第５・６回物質科学無機化合物 • 有機化合物以外の化合物。具体的には単純な一部の炭素化合物（下に示す）と、炭素以外の元素で構成される化合物。 ●無機化合物（典型元素と遷移元素） ●レアメタルとは – 炭素化合物のうち無機化合物に分類されるもの • グラファイトやダイヤモンドなど炭素の同素体、一酸化炭素や二酸化炭素、二硫化炭素など陰性の元素と作る化合物、あるいは炭酸カルシウムなどの金属炭酸塩、青酸と金属青酸塩、金属シアン酸塩、金属チオシアン酸塩、金属化物などの塩 • 無機”には「生命力を有さない」と言う意味があり、“機”には「生活機能」と言う意味がある。周期表族周期第１第２第３第４第５第６第７族名１ＨＬｉＮａＫＲｂＣｓＦｒアルカリ金属２ＢｅＭｇＣａＳｒＢａＲａアルカリ土類金属金属元素と非金属元素 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Ｈｅ非金属元素→ ＢＣＮＯＦＮｅ ←金属元素ＡｌＳｉＰＳＣｌＡｒＳｃＴｉＶＣｒＭｎＦｅＣｏＮｉＣｕＺｎＧａＧｅＡｓＳｅＢｒＫｒＹＺｒＮｂＭｏＴｃＲｕＲｈＰｄＡｇＣｄＩｎＳｎＳｂＴｅＩＸｅ ● ＨｆＴａＷＲｅＯｓＩｒＰｔＡｕＨｇＴｌＰｂＢｉＰｏＡｔＲｎ ◎ ●はランタノイド、◎はアクチノイド３４５６７８９アルカリ金属････Ｈを除いた１族の元素アルカリ土類金属････Ｂｅ、Ｍｇを除いた２族の元素ハロゲン････17族の元素希ガス････18族の元素典型元素：1族、2族、12～18族ハ希ロガゲスン • 金属元素 • 非金属元素金属光沢があり、展性・延性に富み、電気と熱の伝導性が極めて大きい元素。単体は金属結合によって金属結晶をつくる。密度が大きく、融点が高いものが多い。化合物をつくるときには、価電子を放出して陽イオンになる。金属の特性である光沢や電気や熱の良伝導性をもたない元素。一般的に単体は共有結合によって分子をつくり、分子は分子間力によって分子結晶をつくる。金属元素との反応では、金属元素から電子を受け取って陰イオンになる。遷移元素：3～11族典型元素と遷移元素 • 典型元素 • 遷移元素 1族、2族、12～18族の元素。原子番号が増えるに従って原子の価電子の数が規則的に変化する。周期律がはっきりしていて、周期表の上下（同族）の元素どうしの性質が類似している。 3～11族の元素。原子番号が増加しても、最外殻より内側の電子殻の数が増えていくため、最外殻電子の数は殆ど変わらない。そのため、元素の性質は周期表の上下（同族）の元素どうしよりも、左右（同周期）の元素どうしが類似していることが多い。周期表 1 希ガス He （ヘリウム）飛行船、臨床用NMR Ne（ネオン）ネオンサイン、レーザー Ar（アルゴン）白熱電球、溶接 Kr（クリプトン）クリプトンランプ、長さの基準 Xe（キセノン）キセノン封入ランプ（ヘッドライト） Rn（ラドン）ラドン温泉 • 希ガスの原子は安定で、他の原子と結合しにくい。反応しにくく、ほとんどの化合物をつくらない。 Ne（ネオン）ネオンサイン、レーザー Kr（クリプトン）クリプトンランプ He （ヘリウム）飛行船、臨床用NMR Ar（アルゴン）白熱電球、溶接 Xe（キセノン）キセノン封入ランプ（ヘッドライト、サーチライト） 2 Rn（ラドン）ラドン温泉 H2（水素） •すべての気体の中で密度がもっとも小さい •水素自動車、ロケット燃料ハロゲン単体はいずれも二原子分子であり、有毒である • フッ素（蛍石CaF2, 氷晶石Na3AlF6） • 塩素（岩塩、NaCl） • 臭素（海水） • ヨウ素（コンブ）フッ化水素と塩化水素と塩素の化合物 • フッ化水素HFの水溶液はガラスSiO2を侵す SiO2 + 6HF →H2SiF6 +2H2O • 塩化水素HClの水溶液を塩酸という。フッ素歯磨き粉の添加物(NaF) フッ素樹脂フッ素ゴム塩素 • 酸性洗剤（塩酸HCl）と塩素系漂白剤（次亜塩素酸ナトリウムNaClO） • ポリ塩化ビニル • ポリ塩化ビニリデン 3 ヨウ素(I2) 臭素 • 写真のフィルム（臭化銀AgBr） • ハロゲン化ガラス（臭化銀AgBrのコロイド粒子をガラス中に分散し、光をあてる） 2AgBr → 2Ag + Br2 • うがい薬 • ヨード卵 • 医療（放射性同位体：甲状腺ガン治療） • ハロゲンランプ（自動車やプロジェクター）酸素とオゾン • 酸素O2 大気の20.9% • オゾンO3 繊維の漂白、空気や水の殺菌、工場排水中の有害物質の処理硫黄と硫黄の化合物 • • • • 窒素 • 窒素N2は大気中の78.1%を占める • 液体窒素－196℃の液体硫黄S 火山の噴気孔などに天然に存在硫化水素H2S 二酸化硫黄 SO2 硫酸 H2SO4 窒素を含む化合物 • • • • 一酸化窒素 NO 二酸化窒素 NO2 アンモニア NH3 虫さされの薬硝酸 HNO3 4 窒素を含む化合物 • • • • 一酸化二窒素N2O 麻酔ガス硝酸アンモニウム NH4NO3 即冷パック塩化アンモニウム NH4Cl （塩安）窒素肥料硫酸アンモニウム (NH4)2SO4 （硫安）窒素肥料 • 硝酸カリウムKNO3 花火、黒色火薬マッチリンとその化合物 • • • • • 黄リン（猛毒）、赤リン（同素体）リンの存在：骨、歯、リン灰石ハイドロキシアパタイトCa10(PO4)6(OH)2 リン酸カルシウムCa3(PO4)2 リン酸H3PO4 リンとその化合物の利用炭素 • マッチ（赤リン） P • リン酸二水素カルシウム一水和物 Ca(H2PO4)2・H2O 肥料 • リン酸ナトリウム十二水和物Na3PO4・12H2O 硬水軟化剤 • 炭素（ダイヤモンド、黒鉛（グラファイト）、無定形炭素（フラーレン）といった同位体がある炭素の利用炭素を含む化合物 • • • • ガラスカッター電極半導体基板活性炭 • 一酸化炭素CO（猛毒） • 二酸化炭素CO2：大気中に約0.04%存在し、水に少し溶けて炭酸H2CO3となる 5 ケイ素 • • • • 地殻に27.7%含有ソーラーパネル半導体 IC基板ケイ素の化合物 • 二酸化ケイ素SiO2 石英、水晶、メノウ、ケイ砂 • 水ガラスNa2SiO3 • ケイ酸H2SiO3 ケイ酸塩の利用ガラス、ほうろう、光ファイバー、陶磁器、ファインセラミックスシリコーン • 口紅（油状シリコーン） • シリコーン樹脂、電気材料、耐熱接着剤アルカリ金属 • 1族元素のうち、水素を除いたものをアルカリ金属という。 • 単体は空気や水と反応しやすいので、石油（灯油）中に保存する • リチウムLi、ナトリウムNa、カリウムK、ルビジウムRb、セシウムCs • 炎色反応アルカリ金属の利用 • • • • • リチウム電池 Li ナトリウムランプ Na 原子炉（炉心冷却剤） NaとKの合金光電管 Csの光電効果花火（炎色反応） 6 ナトリウムの化合物 • 塩化ナトリウム NaCl 食塩 • 水酸化ナトリウム NaOH 石けんの製造 • 炭酸水素ナトリウム NaHCO3 ベーキングパウダー、胃酸過多症の胃酸の中和剤 • 炭酸ナトリウム Na2CO3 ソーダ灰 • 硫酸ナトリウム Na2SO4 ガラス、パルプ、洗剤の製造 • 亜硫酸水素ナトリウム NaHSO3 漂白剤、殺菌剤、ビールやワインの酸化防止剤 2族元素の化合物 • • • • 塩化マグネシウムMgCl2 豆腐凝固剤塩化水酸化マグネシウム MgCl(OH) 焼塩水酸化バリウムBa(OH)2 硫酸バリウムBaSO4 内臓のX線撮影の造影剤２族元素 • ベリリウムBe • マグネシウム Mg カメラやノートパソコンのボディ • アルカリ土類金属 – カルシウム Ca – ストロンチウム Sr – バリウム Ba – ラジウム Ra カルシウムとその化合物 • カルシウムCaは海水中に0.0412%、地殻中に 4.66%存在する • リン酸塩として動物の殻および骨の重要な成分 • 酸化カルシウムCaO 生石灰乾燥剤水と反応熱は防虫剤の蒸散や食品の加熱に利用される。（バルサンや弁当の加熱） • さらし粉 CaCl(ClO)・H2O 殺菌、消毒、漂白 • 水素化カルシウムCaH2 携帯用水素発生剤カルシウムとその化合物セメント • 水酸化カルシウムCa(OH)2 しっくい（建築材料）Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O • 塩化カルシウムCaCl2 乾燥剤 • 硫酸カルシウムCaSO4 硫酸カルシウム二水和物 CaSO4・2H2O セッコウ CaSO4・0.5H2O +1.5H2O → CaSO4・2H2O • 炭酸カルシウムCaCO3 石灰石、大理石、方解石、貝殻 • 石灰石と粘土の混合物を約1500℃に強熱し、硫酸カルシウムを加えて粉末にしたものがセメントである。 • セメントに砂と水を混ぜて放置すると、ケイ酸カルシウムCaSiO3・nH2Oなどができて固まる。 7 アルミニウムAlとその化合物アルミニウムを含む化合物 • 13族元素、単体はボーキサイトを原料にアルミナAl2O3をつくり、氷晶石を混ぜて融解塩電解でつくる（大電力必要） • 酸化アルミニウム • 硫酸アルミニウムAl2(SO4)3 紙のサイジング、媒染剤、水の浄化、潰瘍の薬 • 塩化アルミニウム AlCl3 触媒 • 硫酸カリウムアルミニウム十二水和物 • AlK(SO4)2・12H2O ミョウバン – サファイア（鉄、チタン含有） – ルビー（クロム含有）アルミニウムの利用アルミニウムの利用 • アルミホイル、鍋、アルミ建材、アルミ缶 • アルマイト（アルミニウムの表面に5～100μm の耐食性の酸化被膜Al2O3をつけた製品 • アルミニウムの蒸着（製菓の包装、CD-ROM） • ファインセラミックス Al2O3 • ジュラルミン（Al-Mg-Cu-Mn合金）航空機、自動車 • 媒染剤酢酸アルミニウムやミョウバン亜鉛とその化合物亜鉛とその化合物 • 酸化亜鉛 ZnO 白色顔料、絵具、化粧品、医薬品 • 塩化亜鉛 ZnCl2 乾電池 • 硫化亜鉛 ZnS 蛍光塗料（時計の文字盤） • 亜鉛 Zn 乾電池 • 亜鉛 Zn 乾電池、トタン、黄銅（Zn-Cu合金） 8 カドミウムとその化合物 • カドミウムの蒸気、カドミウム塩は有毒 • 硫化カドミウム CdS 光センサ、絵具 • Cd ニッケル-カドミウム電池水銀とその化合物 • 水銀Hg 水銀灯、歯科医療用アマルガム • 硫化水銀(II) HgS 朱、辰砂 • 塩化水銀(II) HgCl2 消毒薬昇コウ致死量 0.2～0.4 g • 塩化水銀(I) Hg2Cl2 甘コウ下剤スズとその化合物 • スズSn – ブリキ（鋼板にスズをメッキしたもの） – ブロンズ（銅にスズを混ぜた合金） – はんだ（スズと鉛の合金）スズ・鉛とその化合物 • 鉛 Pb 鉛蓄電池 • 酸化鉛(IV) PbO2 鉛蓄電池 • 四酸化三鉛 Pb3O4 さび止め塗料、鉛ガラスの成分 • 硫酸鉛 PbSO4 • パイプオルガン（スズと鉛の合金）遷移元素鉄とその化合物 • すべて金属、典型元素の陽性から陰性へと「うつり変わる」間にあると意味で命名されている • 硫酸鉄(II)七水和物FeSO4・7H2O 青色顔料、黒インク、医薬品の原料 • ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウムK3[Fe(CN)6] 有毒、感光剤材料、鉄(II)の検出試薬 • ヘキサシアノ鉄(II)酸カリウムK4[Fe(CN)6] 感光剤材料、青色顔料、鉄(III)の検出試薬 • 鉄の利用 • ステンレス鋼、磁気テープ、ビデオテープ、フロッピーディスク、インスタントカイロ、脱酸素剤 9 コバルトとその化合物 • 塩化コバルト(II) CoCl2 青色シリカゲル銅の単体 • 銅の利用工芸品、電線 • 合金 – 青銅（Cu-Sn)、黄銅(Cu-Zn)、白銅(Cu-Ni) 銅、銀、金 • いずれも美しい金属光沢をもち、密度が大きい。展性・延性に富み、熱・電気伝導性がよい。銅の化合物 • 酸化銅(II) CuO ガラス工業、窯業で緑色、青色顔料 • 硫化銅(II) CuS • 硫酸銅(II) 五水和物 CuSO4・5H2O 水分の検出 • 緑青（ロクショウ）神社の屋根 – CuCO3・Cu(OH)2 – CuSO4・3Cu(OH)2 銀とその化合物 • 銀 Ag 銀食器 • 硫化銀 Ag2S 銀製品の黒色化 • 硝酸銀 AgNO3 消毒薬、写真感光剤、銀鏡 • 臭化銀AgBr ブロマイド写真 2AgBr → 2Ag + Br2 • 酸化銀Ag2O 腕時計電池金 • 電子機器の金めっき • 金の装飾品 • ホワイトゴールド Au75% Ni18% Zn 5% Cu 2% 10 クロムとその化合物 • Cr クロムめっき製品、ステンレスの流しマンガンとその化合物 • マンガン Mn マンガン鋼（Fe-Mn合金）鉄道レール、ポイント • 過マンガン酸カリウム KMnO4 • 酸化マンガン(IV) MnO2 乾電池の正極 • 硫酸マンガン MnSO4 • 酸化クロム(III) Cr2O3 緑色顔料 • 二クロム酸カリウム • クロム酸鉛(II) 黄色顔料（クロムイエロー） • • • • • • • • その他遷移金属の利用レアメタル水素吸蔵合金 La-Ni, Ti-Fe, Mg-Ni アモルファス合金 Fe-B-Si, Fe-B-Si-C 防震合金 Fe-Cr-Al, Mn-Cu 超塑性合金 Zr-Al, Pb-Sn, Al-Zn, Al-Cu フェライト MO-Fe2O3 M=Ni, Cu, Zn, Mg, Cd チタン酸ジルコン鉛 PbTiO3-PbZrO3 酸化ジルコニウム(IV) ZrO2 形状記憶合金 • 希少金属、４７種類 • 金属のうち、次の３つの条件のどれか１つでも合致するもの周期表でみるレアメタル日常生活で目にするレアメタル – 地殻中での存在量が少ない – 産出箇所が特定の地域に集中している – 分離・精製が困難である • レアメタルの対義語：コモンメタル（汎用金属）コモンメタル：Fe, Cu, Ag, Au, Zn, Hg, Al, Sn, Pb • • • • • • • • Ti 眼鏡のツル Zr ジルコニウム模造ダイヤモンド Cr 水道の蛇口のメッキ W 白熱電灯の芯 Ni 白色の硬貨（50, 100, 500円） Pd 歯の治療 Pt 宝飾品他、MRI, 超伝導磁石、各種電子機器、電池、触媒など 11 携帯電話中のレアメタルレアメタル埋蔵量(%) 12 第５・６回物質科学 1. 下図は周期表の概略図である。次の各問に答えよ a , ○ b , ○ (1) ○ c, ○ f, ○ g に適する名称を記せ。 (2) 金属元素を記号で記せ。 (3) 非金属元素を記号で記せ。 (4) 典型元素を記号で記せ。 (5) 遷移元素を記号で記せ。解答 (1) a アルカリ金属 ○ b アルカリ土類金属 ○ ○ c 遷移元素 ○ f ハロゲン元素 ○ g 希ガス元素 (2) 金属元素を記号で記せ。a,b,c,d (3) 非金属元素を記号で記せ。e,f,g (4) 典型元素を記号で記せ。a,b,d,e,f,g (5) 遷移元素を記号で記せ。c 2. 次の物質の化学式を記せ物質名化学式物質名化学式ヘリウム He ネオン Ne アルゴン Ar クリプトン Kr キセノン Xe ラドン Rn 水素 H2 フッ化カルシウム CaF2 ヘキサフルオロアル Na3AlF6 塩化ナトリウム NaCl 二酸化ケイ素 SiO2 フッ化水素 HF ヘキサフルオロケイ H2SiF6 塩化水素 HCl NaF 次亜塩素酸ナトリウ NaClO ミン酸ナトリウム酸フッ化ナトリウムム一酸化二窒素 N2O 硝酸アンモニウム NH4NO3 塩化アンモニウム NH4Cl 硫酸アンモニウム (NH4)2SO4 硝酸カリウム KNO3 ハイドロキシアパタ Ca10(PO4)6(OH)2 イトリン酸カルシウム Ca3(PO4)2 リン酸 H3PO4 リン酸二水素カルシ Ca(H2PO4)2 リン酸ナトリウム Na3PO4 一酸化炭素 CO 二酸化炭素 CO2 炭酸 H2CO3 ケイ酸ナトリウム Na2SiO3 ウム（水ガラス）ケイ酸 H2SiO3 リチウム Li ナトリウム Na カリウム K ルビジウム Rb セシウム Cs 塩化ナトリウム NaCl 水酸化ナトリウム NaOH 炭酸水素ナトリウム NaHCO3 炭酸ナトリウム Na2CO3 硫酸ナトリウム Na2SO4 亜硫酸水素ナトリウ NaHSO3 ムベリリウム Be マグネシウム Mg カルシウム Ca ストロンチウム Sr バリウム Ba ラジウム Ra 塩化マグネシウム MgCl2 塩化水酸化マグネシ MgCl(OH) ウム水酸化バリウム Ba(OH)2 硫酸バリウム BaSO4 酸化カルシウム CaO さらし粉 CaCl(ClO)•H2O （塩化次亜塩素酸カルシウム一水和物） Ca(ClO)2 水酸化カルシウム Ca(OH)2 炭酸カルシウム CaCO3 塩化カルシウム CaCl2 硫酸カルシウム CaSO4 ケイ酸カルシウム CaSiO3 酸化アルミニウム（ア Al2O3 硫酸アルミニウム Al2(SO4)3 AlCl3 硫酸カリウムアルミ AlK(SO4)2•12H2O さらし粉（次亜塩素酸カルシウム）ルミナ）塩化アルミニウムニウム十二水和物（ミョウバン）酸化亜鉛 ZnO 塩化亜鉛 ZnCl2 硫化亜鉛 ZnS 硫化カドミウム CdS 水銀 Hg 硫化水銀(II) HgS 塩化水銀(II) HgCl2 塩化水銀(I) Hg2Cl2 スズ Sn 鉛 Pb 酸化鉛(IV) PbO2 四酸化三鉛 Pb3O4 硫酸鉛(II) PbSO4 硫酸鉄(II) FeSO4 ヘキサシアノ鉄 (III) K3Fe(CN)3 ヘキサシアノ鉄 (II) K4Fe(CN)6 酸カリウム酸カリウム塩化コバルト(II) CoCl2 酸化銅(II) CuO 硫化銅(II) CuS 硫酸銅(II) CuSO4 炭酸銅(II) CuCO3 水酸化銅(II) Cu(OH)2 銀 Ag 硫化銀 Ag2S 硝酸銀 AgNO3 臭化銀 AgBr 酸化銀 Ag2O 金 Au クロム Cr ニクロム酸カリウム K2CrO7 クロム酸鉛(II) PbCrO4 マンガン Mn 過マンガン酸カリウ KMnO4 酸化マンガン(IV) MnO2 硫酸マンガン MnSO4 チタン Ti ジルコニウム Zr タングステン W ニッケル Ni パラジウム Pd 白金 Pt ム 3. 金属のうち、次の 3 つの条件のどれか一つでも合致するものをレアメタルという。この 3 つの条件を記せ。 – 地殻中での存在量が少ない – 産出箇所が特定の地域に集中している – 分離・精製が困難である