高校化学 典型金属元素—定期テストで沈殿の生成と再溶解から両性の性質を説明する｜武蔵野個別指導塾

アルミニウムと亜鉛の沈殿を少量・過剰の条件で追い、炭酸ナトリウムの製法まで典型金属元素を整理します。

よくあるのは、水酸化物が生じた後も同じ試薬を加え続けたとき、少量を加えた段階と過剰に加えた段階を区別せずに答える場面です。まず学校の範囲表、授業ノート、小テストを照合し、扱った金属と試薬を確認しましょう。学習範囲の確認では、化学の内容に無機物質が含まれます。ここではアルカリ金属、2族、アルミニウムと亜鉛、および炭酸ナトリウムの製法を扱います。

観察から問われる3つの型

1つ目は、金属イオンを含む水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加え、沈殿の色と過剰時の変化を答える型です。試薬名に加えて、加える前のイオン、少量を加えた後の固体、過剰にした後の溶液を順に書きます。アルミニウムと亜鉛の白色沈殿は、いずれも過剰の水酸化ナトリウム水溶液に溶けます。

2つ目は、同じ白色沈殿でもアンモニア水を過剰に加えたときの違いを問う型です。水酸化アルミニウムは溶けませんが、水酸化亜鉛は錯イオンをつくって溶けます。試薬を取り違えると、同じ「過剰」でも生成物を正しく選べません。

3つ目は、反応式と物質量を結ぶ型です。沈殿が増える区間と減る区間では、水酸化物イオンの使われ方が異なります。炭酸ナトリウムの製法も、原料から沈殿、加熱後の生成物へと物質の移動を追うと整理できます。観察は授業で得られた記録として読み、危険な操作を自分で再現する必要はありません。

金属の性質と沈殿の行き先

アルカリ金属のナトリウムやカリウムは反応性が高く、水と反応して水酸化物と水素を生じます。例えばナトリウムについては、2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂です。元素の数は左右ともNaが2、Oが2、Hが4です。水酸化ナトリウムは水溶液を塩基性にします。ナトリウムの炎色は黄色、カリウムは赤紫色です。

2族ではマグネシウムやカルシウムを扱います。マグネシウムは冷水とは反応しにくい一方、熱水とは反応して水酸化マグネシウムと水素を生じます。カルシウムは水と反応して水酸化カルシウムと水素を生じ、炎色は橙赤色です。硫酸バリウムは白色で水に溶けにくく、Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄で表せます。左辺の電荷の和は0で、右辺も電荷を持たない固体です。

図1のように、アルミニウムイオンに水酸化物イオンを少量加えると白色の水酸化アルミニウムが生じます。さらに過剰に加えると、沈殿は溶けてテトラヒドロキシドアルミン酸イオンになります。酸にも強塩基にも反応する性質を両性といいます。亜鉛の水酸化物も両性です。

図1の矢印は同じ試薬を段階的に加えた変化です。少量では Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃、過剰では Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻ と表します。最初の式はAlが1、OとHがそれぞれ3で、電荷の和も両辺0です。次の式ではAlが1、OとHがそれぞれ4、電荷は両辺とも-1です。沈殿が消えてもアルミニウムが消えたわけではなく、溶液中のイオンに形を変えています。

亜鉛では Zn²⁺ + 2OH⁻ → Zn(OH)₂、さらに Zn(OH)₂ + 2OH⁻ → [Zn(OH)₄]²⁻ です。後者で必要なOH⁻は沈殿1 molにつき2 molであり、アルミニウムの場合とは異なります。酸を加えると、例えば Al(OH)₃ + 3H⁺ → Al³⁺ + 3H₂O のように溶けます。酸にも塩基にも溶けるという言葉を、別々の反応式と結び付けて覚えます。

アンモニア水も水中でOH⁻を生じるので、少量では両方に白色沈殿が生じます。ただし過剰のアンモニア水では、水酸化亜鉛がテトラアンミン亜鉛(II)イオンをつくって溶け、水酸化アルミニウムは溶けません。Zn(OH)₂ + 4NH₃ → [Zn(NH₃)₄]²⁺ + 2OH⁻ と表せます。亜鉛、窒素、水素、酸素の数と電荷は両辺で一致します。過剰の水酸化ナトリウム水溶液と過剰のアンモニア水は、結果が似ていても生成するイオンが異なります。

基本例題：アルミニウムの沈殿を2段階で数える

水溶液にAl³⁺が0.020 mol含まれています。ここへOH⁻を合計0.070 mol加え、反応は上の2式のとおりに進むとします。他にOH⁻を消費する物質はなく、沈殿生成後に再溶解が進むものとします。最終的なAl(OH)₃の物質量を、単位molを付けて小数で求めてください。

図2のように、まず全Al³⁺を沈殿にするための量を求めます。Al³⁺ 1 molにはOH⁻が3 mol必要ですから、0.020 × 3 = 0.060 molです。加えた0.070 molはこれより多いので、最初の段階を終えた後に0.070 − 0.060 = 0.010 molのOH⁻が残ります。

残ったOH⁻は図2の右側の再溶解に使われます。Al(OH)₃ 1 molを溶かすのにOH⁻は1 mol必要なので、溶ける沈殿は0.010 molです。したがって残る沈殿は0.020 − 0.010 = 0.010 molです。答えは0.010 molです。

元の場面に戻して確かめます。沈殿0.010 molと溶けたアルミニウム0.010 molの和は、初めのAl³⁺ 0.020 molです。沈殿生成に0.060 mol、再溶解に0.010 molのOH⁻を使い、合計は与えられた0.070 molに戻ります。もしOH⁻が0.060 molに満たなければ、再溶解へ進まず、加えたOH⁻の3分の1を沈殿量とします。境界で何を使い切るかが計算の分かれ目です。

もう一段考える：亜鉛で境界をまたぐ

Zn²⁺を0.030 mol含む水溶液に、OH⁻を合計0.080 mol加えます。他にOH⁻を消費する物質はなく、Zn(OH)₂の生成後に再溶解が進むとします。残るZn(OH)₂の物質量を小数でmol単位で求めてください。

まず全量を沈殿にするには0.030 × 2 = 0.060 molのOH⁻が必要です。0.080 molはこれを超えるため、余った0.020 molが再溶解に使われます。亜鉛の沈殿1 molを溶かすにはOH⁻が2 mol必要なので、溶ける量は0.020 ÷ 2 = 0.010 molです。残る沈殿は0.030 − 0.010 = 0.020 molとなります。

確認すると、残る0.020 molと溶けた0.010 molの和は、初めの亜鉛0.030 molです。OH⁻は生成に0.060 mol、再溶解に0.020 mol使い、合計0.080 molです。加えたOH⁻が0.060 mol以下なら生成の式だけを使います。一方、全沈殿を溶かすには追加で0.060 mol、合わせて0.120 mol必要です。その量以上なら沈殿は0 molで、それを超えるOH⁻は溶液中に余ります。計算結果を負の沈殿量にしてはいけません。

炭酸ナトリウムまで物質を追う

炭酸ナトリウムのアンモニアソーダ法では、濃い塩化ナトリウム水溶液にアンモニアと二酸化炭素を通します。生じる炭酸水素ナトリウムはこの条件で析出し、分離して加熱すると炭酸ナトリウムになります。主な変化は NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃ + NH₄Cl、続いて 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O です。後者は加熱を条件とします。

前者の左右ではNa、Cl、N、Cが各1、Hが5、Oが3です。後者ではNaが2、Hが2、Cが2、Oが6で一致します。加熱の式は炭酸水素ナトリウム2 molから炭酸ナトリウム1 molが得られる関係を示します。析出した固体をそのまま目的物とするのではなく、加熱前後で名称と係数が変わる点を押さえます。

誤答を条件に戻して直す

誤答の例は「Al³⁺に水酸化ナトリウム水溶液を過剰に加えると、白色沈殿が残る」です。原因は、少量で生じた沈殿の観察をそのまま最終状態に移していることです。図3のように、少量の欄に白色沈殿、過剰の欄に再溶解と書き分けます。過剰は最初から沈殿が生じないことを意味せず、加え続けた後の状態を示します。

図3で試薬をアンモニア水に替えると、アルミニウムの沈殿は過剰でも残ります。試薬の種類を読まずに「過剰なら溶ける」と直すのも誤りです。さらに、亜鉛の再溶解でOH⁻の係数2を落とすと、溶ける量を2倍に数えてしまいます。式の係数を先に書き、使用量を生成と再溶解に分けると修正できます。

計算で途中が合わないときは、最初に沈殿をつくるためのOH⁻が足りたかを調べます。足りなければ再溶解の式を使ったことが原因です。全量を溶かす量を超えたのに負の答えが出たときは、固体がなくなった時点で計算を止めます。どちらも条件へ戻すことで、式の適用範囲を直せます。

練習：観察と量を別々に確かめる

問題1　Zn²⁺を含む水溶液にアンモニア水を少量加え、さらに過剰に加えました。それぞれの段階の沈殿の色と変化、および最後の亜鉛を含むイオンの名称を答えてください。

問題2　Al³⁺を0.040 mol含む水溶液にOH⁻を合計0.090 mol加えます。他にOH⁻を消費する物質はありません。Al(OH)₃の物質量を小数でmol単位で求めてください。

問題3　Zn²⁺を0.050 mol含む水溶液にOH⁻を合計0.160 mol加えます。他にOH⁻を消費する物質はなく、沈殿生成後に再溶解が進みます。残るZn(OH)₂の物質量を小数でmol単位で求めてください。

問題4　炭酸水素ナトリウムを0.300 mol加熱し、すべて上記の反応式どおりに分解しました。炭酸ナトリウムと二酸化炭素の物質量をそれぞれ小数でmol単位で求めてください。

答えと考え方

問題1　少量では白色の水酸化亜鉛が生じ、過剰では溶けます。最後の亜鉛を含むイオンはテトラアンミン亜鉛(II)イオンです。沈殿が溶けたことと、亜鉛が溶液中に残ることを区別します。水酸化ナトリウムを過剰にした場合の錯イオンとは名前も組成も異なります。

問題2　全量の沈殿には0.040 × 3 = 0.120 molのOH⁻が必要です。与えられた0.090 molはそれより少ないため、再溶解は考えません。0.090 ÷ 3 = 0.030 molが答えです。戻して調べると、沈殿0.030 molに必要なOH⁻は0.090 mol、残るAl³⁺は0.010 molで、合わせたアルミニウムは0.040 molです。

問題3　全量の沈殿に必要なOH⁻は0.050 × 2 = 0.100 molです。余りは0.160 − 0.100 = 0.060 molで、これが溶かす沈殿は0.060 ÷ 2 = 0.030 molです。残る量は0.050 − 0.030 = 0.020 molです。残った0.020 molと溶けた0.030 molは初めの0.050 molに戻り、OH⁻も0.100 + 0.060 = 0.160 molです。

問題4　式の係数比は炭酸水素ナトリウム2に対して、炭酸ナトリウム1、二酸化炭素1です。よってそれぞれ0.300 ÷ 2 = 0.150 molです。生成物には水も0.150 mol生じます。炭酸ナトリウムのNaは0.300 mol、生成した炭酸ナトリウムと二酸化炭素のCの合計も0.300 molで、元の物質に含まれる量に戻ります。HとOも水を含めて数えると、それぞれ0.300 molと0.900 molで一致します。

覚えておくこと

少量で沈殿、過剰で再溶解という順を追います。
水酸化ナトリウムとアンモニア水を区別します。
AlとZnでは再溶解に使うOH⁻の係数が違います。
炭酸水素ナトリウムの加熱後に炭酸ナトリウムが得られます。

どこで止まったかを見分ける

観察の答えが違ったら、まず試薬名と少量・過剰の印を答案に付けたかを見ます。白色沈殿までは書けるのに最後が違う場合は、沈殿を出発物質とする次の式を自分で書き直します。個別指導で確かめるときも、名称の暗記だけでなく、どの段階の状態を答えたかを本人の言葉で説明してもらいます。

計算で止まった場合は、全量を沈殿にする境界のOH⁻量と、そこから余る量を指で示せるかを確認します。答えが出た後は、固体と溶液中の金属を足して元の量に戻し、OH⁻の使用量も元の添加量と照合します。試薬、段階、係数がそろうと、典型金属元素の観察は筋道を持って読めます。