(5)(6)MnO4(7)赤紫

MnO2(黒)、MnO4(赤紫)、Mn2+(淡桃)、MnS(淡赤)、

Cr2O72-(赤橙)、CrO42-(黄)、Cr2O3(緑)、Cr3+(緑)

(塩基性下)Cr2O72-+2OH→2CrO42-+H2O

(酸性下)2CrO42-+2H+→Cr2O72-+H2O

問題11金属の系統分析について

下図はAl3+,Ba2+,Fe3+,Cu2+,Pb2+,Zn2+,Ag+,Na+の8種類の金属イオンを分離する操作を示した物である。下の各問いに答えよ。なお分離は完全に行われた物とする。

(1)沈殿A~沈殿Eの化学式を書け。

(2)ろ液2に対する操作(A)、(B)はそれぞれ何のために行うのか。またこれらの操作が不十分な場合、次の分離操作にどんな影響が現れるか簡潔に説明せよ。

(3)溶液Ⅱに対する操作でNH4Cl水溶液を加える理由を記せ。

(4)図に示す確認試験1~6は次の(a)~(f)のどれが適当かを選べ。(重複はなし)

(a)塩酸に溶かし、ヘキサシアニド鉄(Ⅱ)酸カリウム水溶液を加える。

(b)6mol/Lの酢酸に溶かし、炎色反応を調べる。

(c)2mol/Lの希硝酸に加熱・溶解させアンモニア水を過剰に加える。

(d)6mol/Lのアンモニア水に溶かしその溶液を硝酸で酸性にする。

(e)塩酸に溶かした後、再びアンモニア水を加えて中和する。

(f)0.1mol/Lのクロム酸カリウム水溶液を加える。

(5)ろ液5に含まれる金属イオンの確認方法を簡潔に説明せよ。

解答および解答

(1A→AgCl, B→CuS,  C→Fe(OH)3 ,D→ZnS ,E→BaCO3

(2)(A)ろ液2に溶けているH2Sを追い出すため。H2Sが残ってる場合、次にアンモニア水を加えると水酸化物の中に少量のZnSといった4族の硫化物が沈殿してしまう。

(B)Fe3+はH2Sによって還元されFe2+の状態になっているので硝酸で酸化してもとのFe3+に戻す必要がある。Fe2+のままでアンモニア水を加えると生じたFe(OH)2はFe(OH)3と比較して少し溶解度が大きいのでろ液3にFe2+が少し残り次に硫化水素を通じたときFeSが少し沈殿してしまう。

(3)NH4Clを加えることによってアンモニアの電離平衡がNH3+H2O⇄NH4++OHを左に移動させるので溶液中のOHを小さく保つことが出来る。この操作により溶解度の小さな3価の金属の水酸化物だけを選択的に沈殿させることができる。

 塩基性を弱くしておくことで溶解度のやや大きい2価の金属水酸化物を沈殿させることなく溶解度の小さい3価の金属水酸化物だけを沈殿させることができる。

(4)1:(d), 2(f), 3(c), 4(a), 5(e), 6(b)

1:AgCl+2NH3→[Ag(NH3)2]++Cl 硝酸を加えると錯イオンが分解し再度AgCl↓。

2:PbCl2は高温の水でPb2+になる。クロム酸鉛(Ⅱ)と反応すると黄色の沈殿ができる。

3:3CuS+8HNO3→3Cu(NO3)2+3S↓+2NO↑+4H2O

  Cu2++4NH3→[Cu(NH3)4]2+

4:Fe(OH)3+3HCl→FeCl3+3H2O

Fe3++K4[Fe(CN)6]→K・Fe[Fe(CN)6]↓+3K+

5:Na[Al(OH)4]+4HCl→AlCl3+NaCl+4H2O

Al3++3NH3+3H2O→Al(OH)3↓+3NH4+

6:BaCO3+2CH3COOH→(CH3COO)2Ba+H2O+CO2

(5)炎色反応で黄色の炎色が現れればナトリウムイオンであることを確認できる。

最初の試料溶液を作るのに硝酸塩が用いられる理由→硝酸イオンと沈殿をつくる金属はないので複数の金属イオンの混合水溶液をつくるには硝酸塩を用いるのがよい。

問題12陰イオンの推定

試薬名の不明な7種のカリウムの正塩からなる水溶液A~Gがある。これらは下記にあげた陰イオンのうちそれぞれ1種類ずつを含んでいる。以下(1)~(7)の各反応に基づいてA~Gの水溶液に含まれる塩の種類を決定せよ。なおこの塩は結晶水を含まないものとする。

「Cl,Br,NO3,CH3COO,CO32-,C2O42-,SO32-,SO42-,S2-,CrO42-

(1)A液は塩基性を示し、塩化バリウム水溶液を加えると白色の沈殿が生成する。この沈殿に希塩酸を加えると、無色・無臭の気体を発生しながら溶けた。

(2)B液は中性を示し、硝酸銀水溶液を加えると淡黄色の沈殿を生成する。この沈殿に光りを当てると黒っぽくなり、また希硝酸を加えても溶けなかったが、濃アンモニア水を十文に加えると溶解した。

(3)C液は塩基性を示し、硝酸銀水溶液を加えると黒色の沈殿が生じる。この沈殿は希塩酸や希硫酸には溶けないが希硝酸を加えて加熱すると溶解する。この際、黄白色の沈殿がわずかに生成する。

(4)D液は塩基性を示し、塩化バリウム水溶液を加えると白色の沈殿が生成する。この沈殿に希塩酸を加えると、無色、刺激有のある気体が発生する。またこの気体を硫酸酸性の過マンガン酸カリウム水溶液に通じると過マンガン酸イオンの赤褐色が消える。

(5)E液は中性を示し、塩化バリウム水溶液、硝酸銀水溶液のいずれかを加えても沈殿は生じない。

(6)F液は塩基性を示し、硫酸カルシウム水溶液を加えると白色の沈殿を生成する

(7)G液はほぼ中性を示し、塩化バリウム水溶液、硝酸銀水溶液のいずれかを加えても有色の沈殿を生じる。これらの沈殿に希硝酸を加えると何も気体を発生せずに溶解した。

解答および解説

(A)K2CO3  (B)KBr  (C)K2 (D)K2SO3  (E)KNO3  (F)K2C2O4  (G)K2CrO4

(1)(A)カリウム塩が塩基性を示す→弱酸+強塩基で作られた塩は塩基性を示す→Aには弱酸のイオンが含まれている。

候補:CH3COO,CO32-,C2O42-,SO32-, S2-

酸をそれぞれ加えると     CH3COOH(刺激臭)、H2O+CO2↑(無色、無臭)、H2C2O4,H2O+SO2↑(無主、刺激臭)、H2S(無色、腐卵臭)。よってCO32-であることがわかる。

(2)(B)カリウム塩が中性を示す→強酸+強塩基でつくられた正塩は中性を示す→Aには強酸のイオンが含まれている。

候補:Cl,Br,NO3,,SO42-,CrO42-

Ag+と反応→Brのみ→AgBr(淡黄色の沈殿)。この沈殿は濃アンモニア水には溶ける。

AgBr+2NH3→[Ag(NH3)2]++Br

AgIは濃アンモニア水には溶けない。


(3)(C)(A)と同様に

候補:CH3COO,C2O42-,SO32-, S2-

この中で硝酸銀水溶液を加えると黒色の沈殿を作るのはS2-である。Ag2S下(黒)。よって


(4)(D)候補;CH3COO,C2O42-,SO32-,

塩化バリウム水溶液との反応でC2O42-,SO32-は白色の沈殿をつくる。それぞれ塩酸と反応させると

Ba2C2O4+2HCl→BaCl2+H2C2O4

BaCO3+2HCl→BaCl2+H2O+SO2

よってK2SO3(無色・無臭)であることがわかる。

硫酸酸性の過マンガン酸カリウム水溶液との反応

SO2+2H2O→H2SO4+2e+2H+

MnO4-+5e+8H+→Mn2++4H2O②

①×5+②×2

2MnO4+5SO2+2H2O+6H+→2Mn2++5H2SO4


(5)(E)候補:Cl,NO3,SO42-,CrO42-

強酸のイオンでバリウムイオン、銀イオンともに沈殿を作らないのはNO3である。

(6)(F)Ca(NO3)2+K2C2O4→CaSO4↓+2KNO3

(7)(G)Ba2++CrO42-→BaCrO4(黄)↓

2Ag++CrO42-→Ag2CrO4(赤褐)↓

-化学の巻↓, 無機化学(高校)

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