高校化学 窒素・リンと炭素・ケイ素—定期テストで化合物の性質と製法を反応の流れで結び付ける｜武蔵野個別指導塾

アンモニアに適した乾燥剤の理由を確かめ、硝酸の製造過程や炭酸塩の反応を条件と結び付けます。

学校の範囲表を開き、窒素からケイ素までの授業ノートと小テストを照合してみます。よくあるのは、発生した気体を乾燥させる問題で、乾燥剤の名前は覚えていても、その気体と反応しないかを確かめずに選んでしまう場面です。アンモニアには使えても、二酸化炭素には適さない物質があります。何を取り除き、何を残す操作なのかを先に決めると、選ぶ理由を説明しやすくなります。

学習指導要領の内容区分では、無機物質に関する学習として扱う範囲です。学校で取り上げた反応や条件を、ノートで確かめてから読み進めてください。

問われ方を3つに分ける

1つ目は、原料から生成物までの道筋です。アンモニアから硝酸を製造する流れでは、窒素を含む物質がどの順に変わるかを追います。反応物と生成物を覚えるだけでなく、酸化や水への吸収がどこにあるかを結び付けます。工業条件の数値は扱いません。

2つ目は、気体の性質と操作の選択です。アンモニアは水に非常によく溶け、塩基性を示します。二酸化炭素は水に溶けて酸性を示し、石灰水と反応します。水への溶けやすさ、乾燥剤との反応、空気に対する密度は別々の判断材料です。例えば水に溶けやすいことと乾燥剤と反応することを、同じ理由として書かないようにします。

3つ目は、反応式を使う量の問題です。炭酸塩と酸から二酸化炭素が生じるとき、係数を物質量の比として読みます。必要なら不足する反応物を先に決め、余る物質を負の量にしないことも確認します。リン酸やケイ酸塩では、反応の前後にどの元素が残るかを追うと、式の穴埋めにも対応できます。

性質を操作と結ぶ

図1のように、気体を乾燥させるときは、水を除く働きに加えて対象の気体を失わないことが必要です。アンモニア NH₃ は塩基性の気体なので、酸性の濃硫酸は乾燥剤に使えません。アンモニアと反応してアンモニウム塩を生じるからです。生石灰 CaO はアンモニアの乾燥に用いられます。一方、CaO は酸性酸化物である二酸化炭素 CO₂ と反応するため、その乾燥には適しません。

図1は「水を除く」だけで選ぶと失敗することを示しています。アンモニアは水に非常によく溶けるため、水上置換では集めにくい気体です。空気より密度が小さい性質を利用して上方置換で集めます。これは、発生した気体を空気より上に集めるという意味です。乾燥剤を選ぶ理由とは分けて説明します。

実験室でのアンモニアの製法は、塩化アンモニウムと水酸化カルシウムを加熱する反応で整理できます。

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O

左辺と右辺で N、H、Cl、Ca、O の原子数をそれぞれ確かめます。生成する水も式に残すと、水分を含む気体から乾燥したアンモニアを得る操作につながります。アンモニア水に塩酸を加えると NH₄Cl が生じます。刺激臭のある気体の性質と、酸と反応して塩をつくる性質を別の観察として押さえます。

硝酸の工業的な製造では、アンモニアを触媒のもとで酸素により酸化し、一酸化窒素 NO を得ます。NO はさらに酸素と反応して二酸化窒素 NO₂ になり、NO₂ を水に吸収させて硝酸を得ます。例えば次の式では、発生した NO を再び酸化して利用します。

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O 2NO + O₂ → 2NO₂ 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

NO は無色、NO₂ は赤褐色の気体です。NO₂ の吸収式では、窒素原子が左辺に3個、右辺にも硝酸中に2個と NO 中に1個あります。生成物を硝酸だけにすると窒素の数が合わないので、残る NO まで書きます。

リンの代表的な酸はリン酸 H₃PO₄ です。リン酸は3価の酸であり、中和の程度によって異なる塩をつくります。例えば水酸化ナトリウムが十分に反応する場合は H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O です。左辺の酸性の水素3個に対応する量の塩基を使うことを、係数で確認します。

炭素の酸化物には CO と CO₂ があります。一酸化炭素 CO は炭素の不完全燃焼などで生じ、還元作用を示します。二酸化炭素は炭素の完全燃焼や炭酸塩と酸の反応で生じ、石灰水を白く濁らせます。白い物質は炭酸カルシウム CaCO₃ で、Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O と表せます。さらに CO₂ を過剰に通すと、CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂ により沈殿が溶け、濁りが消えます。濁る段階と、その後に消える段階を区別します。

二酸化ケイ素 SiO₂ はケイ素の代表的な酸化物で、水に溶けにくい固体です。ケイ酸ナトリウムの水溶液に塩酸を加えると、弱い酸であるケイ酸が生じます。Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃ + 2NaCl と表し、生成したケイ酸は水に溶けにくく、ゲル状になります。乾燥したものはシリカゲルと呼ばれ、水分を吸着する性質を利用できます。ケイ酸塩では Na と Si の位置を入れ替えず、原子数を数えて式を確認します。

基本例題：発生するアンモニアを数える

塩化アンモニウム 0.30 mol と十分な量の水酸化カルシウムを加熱し、反応が完全に進んだとします。発生したアンモニアの物質量を小数で求め、乾燥剤として生石灰と濃硫酸のどちらが適切か、理由とともに答えてください。気体の損失はないものとします。

まず反応式を書きます。

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃ + CaCl₂ + 2H₂O

図2のように、塩化アンモニウムとアンモニアの係数はどちらも2です。したがって物質量の比は 2 : 2、つまり 1 : 1 です。水酸化カルシウムは十分にあるので、塩化アンモニウムの全量が反応します。

NH₃ の物質量 = 0.30 mol × 2 / 2 = 0.30 mol です。単位を残しながら係数の比を掛けると、質量や体積と取り違えずに済みます。逆に 0.30 mol の NH₃ を式の比で戻すと、使った NH₄Cl は 0.30 mol です。与えた量に一致し、窒素原子も両側で 0.30 mol ずつです。

乾燥剤は生石灰です。濃硫酸も水を取り除く性質を持ちますが、塩基性のアンモニアと反応するため、目的の気体を失います。生石灰を選ぶ解答では「乾燥できる」だけで終えず、「アンモニアと反応しない」と書き添えます。なお、反応式から求めた量は損失がないという条件での量です。途中で気体が溶けたり逃げたりする実際の装置に、そのまま得量として当てはめません。

余る物質があるときの分かれ目

炭酸カルシウム 0.20 mol に塩酸中の塩化水素 HCl 0.30 mol を加え、次の反応が進むとします。反応が止まったときの CO₂ と残った CaCO₃ をそれぞれ小数の mol で求めてください。ほかの反応や損失はないものとします。

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

CaCO₃ 0.20 mol を全部反応させるには、その2倍の HCl 0.40 mol が必要です。実際には 0.30 mol なので HCl が不足します。ここで CaCO₃ の全量を基準にすると、存在しない HCl まで使った答えになります。

HCl 0.30 mol に対応する CaCO₃ は 0.30 / 2 = 0.15 mol です。係数が同じ CO₂ は 0.15 mol 生じます。CaCO₃ の残りは 0.20 − 0.15 = 0.05 mol です。HCl が十分なら CaCO₃ を基準にするところですが、この条件では不足する HCl を基準にする点が分かれ目です。

答えを元の場面へ戻します。生成した CO₂ 0.15 mol に対応して消費された CaCO₃ は 0.15 mol、残りと合わせると 0.15 + 0.05 = 0.20 mol です。消費された HCl は 2 × 0.15 = 0.30 mol で、与えた量に一致します。Ca、C、Cl、H、O も反応式の両辺で保存され、残量は負になりません。

誤答から条件を取り戻す

「アンモニアの乾燥には濃硫酸を使う。濃硫酸は水を吸収するから」という答えは、乾燥剤の働きの半分しか見ていません。図3のように、気体自体との反応をもう一段確かめます。アンモニアは濃硫酸と反応するので、生石灰に修正します。逆に CO₂ を生石灰で乾燥しようとすると、CO₂ が CaO と反応するため適しません。気体と乾燥剤の組を具体的に書くことが修正の出発点です。

「CO₂ を石灰水に通すと、通した量に関係なく白濁が続く」も条件の抜けた答えです。初めは CaCO₃ が生じますが、過剰の CO₂ と水が加わると水に溶ける Ca(HCO₃)₂ が生じます。観察の順序と式を対応させれば、後半で濁りが消える理由を説明できます。

「硝酸の製造では NO₂ を水に溶かすと硝酸しかできない」という式も、窒素原子の数を数えると修正できます。水との反応で NO も生じ、その NO が酸素で再び NO₂ になる流れまで矢印でつなぎます。反応式の係数を整える前に、生成物の種類が条件に合うかを確かめます。

自分で確かめる問題

次の4問はすべて自作です。計算は小数の mol で答え、反応は指定した条件で完全に進むものとします。

1. 塩化アンモニウム 0.48 mol に十分な水酸化カルシウムを加えて加熱します。NH₃ の物質量と、それを水上置換で集めにくい理由を答えてください。
2. CaCO₃ 0.12 mol に HCl 0.40 mol を反応させます。CO₂ の物質量と、残る HCl の物質量を求めてください。
3. H₃PO₄ 0.08 mol を NaOH で完全に中和して Na₃PO₄ と水をつくります。必要な NaOH の物質量と、生じる水の物質量を求めてください。
4. ケイ酸ナトリウム水溶液に塩酸を加えたときの反応式を書き、生成するケイ酸の様子を答えてください。また、NO が酸素と反応したときに生じる気体の式と色を答えてください。

答えと道筋

1. NH₃ は 0.48 mol です。2NH₄Cl と 2NH₃ の係数比は 1 : 1 なので、0.48 × 2 / 2 = 0.48 mol です。この量の NH₃ に含まれる窒素は 0.48 mol で、もとの NH₄Cl の窒素に戻ります。アンモニアは水に非常によく溶けるため、水上置換では気体を集めにくいです。乾燥剤が水を除くかどうかとは別の理由です。

2. CaCO₃ 0.12 mol の反応に必要な HCl は 0.12 × 2 = 0.24 mol です。0.40 mol あるため CaCO₃ が不足し、CO₂ は 0.12 mol 生じます。HCl の残りは 0.40 − 0.24 = 0.16 mol です。CO₂ から消費した CaCO₃ は 0.12 mol と戻せます。消費した HCl 0.24 mol と残り 0.16 mol の和は 0.40 mol で、与えた量に一致します。

3. H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O より、NaOH は 0.08 × 3 = 0.24 mol、水も 0.24 mol です。Na₃PO₄ は 0.08 mol 生じるため、その Na 原子は 0.24 mol です。水 0.24 mol の H 原子 0.48 mol は、酸由来 0.24 mol と塩基由来 0.24 mol の和に一致します。リン原子は酸と塩にそれぞれ 0.08 mol あります。

4. Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃ + 2NaCl です。ケイ酸 H₂SiO₃ は水に溶けにくく、ゲル状に生じます。左右の Na は2個、Si は1個、O は3個、H と Cl は各2個です。NO については 2NO + O₂ → 2NO₂ で、NO₂ は赤褐色です。窒素と酸素の原子数は両辺でそれぞれ2個と4個です。

最後に残す4行

アンモニアの乾燥剤は、気体と反応しないかまで調べます。 硝酸への流れは NH₃、NO、NO₂ の順に追います。 石灰水の白濁は CO₂ が過剰になると消えます。 量の計算は不足する反応物を基準にし、残量から元に戻します。

つまずきの位置を見分ける

答えが合わないときは、まず反応式に生成物がそろっているかを見ます。式が正しくても、係数比を逆に掛ければ量はずれます。係数比を正しく書けても、不足する反応物の判定を飛ばせば、ありえない量を使うことになります。乾燥剤の問題なら、水を除く性質と気体との反応の両方が説明にあるかを見ます。

個別指導で確かめる際は、本人が書いた式の原子数、使った物質量、残量を順に指で追い、どの行から条件と合わなくなったかを言葉にします。石灰水の変化では、白濁とその消失を2本の式に対応させて説明できるかを確かめます。物質の名前と操作の条件を結び付けると、初めて見る組合せにも根拠を持って判断できます。