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)

非金属とその化合物の性質を知ろう(気体の発生法も)!!

投稿日:12月 27, 2020 更新日:

・黒鉛、ダイヤモンド、ケイ素について

黒鉛 → 炭素原子が共有結合によって六角形につながった層状の分子でこれが分子間力によって結びつけられている。電気伝導性がありことも大事です。

ダイヤモンド → 炭素原子同士が共有結合で結ばれ正四面体構造をとっていてそれが繰り返された巨大分子のことです。硬く融点がとても高いのが特徴です。

ケイ素 → ケイ素原子どうしが共有結合で結ばれて正四面体構造をとっていて巨大分子を形成しています。電気伝導性は半導体(電気伝導性が良導体と絶縁体の中間)です。

・炭素とケイ素の酸化物達

[一酸化炭素]発生源(1)炭や石油の不完全燃焼で二酸化炭素共に生じる。

(2)高温の炭素に二酸化炭素が反応して生じる。

(3)ギ酸HCOOHに濃硫酸を加えて加熱すると、ギ酸が脱水(H2Oが取れる)されて一酸化炭素が生じる

[特徴](1)とても有害であり危険

(2)水に溶けにくく非金属酸化物なので中性を示す

(3)還元作用があり高温の時に金属の酸化物を単体にする

(4)燃焼すると青白い炎をだします。

[二酸化炭素]ドライアイス → 二酸化炭素の固体で有り昇華性があり固体から直接気体となる

[二酸化ケイ素SiO2]ケイ素原子と酸素原子が交互に共有結合を繰り返してつながった構造をとった共有結合の結晶である。二酸化ケイ素は地殻の重要な成分で元素別では酸素とシリカが1番目・2番目に多く含まれています。高純度の二酸化ケイ素を融解して繊維状にしたものが光ファイバーです。

またお菓子などの袋に入っている乾燥剤であるシリカゲルは二酸化ケイ素から作られています。下にシリカゲルを作る過程をのせます。

(1)SiO2にNa2CO3を加えて加熱するとケイ酸ナトリウムNa2SiO3が得られる。

(2)ケイ酸ナトリウムに水を加えて加熱すると水あめのような粘性のある液体を得ることができる。これがいわゆる水ガラスというものです。

(3)水ガラスの水溶液に塩酸を加えると白いゲル状のケイ酸H2SiO3が得られる

(4)ケイ酸を加熱して乾燥させるとシリカゲルが得られる。シリカゲルは小さな孔が沢山あって多孔質構造です。

・窒素とその仲間達

まず窒素の製造法について解説します。

[実験室]亜硝酸アンモニウムの熱分解で窒素分子を得る

NH4NO2→N2↑+2H2O

[工業的]液体空気の分留で得られる。

一酸化窒素NO)→一酸化窒素は水に溶けにくいです。酸化されやすく空気中の酸素と結びつき二酸化窒素になります。実験質では銅に希硝酸を反応させると発生する。水上置換で捕捉する。

3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO +4H2O

二酸化窒素)→二酸化窒素は赤褐色の気体で有毒である。水によく溶けて硝酸に変化します。3NO2+H2O(温水)→2HNO3+NO

実験室では銅に濃硝酸を反応させると発生し下方置換で捕捉する。

Cu + 4HNO3 → Cu(NO3)2 +2NO2 +2H2O

硝酸HNO3)硝酸は強酸です。酸化力が強く酸化剤としてよく使われています。銅や銀からでも電子を奪いとります。硝酸イオンは沈殿を作らないことも覚えておきましょう。保存方法は硝酸は光や熱によって分解しやすいので褐色のビンに保存します。

硝酸には濃硝酸と希硝酸では性質が少し違います。

  • それぞれ銅や銀などを溶かしたとき濃硝酸はNO2、希硝酸ではNOが発生する。
  • Al,Fe,Niは濃硝酸に溶けません。金属表面に酸化皮膜を生じ守られることで溶けないです。この状態を不動態です。

アンモニア)アンモニアは塩基性の液体で塩酸と出会うと白煙を生じる。アンモニアは加圧すると容易に液化し蒸発すると多量の蒸発熱を吸収し冷却剤に使用できる。

・リンの仲間達

リンは鉱物として自然界に存在しています。リンは生命に非常に重要な元素です。

黄リン)空気中で自然発火し燃焼しやすく有毒である。よって水中で保存します。

(赤リン)安定していて無毒です。黄リンを空気が無い状態で加熱すると赤リンになります。マッチなどに使われます。

十酸化四リンP4O10)これは黄リンや赤リンを空気中で燃やすと生じる酸化物で潮解性があり吸湿性が強いので乾燥剤に使われる。潮解性は固体が大気中の水蒸気を吸収してそれに溶解する現象です。

リン酸H3PO4)P4O10を水に加え煮沸するとリン酸H3PO4を得ることができます。P4O10+6H2O→4H3PO4 リン酸はやや強い酸性で粘性が大きく不揮発性です。

・硫黄の仲間達

硫黄)硫黄の単体には斜方硫黄S8、単斜硫黄S8、ゴム状硫黄Sxの3種類がある。硫黄は水には溶けないが、斜方硫黄・単斜硫黄は二硫化硫黄CS2に溶けます。また多くの元素と化合して硫化物をつくる。硫酸や医薬品、農薬、ゴムなどに使われています。

Fe+S→FeS

(硫化水素H2S)腐卵臭のする無色の液体で有毒である。水に溶けて2段階で電離する。H2S⇄HS+H、HS-⇄S2-+H

二酸化硫黄SO2水溶液にH2Sを通じると硫黄が析出して白濁する。

2H2S+SO2→2H2O+3S

硫化物イオンは多くの金属と反応して水に溶けにくい硫化物の沈殿を生成するので金属イオンの分離や検出に応用されます。

二酸化硫黄)二酸化硫黄SO2は硫黄の燃焼で生じる有毒な気体。無色で刺激臭を持ち漂白性がある。二酸化硫黄は通常は還元剤として働くが、硫化水素のような強い還元剤に対しては酸化剤としてはたらき硫黄の単体を遊離する。

2H2S+SO2 → 3S+2H2O

二酸化硫黄は水に良く溶けその水溶液は弱酸性を示す↓

SO2 + H2O ⇄ H + HSO3

濃硫酸)硫酸には1:不揮発性、2:脱水性、3:酸化性、4:吸湿性があります。どれも重要な特徴があります。

希硫酸)希硫酸は電離度が大きく強い酸性を示しイオン化傾向が水素よりも大木亜鉛や鉄などの金属と反応して水素を発生する。

・ハロゲンとは?

周期表の17族に属するF,Cl,Br,I,Atの5種類の元素をハロゲンといいます。単体はいずれも二原子分子で有色・有毒です。融手や沸点は原子番号が大きいほど高いです。多くの元素と化合してハロゲン化物をつくります。ハロゲンの酸化力が強いです。酸化力が強いということは電子を奪う力が強いということです。ハロゲンの酸化力は原子番号が大きくなるにつれて弱くなります。

F2  > Cl2 > Br2  >I2

・水素、銀、カルシウムとの化合物について

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フッ素との化合物だけが他のハロゲン化合物と違う性質を示すことに注意しましょう。

・フッ素とその仲間達

(フッ素F2)フッ素はハロゲン単体の中で反応する相手の物質から電子を奪い取る能力が最も強く酸素から電子を奪い取ることができる。水にフッ素を吹き込むと酸素が発生する。

2F2+2H2O → 4HF+O2

(フッ化水素HF)フッ化水素はハロゲン化水素の中で唯一の弱酸である。しかしガラスの成分のSiO2を溶かすことができる。

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O   *H2SiF6ヘキサフルオロケイ酸

またフッ化水素の作りかたはホタル石(主成分CaF2)に濃硫酸を加え加熱することでつくる。

CaF2+H2SO4 →2HF +CaSO4

・Cl,Br,Iとその仲間達

(塩素)塩素は水道水の殺菌などの漂白に利用される。塩素を湿った青リトマス紙に触れさせると一度赤くなった後、脱色されていく。リトマス紙が赤くなる原因はHCl,その後脱色されていく原因はHClO(次亜塩素酸)である。

Cl2+H2O ⇄ HCl+HClO(次亜塩素酸)

次亜塩素酸の酸化剤としての反応式がテストで問われるときがあるにゃ!

次に塩素の酸化力はヨウ素や臭素よりも大きいので塩素がI,Brから電子を奪い取ることでI2やBr2の単体ができることを覚えておきましょう。

(臭素)臭素は非金属の中で唯一常温で液体の単体であり赤褐色である。

(ヨウ素)ヨウ素は常温で黒紫色の固体である。水にはほぼ溶けないですがヨウ化カリウム水溶液には良く溶けかつ褐色の溶液(ヨウ素ヨウ化カリウム水溶液)になる。理由はヨウ化カリウムの電離で生じたヨウ化物イオンがヨウ素単体と結合してI3-となりヨウ素が溶液中に溶け込んでいるからです。

I2+I⇄I3(三ヨウ化物イオン)

ヨウ化カリウムとデンプン水溶液をしみ染みこませたろ紙に塩素あるいはオゾンを触れさせるとヨウ素が生じヨウ素デンプン反応が起こるので青く変色します。

またヨウ素は加熱すると固体から直接気体になり冷やすと結晶を生じる。

(さらし粉)CaCl(ClO)・H2O

まずはさらし粉の化学反応式を覚えましょう。

Ca(OH)2+Cl2→CaCl(ClO)・H2Oこの反応は次にように段階的におぼえましょう。(1)塩素に水を加えHCl+HClOにする(2)電離させる(3)HとOHをくっつけてH2Oに残りのイオンで塩をつくる。

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さらし粉には漂白殺菌作用があります。理由はさらし粉には次亜塩素酸イオンを含んでいるからで有機物である色素やばい菌から電子を奪い取り漂白殺菌する作用があります。

さらし粉に塩酸を加えると塩素が生じることも覚えましょう。

・気体の製法

酸・塩基反応の利用 「弱酸の塩」+「強酸」+「強酸の塩」

(問題) 塩化鉄(Ⅱ)に希塩酸を加えた場合に生成する気体の名称と分子式は何か?

(解答)FeS+2HCl→H2S+FeCl2よって硫化水素が発生する。

(問題)(?)は石灰石に希塩酸を加えると発生し、無色・無臭で水に溶解して弱酸性を示す。()に入る語句は何か

(解答)二酸化炭素 CaCO3+2HCl→H2O+CO2+CaCl2

「弱塩基の塩」+「強塩基」→「弱塩基」+「強塩基の塩」

(問題)(1)は塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱すると発生する。(2)と直ちに反応して白煙を生じる。

(解答)(1)アンモニア(2)塩化水素HCl

NH3+HCl→NH4Cl

酸化・還元反応について

(問題)銅を熱濃硫酸に加えると気体(1)を発生しながら溶けて硫酸銅(Ⅱ)を生じる。このとき銅原子は(2)される。

(解答)(1)二酸化硫黄(2)酸化

Cu → Cu2++2e ①

H2SO4 + 2H+2e→SO2+2H2O ②

①+②、両辺にSO42-を加えると

Cu+H2SO4→CuSO4+SO2+2H2O

銅は濃硫酸と反応して二酸化硫黄、濃硝酸と反応して二酸化窒素、希硝酸と反応して一酸化窒素が発生する。この違いは覚えておこう

(問題)酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えてフラスコ中で加熱するさいにおきる反応は実験室で(1)を発生させるときに用いられるが、反応中のフラスコの気相には空気と(1)胃ア害に(2)や水蒸気が含まれる。純粋な(1)を得るにはまず(2)を除去するためにフラスコから導いた気体を(3)により洗浄し次に水蒸気を除去するために(4)により洗浄する。洗浄を終えた気体は(5)置換により捕集する。

(解答)(1)塩素(2)塩化水素(3)水(4)濃硫酸(5)下方

濃塩酸を酸化剤である酸化マンガン(Ⅳ)MnO2と反応させてCl2を発生させることができる。

MnO2+4H+2e→Mn2++2H2O ①

       2Cl→Cl2+2e ②

①+②、両辺に2Clを加えると

MnO2+4HCl→MnCl2+Cl2+2H2O 塩素は水に溶け空気より重いので下方置換で捕集できる。

酸化還元反応で発生する気体の反応としてさらし粉に塩酸を加えて塩素がでてくることも試験に問われるにゃ。他にも過酸化水素に酸化マンガン(Ⅳ)を加えると発生するにゃ。

濃硫酸の不揮発性や脱水作用について

「揮発性の酸の塩」+「不揮発性の酸(濃硫酸)」 加熱する→「揮発性の酸(HClやHFなど)」+「不揮発性の酸の塩」

(問題)塩化ナトリウムに濃硫酸を加えおだやかに加熱し、気体(1)を発生させた。

(解答)硫酸の沸点は高いということは揮発しにくいということです。よって沸点が低い=揮発しやすい塩酸を発生させることが可能である。

NaCl+H2SO4→HCl+NaHSO4

濃硫酸の脱水作用

(問題)(?)はギ酸に濃硫酸を加えて加熱すると発生する。

(解答)一酸化炭素

HCOOH→CO+H2O

熱分解反応について

(問題)塩素酸カリウムKClO3に酸化マンガン(Ⅳ)を触媒として加えて加熱すると(?)が発生する。

(解答)酸素が発生する。2KClO3→2KCl+3O2

・気体の捕集法、乾燥法について

(問題)次の気体を発生させたとき、下方置換で捕集するのが最も適当なものはどれか? 二酸化硫黄、一酸化炭素、一酸化窒素、アンモニア、窒素

(解答)二酸化硫黄

水に溶けにくい気体(中性気体)は
農NO,工CO,水H2,産O2,地N2,油(メタン、エチレンなど)と覚えよう!

乾燥剤に関する問題もあるのでしっかり覚えるにゃ!

・気体の検出法について

気体の正体を問われる問題にはパターンがあります。これを覚えるだけで点数は確実にアップです。

  • 塩素は黄緑色、気体・二酸化窒素は赤褐色
  • 二酸化炭素は石灰水を白濁する
  • 硫化水素は腐卵臭がして酢酸鉛(Ⅱ)紙を黒くする
  • 塩素は水で湿らせたヨウ化カリウムデンプン紙を青くする
  • アンモニアは濃塩酸、気体・塩酸は濃いアンモニア水を近づけると白煙を生じる
  • 一酸化窒素は空気に触れると赤褐色になる
  • 二酸化硫黄は還元性があり過酸化マンガン水溶液の赤紫色を脱色する
  • 二酸化硫黄は還元性脱色作用、気体・塩素は酸化性脱色作用をもつ

・演習問題

問題()に入る言葉を答えよ。

炭素の単体は天然にダイヤモンドや(1)が存在し、これらは互いに(2)である。ダイヤモンドは全ての炭素原子が(3)結合してできた無色の結晶であらゆる物質の中で最も(4)い。(1)は光沢のある(5)色の結晶で、(6)や(7)[*6と7は順不同]を良く通す。

二酸化ケイ素を水酸化ナトリウムや炭酸ナトリウムを混合して融解するとケイ酸ナトリウムが得られる。ケイ酸ナトリウムに水を加えて長時間加熱すると粘性の大きい液体が得られる。これを(8)という。この水溶液に塩酸を加えて中和すると白色で無定型のケイ酸が沈殿する、このケイ酸を加熱乾燥したものが(9)である。

  1. 黒鉛
  2. 同素体
  3. 共有
  4. 電気
  5. 熱 
  6. 水ガラス
  7. シリカゲル

銅と希硝酸を反応させると(1)が発生する。銀と濃硝酸を反応させると(2)が発生する。鉄と濃硝酸を反応させると(3)。(1)の気体は(4)色、(2)の気体は(5)色である。

リンの代表的な単体には(6)と(7)がある。これらは互いに(8)であるが(6)は有毒で反応性にとむので(9)に保存する。(7)は(6)に比べて毒性が低く反応性が乏しい。

  1. NO
  2. NO2
  3. 発生しない
  4. 赤褐
  5. 黄リン
  6. 赤リン
  7. 同素体
  8. 水中

問題()に当てはまる語句を答えよ。

硫黄には斜方硫黄、(1)硫黄、(2)硫黄などの(3)がある。斜方硫黄は黄色塊状の安定物質であるがこれを120℃に熱して融解後冷却すると淡黄色針状の(1)が得られる。また斜方硫黄を約250℃まで熱して液体とし、冷水に注いで急冷すると(4)色で男性のある(2)硫黄が得られる。

硫化鉄(Ⅱ)と希塩酸を反応させると腐卵臭の有毒な気体(5)が発生する。

スクロースに濃硫酸を滴下すると黒変する現象(6)

濃硫酸に塩化ナトリウムを加えて加熱すると塩化水素が発生する(7)

気体の乾燥剤に使用される(8)

銅や銀を加えて加熱すると二酸化硫黄が発生する(9)

  1. 単斜
  2. ゴム状
  3. 同素体
  4. 黒褐色
  5. 硫化水素
  6. 脱水性
  7. 不揮発性
  8. 吸湿作用
  9. 酸化作用

ハロゲンの単体は有色、有毒で室温では二つは気体で1つは液体、残る一つは固体である。この中で水との反応は(1)の単体が最も激しく、この場合には酸素が発生する。(2)の単体は水に少しとけ漂白作用や殺菌作用を示す。(3)は室温で赤褐色の液体で水との反応は(2)より弱い。

塩素は水に少しとけ、その一部が水とは濃して塩化水素と(4)を生じる。生じた(4)は分解しやすいが強い酸化作用があるために漂白剤や殺菌剤として使われる。

弱酸として作用するハロゲン化水素の水溶液の名称と書け。(5)

  1. フッ素
  2. 塩素
  3. 臭素
  4. 次亜塩素酸
  5. フッ化水素酸

-化学の巻↓, 無機化学(高校)

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