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高校化学遷移金属元素—定期テストで鉄と銅と銀の反応を色とイオン式で整理する｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴高校の定期テスト化学単元別

鉄の沈殿の色を酸化数と結び、銅と銀の錯イオンやクロムとマンガンの変化までたどり、反応を整理する遷移金属元素です。

範囲表と授業ノート、小テストを見比べ、鉄のイオンの欄に書いた色を確かめてみましょう。よくあるのは、鉄の酸化数の違いを見落とし、水酸化物の沈殿を同じ色で答える場面です。どのイオンに何を加え、いつの色を観察したかを一緒に記すと、似た反応を区別できます。化学の学習範囲には無機物質が含まれますが、実際にどこまで学んだかは学校の範囲表で確かめます。

要点（結論から）

Fe²⁺の水酸化物は生成直後に緑白色、Fe³⁺の水酸化物は赤褐色です。
銅と銀の沈殿が過剰のアンモニア水に溶けると、錯イオンが生じます。
クロムとマンガンは液性と酸化数をそろえて色の変化を読みます。

色の前に条件を読む

出方の1つは、金属イオンの水溶液に水酸化物イオンを加え、沈殿の式と色を答える型です。Fe²⁺とFe³⁺は同じ鉄を含みますが、電荷も必要なOH⁻の数も異なります。式が決まれば、どちらの沈殿の色を問われているかも整理できます。

次は、加えた試薬の量や種類を変えたときの変化を追う型です。Cu²⁺にアンモニア水を加える場合、少量で生じた沈殿と過剰にした後の溶液は別の状態です。最初と最後の色を並べるだけでなく、途中で何が生じたかを記録します。

もう1つは、酸化数の変化から反応式や物質量を求める型です。酸性条件の過マンガン酸イオンとFe²⁺の反応なら、電子を受け取る側と渡す側の数をそろえます。色や式が合っていても酸性という条件を落とすと、別の条件の反応と取り違えるため、問題の余白に条件を先に書きます。

イオンの電荷と観察を結ぶ

遷移金属の化合物には、金属の酸化数によって異なる色を示すものがあります。鉄のFe²⁺の酸化数は+2、Fe³⁺は+3です。水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えると、それぞれ水酸化鉄(II) Fe(OH)₂の緑白色沈殿、水酸化鉄(III) Fe(OH)₃の赤褐色沈殿が生じます。Fe(OH)₂は空気中で酸化され、しだいに赤褐色に変わるので、生成直後の色と時間がたった後の色を分けます。

図1のように、鉄イオンの電荷に応じてOH⁻の数をそろえると、式と色が対になります。OH⁻は1個あたり電荷が-1なので、電荷+2のFe²⁺には2個、電荷+3のFe³⁺には3個必要です。沈殿全体の電荷が0になることも確かめましょう。

図1の2つの矢印は、同じ条件で別々の鉄イオンにOH⁻を加えた場合を表します。Fe²⁺がOH⁻を受け取っただけでFe³⁺になるという意味ではありません。鉄の酸化数が変わるには、別途酸化や還元が必要です。

Cu²⁺は水溶液中で青色を示し、OH⁻で青白色のCu(OH)₂を生じます。アンモニア水を少量加えた場合も、水中で生じるOH⁻によって沈殿ができます。アンモニア水を過剰にすると、沈殿は溶けて深青色のテトラアンミン銅(II)イオン [Cu(NH₃)₄]²⁺を含む溶液になります。銅の酸化数はこの変化では+2のままです。錯イオンは、中心の金属イオンに分子やイオンが結び付いたイオンです。

Ag⁺に塩化物イオンを加えると白色のAgClが沈殿します。この沈殿は過剰のアンモニア水に溶け、ジアンミン銀(I)イオン [Ag(NH₃)₂]⁺を生じます。沈殿が見えなくなることと、銀が消えることは違います。銀は溶液中の錯イオンに移ります。Agの酸化数はどちらも+1です。

クロムでは、酸性条件の二クロム酸イオン Cr₂O₇²⁻は橙色、クロム酸イオン CrO₄²⁻は黄色です。塩基性にすると後者が増え、酸性にすると前者が増えます。両方のCrの酸化数は+6で、この色の変化自体を酸化還元と決めてはいけません。一方、酸性条件でCr₂O₇²⁻が還元されるとCr³⁺になり、酸化数は+6から+3に下がります。

マンガンでは、酸性条件の過マンガン酸イオン MnO₄⁻は赤紫色で、還元されるとほぼ無色のMn²⁺になります。Mnの酸化数は+7から+2へ変わります。塩基性や中性では生成物が異なる場合があるため、この変化を条件なしに暗記しないようにします。混合試料からイオンを分ける操作は、沈殿とろ液を区別することが必要です。ここでは個々の代表的な反応に絞ります。

基本例題：鉄の沈殿を式から決める

問題：別々の容器に、Fe²⁺を0.020 mol含む水溶液とFe³⁺を0.030 mol含む水溶液があります。それぞれに水酸化ナトリウム水溶液を過不足なく加え、鉄イオンがすべて沈殿したとします。生成直後の沈殿の式と色、各容器で消費したOH⁻の物質量をmolで答え、数値は小数第3位まで示してください。空気による酸化は考えません。

まずFe²⁺の容器です。鉄の電荷+2を打ち消すにはOH⁻が2個必要です。イオン反応式は次のようになります。

Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂

左辺の電荷は+2と-2の和で0、右辺も0です。Feは左右各1個、OとHはそれぞれ左右各2個なので、元素数も合います。Fe²⁺ 1 molあたりOH⁻ 2 molを消費しますから、0.020 × 2 = 0.040 molです。生成物はFe(OH)₂で、生成直後は緑白色です。

次にFe³⁺の容器を考えます。電荷+3を打ち消すため、OH⁻を3個置きます。

Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃

左辺の電荷は+3と-3の和で0です。Feは左右各1個、OとHはそれぞれ左右各3個です。Fe³⁺ 1 molにOH⁻ 3 molが対応するため、0.030 × 3 = 0.090 molを消費します。生成物は赤褐色のFe(OH)₃です。

図2のように、各係数を使って鉄イオンの量からOH⁻の量へ進みます。逆に0.040 molを2で割ると0.020 mol、0.090 molを3で割ると0.030 molとなり、問題の鉄イオン量に戻ります。どちらも負の量はなく、過不足なく加えたという条件に合います。沈殿の色を先に決められなくても、イオン式から物質名を決め、その物質の色を答えれば順番を保てます。

少し難しい例題：酸化還元と物質量

問題：酸性の水溶液中でFe²⁺ 0.0100 molにMnO₄⁻を含む溶液を加えたところ、Fe²⁺がちょうどすべてFe³⁺になり、MnO₄⁻はMn²⁺になりました。他の酸化還元反応は起きず、反応に必要なH⁺は十分にあります。消費したMnO₄⁻の物質量をmolで有効数字3桁で求め、反応のイオン式と色の変化を答えてください。

Fe²⁺はFe³⁺になるとき、1個につき電子を1個失います。MnO₄⁻のMnは+7から+2になるので、Mn 1個につき電子を5個受け取ります。したがって、電子数をそろえるにはFe²⁺が5個に対してMnO₄⁻が1個です。酸性条件ではH⁺と水を使ってHとOもそろえます。

MnO₄⁻ + 5Fe²⁺ + 8H⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O

Mnは左右各1個、Feは各5個、Oは各4個、Hは各8個です。左辺の電荷は-1 + 10 + 8 = +17、右辺は+2 + 15 = +17です。Fe²⁺ 5 molに対しMnO₄⁻ 1 molなので、0.0100 ÷ 5 = 0.00200 molです。逆算すると0.00200 × 5 = 0.0100 molのFe²⁺を消費し、与えられた量に戻ります。必要なH⁺は0.0160 molで、十分にあるという条件に反しません。MnO₄⁻の赤紫色は消え、生成したMn²⁺はほぼ無色です。ただし溶液全体の見かけの色は共存するFe³⁺などにも左右されます。

分かれ目は、酸性という条件と、どちらが不足するかです。上の問題はちょうど反応する設定でした。MnO₄⁻が不足する別の問題では、加えたMnO₄⁻の5倍までしかFe²⁺を酸化できず、Fe²⁺が残ります。反対にFe²⁺が不足すればMnO₄⁻が残り、赤紫色が残り得ます。まず係数比で必要量を比べ、残量が負になる計算は採用しません。

誤答を手掛かりに直す

「Fe²⁺にOH⁻を加えると赤褐色のFe(OH)₃がすぐに生じる」という答えは、鉄を一種類として扱った誤りです。Fe²⁺とFe³⁺の電荷を見比べ、生成直後はFe(OH)₂、緑白色と直します。放置後に空気酸化で色が変わることは別の段階として追記します。

図3のように、出発物質の電荷を確認してからOH⁻の数と生成物を決めます。色を覚え直す前に、Fe(OH)₃の鉄の酸化数が+3であることを確かめると、なぜFe²⁺から直ちに作れないか説明できます。

「アンモニア水を過剰にした銅の溶液は、銅がなくなるので無色」という答えも修正が必要です。沈殿が溶けても銅は錯イオンとして残り、溶液は深青色です。少量の段階と過剰の段階を矢印で分け、各段階の銅の存在形を書くと原因が見えます。クロム酸イオンと二クロム酸イオンの色の違いを、すぐ酸化数の変化に結び付けるのも誤りです。両方のCrが+6であることを計算し、液性の違いを記します。

練習：条件を読み分ける

次の4問は、観察記録または与えられた量から答えます。溶液を混ぜる操作は授業で得た記録として考え、色は指定された段階で答えてください。

Fe³⁺を0.012 mol含む水溶液にOH⁻を過不足なく加えました。生成直後の沈殿の式と色、消費したOH⁻の物質量をmolで小数第3位まで答えてください。
Cu²⁺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。各段階の観察と、最後の銅を含む錯イオンの式を答えてください。
Ag⁺を0.015 mol含む水溶液に十分なCl⁻を加え、完全に沈殿させました。生じた沈殿の式と色、物質量をmolで小数第3位まで答えてください。さらに過剰のアンモニア水を加えたときの銀の存在形を答えてください。
酸性条件でMnO₄⁻ 0.0030 molとFe²⁺ 0.020 molを反応させます。H⁺は十分にあり、他の反応は起きません。反応後に残るFe²⁺の物質量をmolで小数第3位まで答え、どちらの反応物が不足するかを示してください。

答えと道筋

Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃です。赤褐色のFe(OH)₃が生じ、OH⁻は0.012 × 3 = 0.036 mol消費します。0.036 ÷ 3 = 0.012 molと戻せるので、鉄の初めの量に合います。左右の電荷は0、Feが各1個、OとHが各3個です。
少量では青白色のCu(OH)₂が沈殿し、過剰では沈殿が溶けて深青色の溶液になります。錯イオンは[Cu(NH₃)₄]²⁺です。最初と最後の銅の酸化数は+2なので、沈殿の溶解を銅の酸化還元として扱いません。
Ag⁺ + Cl⁻ → AgClより、白色のAgClが0.015 mol生じます。左右のAgとClは各1個、電荷は0です。沈殿の銀を数えると0.015 molとなり、初めのAg⁺の量と一致します。過剰のアンモニア水で沈殿は溶け、銀は[Ag(NH₃)₂]⁺として存在します。
MnO₄⁻ 1 molはFe²⁺ 5 molと反応するので、0.0030 × 5 = 0.015 molのFe²⁺が反応します。初めに0.020 molあるため、MnO₄⁻が不足し、Fe²⁺は0.020 − 0.015 = 0.005 mol残ります。残量と反応量を足すと0.005 + 0.015 = 0.020 molで元の量に戻ります。H⁺は0.0030 × 8 = 0.024 mol必要ですが、十分にあるという条件です。反応物の残量は負になりません。