高校化学 無機化学 リンとリン酸塩—同素体と酸化物の関係を反応の流れで説明する｜武蔵野個別指導塾

黄リンと赤リンの性質、酸化物から塩への変化、中和の量的関係を追います。価数と強さを区別する鍵はリン酸です。

よくあるのは、リン酸の式に水素が3個あることから、3価の酸は必ず強酸だと判断する場面です。ところが、放出できる水素イオンの数と、その水素イオンを水中で放出する程度は別の話です。リン単体から酸化物、リン酸、リン酸塩へと進む道筋をたどり、それぞれの式の中でリン原子が何個あるかを数えてみましょう。物質の名前を並べるだけでなく、反応の前後で保存されるものに目を向けると、計算と性質の説明がつながります。

問題の手掛かりを拾う

出題には、まず黄リンと赤リンの性質を区別する型があります。どちらもリンという同じ元素の単体ですが、性質は同じではありません。同素体という語から、元素が同じで単体の構造が異なることを説明します。酸化物やリン酸を同素体に入れてしまわないように、相手が単体か化合物かを最初に見ます。

次に、リンを十分な酸素中で燃焼させ、できた酸化物を水と反応させる型があります。反応式をつなぎ、リン原子を保存しながら、原料と生成物の量を結びます。酸素や水の量が限られるときは、それぞれが要求する量を比べ、先に使い切られる物質を決めます。

さらに、リン酸を塩基で中和し、どのリン酸塩ができるかを問う型があります。中和に必要な水酸化物イオンの量は、どの段階まで反応させるかで変わります。リン酸が3価である事実から、電離の強弱まで決めることはできません。この区別は、式の係数を立てるときにも、溶液中の電離を考えるときにも役立ちます。

単体から酸、塩へつなぐ

黄リンと赤リンは、同じリン元素からなる単体の同素体です。黄リンは白リンとも呼ばれ、P₄という分子からなります。空気中で酸化されやすく、有毒で、空気に触れないよう水中に保存されます。赤リンは黄リンより反応しにくく、構造も異なります。同素体は同じ元素の単体どうしを指すので、酸素を含む五酸化二リンは黄リンの同素体ではありません。

赤リンを加熱すると酸素と反応します。黄リンも酸素と反応しますが、反応の起こりやすさと保存の扱いは区別が必要です。性質の違いを「元素が違うから」と説明すると、同素体という言葉の意味に反します。原子のつながりや配列の違いが、単体の性質の違いに関係すると捉えます。

酸素が十分にある条件でリンを燃焼させると、五酸化二リンができます。高校の反応式では組成式 P₂O₅ を使い、リンを原子の単位で P と表して次のように書けます。

4P + 5O₂ → 2P₂O₅
P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄

左の式のリンは4個、酸素は10個で、右側もそれぞれ4個、10個です。次の式もリン2個、酸素8個、水素6個が両辺で一致します。P₂O₅ は組成式で、分子を P₄O₁₀ と表す場合もあります。その場合は P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀、P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄ です。どちらの書き方でもリン原子の保存は変わりません。

図1のように、酸素との反応で酸化物を経て、水との反応でリン酸ができます。さらにリン酸が水酸化ナトリウムと中和すると、加える量に応じて異なる塩を考えられます。矢印は物質の変化を示し、同じ物質の名前の言い換えを示すものではありません。

リン酸 H₃PO₄ は、水中で段階的に水素イオンを放出する3価の酸です。価数の3は、1分子が酸として放出しうる水素イオンの数を示します。酸の強弱は水中での電離の程度を表す別の性質で、リン酸は弱酸です。価数が大きいほど強酸になるという関係はありません。各段階の電離は可逆的であり、H₃PO₄ の3個の水素が常に全部電離しているわけではありません。

H₃PO₄ ⇄ H⁺ + H₂PO₄⁻
H₂PO₄⁻ ⇄ H⁺ + HPO₄²⁻
HPO₄²⁻ ⇄ H⁺ + PO₄³⁻

各行では原子数だけでなく電荷も保存されています。例えば2行目の左辺の電荷は -1、右辺は +1 と -2 の和で -1 です。酸として水素イオンを放出する段階があることと、現実の水溶液で各種がどれだけ存在するかは区別します。存在比は液性などに依存するので、価数だけで溶液中の濃度を決めることはできません。

リン酸の水素をナトリウムで1個、2個、3個置き換えた塩はそれぞれ NaH₂PO₄、Na₂HPO₄、Na₃PO₄ です。前の2つは酸として放出しうる水素を残した酸性塩、最後は正塩です。酸性塩という分類名から、その水溶液が必ず酸性だと決めることはできません。塩の名前は置換の状態を示し、水溶液の液性はイオンと水との反応を含めて考えます。

基本例題：リンから酸を何 mol 得るか

自作の条件です。リン原子として 6.2 g のリンを十分な酸素中で完全に燃焼させ、生成した五酸化二リンを十分な水と反応させます。リンの原子量を P = 31 とし、生成するリン酸の物質量を有効数字2桁で求めます。途中で損失はないものとします。

まず、質量をリン原子の物質量に直します。五酸化二リン 1 mol にはリン原子が 2 mol 含まれ、リン酸 1 mol にはリン原子が 1 mol 含まれます。反応式の係数を図2のようにつなぐと、リン原子の物質量と生成するリン酸の物質量が等しくなることが見えます。

リン原子の物質量 = (6.2 g)/(31 g/mol)
リン原子の物質量 = 0.20 mol
P₂O₅ の物質量 = 0.20 mol・(2)/(4)
P₂O₅ の物質量 = 0.10 mol
H₃PO₄ の物質量 = 0.10 mol・(2)/(1)
H₃PO₄ の物質量 = 0.20 mol

答えは 0.20 mol です。係数の比を使うとき、反応式の P はリン原子の物質量を数えています。黄リンの分子の物質量として数える場合には P₄ の式を使い、原子の物質量と混同しません。P₄ の物質量は 0.20 mol を4で割った 0.050 mol です。

別解はリン原子の収支です。リン酸1分子にリン原子1個が入るので、途中に損失も副生成物への分配もない条件では、リン原子 0.20 mol からリン酸 0.20 mol が得られます。反応式を順に使う方法は各段階の量が見え、原子収支は途中の量を求めずに最終量を出せます。答えを元に戻すと、リン酸 0.20 mol に含まれるリンは 0.20 mol、質量は 0.20 mol・31 g/mol = 6.2 g で、出発量に一致します。

この別解には条件があります。五酸化二リンが未反応のまま残る場合や別のリン化合物が生じる場合には、リンの総量は保存されても、その全量がリン酸に入るとは限りません。保存則と、どこに保存されるかという条件を一緒に書くと、計算の飛躍を防げます。

標準例題：酸素が足りるかを先に比べる

自作の条件です。リン原子として 0.40 mol のリンと 0.30 mol の酸素を用い、4P + 5O₂ → 2P₂O₅ の反応だけが完全に進むものとします。残った物質の量と五酸化二リンの生成量を、いずれも mol 単位で有効数字2桁で求めます。

まずリンを全部使うために必要な酸素を求めます。必要量と実際に与えた量を同じ物質の量で比べれば、どちらが不足するかを決められます。

必要な O₂ = 0.40 mol・(5)/(4)
必要な O₂ = 0.50 mol
与えた O₂ = 0.30 mol

酸素が不足しているため、酸素を基準に反応量を求めます。リンの初めの量をそのまま生成物の式に入れてはいけません。

消費した P = 0.30 mol・(4)/(5)
消費した P = 0.24 mol
残った P = 0.40 mol - 0.24 mol
残った P = 0.16 mol
生成した P₂O₅ = 0.30 mol・(2)/(5)
生成した P₂O₅ = 0.12 mol

答えはリン 0.16 mol、五酸化二リン 0.12 mol です。条件の下で酸素の残量は 0 mol です。生成物に含まれるリンは 0.12 mol・2 = 0.24 mol、これに残った 0.16 mol を足すと初めの 0.40 mol に戻ります。酸素原子も生成物中の 0.12 mol・5 = 0.60 mol が、初めの酸素分子 0.30 mol に含まれる 0.60 mol と一致します。

別の見方では、各反応物の初めの物質量を反応式の係数で割ります。リンについては (0.40)/(4) = 0.10、酸素については (0.30)/(5) = 0.060 です。小さい値が反応の進行量を制限し、生成量はその値に生成物の係数2を掛けて 0.12 mol です。必要量を比べる方法は不足の意味を説明しやすく、係数で割る方法は多数の反応物を同じ基準で比べられます。

発展例題：途中の塩を混合物として読む

自作の条件です。リン酸 0.20 mol を含む溶液に水酸化ナトリウム 0.30 mol を加え、反応後のリンを含む物質は NaH₂PO₄ と Na₂HPO₄ のみで、これらが混合しているものとします。各塩の物質量を mol 単位、有効数字2桁で求めます。溶液中の細かな電離や体積変化は計算上考えません。

ここでの条件は、生成した塩の種類を指定しています。現実の水溶液で分子式どおりの粒子が独立して存在すると断定するものではなく、リンとナトリウムの収支を用いるモデルです。塩の種類を指定せず、加えた塩基の量だけで細かな存在比を断定することはできません。

NaH₂PO₄ を x mol、Na₂HPO₄ を y mol とします。1 mol の各塩はいずれもリンを 1 mol 含み、ナトリウムは順に 1 mol、2 mol 含みます。

x + y = 0.20
x + 2y = 0.30
y = 0.10
x = 0.10

答えは NaH₂PO₄ が 0.10 mol、Na₂HPO₄ が 0.10 mol です。リンの量を戻すと 0.10 + 0.10 = 0.20 mol、ナトリウムの量を戻すと 0.10 + 2・0.10 = 0.30 mol となり、与えられた量と一致します。どちらの量も負になりません。

別解では、初めにリン酸の全量を NaH₂PO₄ にするのに必要な水酸化ナトリウムが 0.20 mol と考えます。残る 0.10 mol が同量の NaH₂PO₄ を Na₂HPO₄ に変えるので、後者は 0.10 mol、前者も 0.10 mol です。収支の連立は何を保存するかが明快で、段階的な方法は余った塩基の役割を見せます。いずれも指定された2種類の塩だけを考える条件に依存します。

記録を比べる実験の設計と誤差

実験は学校の指導の下で行い、リンや酸化物を個人で扱いません。黄リンは特に危険なので、観察は教員が安全に管理した資料や記録を使います。赤リンと黄リンの写真や性質の記録を比べるときは、試料名、観察した条件、記録時点をそろえます。色の違いは区別の手掛かりですが、色だけで未知試料を確定することはできません。

酸化物と水の反応については、教師が管理する試料の記録を用い、同じ量の水を用いた対照の記録と比べます。酸化物を加えない水の指示薬の色を記録し、酸化物を加えた系の変化と比較すれば、もとの水や指示薬の影響を考えられます。ただし、指示薬の色だけで酸の価数やリン酸だけの存在を証明することはできません。別の酸性物質が混入した可能性も残ります。

計算上の例として、リン酸を完全に Na₃PO₄ へ変えるための理論的な NaOH の量を縦軸、リン酸の量を横軸に取れば、両方 mol 単位で傾き3の直線になります。原点を通るのは、リン酸 1 mol 当たり NaOH 3 mol が必要というモデルのためです。軸を入れ替えると傾きは (1)/(3) になり、単位と軸の確認が欠かせません。これは実測値ではなく、反応式から描く理論上の関係です。

リンを含む生成物の一部が回収前に失われ、残った分だけからリン酸量を見積もれば、理論値より小さくなります。反対に、回収した固体に水や別の物質が混じり、全質量を目的物とみなせば、見積もりは大きくなりえます。反応が途中で止まった場合も、回収損失と同じく生成量が小さく見えますが、結果だけでは原因を区別できません。残った原料を別に確認する設計が必要です。

間違いの原因をほどく

「リン酸は3価だから強酸」という答えには、異なる2つの尺度が混ざっています。図3のように、価数の問いでは放出しうる水素イオンの数へ、強弱の問いでは水中での電離の程度へ進みます。リン酸は3価の弱酸です。3つの段階を書けることと、それぞれが完全に進むことは同じではありません。

「P₂O₅ 1 mol から H₃PO₄ 1 mol ができる」という誤答もあります。式を読まずに物質名の数を1対1にしたのが原因です。P₂O₅ にはリンが2個、H₃PO₄ には1個あるため、水が十分なら生成量は2倍です。反応式と原子収支の両方で確認すると、係数の読み違いに気づけます。

また「NaH₂PO₄ は酸性塩だから水溶液の液性も必ず酸性」という推論は、分類名と液性の意味を取り違えています。酸性塩は酸として放出しうる水素を残した塩という分類です。実際の液性を問われたら、溶液中のイオンと水の反応や問題の条件を調べます。単体と化合物、反応式の係数と分子内の原子数、塩の分類と溶液の液性を、それぞれ別の欄に置くと混同を防げます。

練習：条件を変えて5問

以下は自作問題です。計算では反応は指定されたとおり完全に進み、損失はないものとします。原子量が必要な場合は P = 31、O = 16、H = 1、Na = 23 とします。量の答えは指定の単位で有効数字2桁にします。

1. 黄リンと赤リンが同素体である理由を、元素と単体の2語を用いて説明してください。五酸化二リンをこの2つの同素体に含めない理由も答えてください。
2. 五酸化二リン 0.075 mol を十分な水と反応させます。生じるリン酸の物質量を mol で求めてください。
3. リン原子として 0.12 mol のリンと酸素 0.20 mol が 4P + 5O₂ → 2P₂O₅ の反応をします。五酸化二リンの生成量と酸素の残量を、それぞれ mol で求めてください。
4. リン酸 0.080 mol を Na₃PO₄ まで完全に中和します。必要な NaOH の物質量を mol で求め、反応式を書いてください。
5. リン酸 0.10 mol に NaOH 0.14 mol を加え、リンを含む生成物は NaH₂PO₄ と Na₂HPO₄ のみとします。それぞれの物質量を mol で求めてください。細かな電離は計算上考えません。

練習の答えと確かめ

1. 黄リンと赤リンは同じリン元素からなる性質の異なる単体なので同素体です。五酸化二リンはリンと酸素からなる化合物なので、単体どうしの関係には入りません。単体でも、酸素分子のように別の元素からなるものはリンの同素体にはなりません。

2. 反応式 P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄ の係数を使います。

H₃PO₄ = 0.075 mol・(2)/(1)
H₃PO₄ = 0.15 mol

答えは 0.15 mol です。生成したリン酸にリン原子が 0.15 mol 含まれ、出発物に含まれる 0.075 mol・2 = 0.15 mol に戻ります。水が十分という条件があるため、酸化物の全量が反応できます。

3. リンを全部使うのに必要な酸素は 0.12 mol・(5)/(4) = 0.15 mol です。与えられた酸素はこれより多く、リンが先に使い切られます。

P₂O₅ = 0.12 mol・(2)/(4)
P₂O₅ = 0.060 mol
残った O₂ = 0.20 mol - 0.15 mol
残った O₂ = 0.050 mol

答えは五酸化二リン 0.060 mol、酸素 0.050 mol です。生成物中のリンは 0.060 mol・2 = 0.12 mol で出発量に戻ります。消費した酸素 0.15 mol と残量 0.050 mol の和も初めの 0.20 mol です。

4. 完全に3個の水素を置換する反応式は H₃PO₄ + 3NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O です。両辺の P、Na、H、O の原子数は順に 1、3、6、7 で一致します。

NaOH = 0.080 mol・(3)/(1)
NaOH = 0.24 mol

答えは 0.24 mol です。これを3で割ると中和されるリン酸は 0.080 mol となり、与条件に戻ります。3価という性質は必要量の比を決めますが、強酸であることを意味しません。

5. NaH₂PO₄ を a mol、Na₂HPO₄ を b mol として、リンとナトリウムの収支を立てます。

a + b = 0.10
a + 2b = 0.14
b = 0.040
a = 0.060

答えは NaH₂PO₄ が 0.060 mol、Na₂HPO₄ が 0.040 mol です。リンの量は 0.060 + 0.040 = 0.10 mol、ナトリウムの量は 0.060 + 2・0.040 = 0.14 mol となります。両方の量が非負で、指定された混合物として条件を満たしています。

最後に残す視点

• 黄リンと赤リンは同じ元素の単体で、性質の異なる同素体です。
• 十分な酸素と水の下で、リンから酸化物を経てリン酸ができます。
• リン酸は3価の弱酸で、価数と電離の程度は別の尺度です。
• リン酸塩の種類と反応の係数から、原子と物質量を追います。
• 限られた反応物と、生成物の指定条件を先に確かめます。

個別に考え方を確かめるときは、まず「3価」と書いた隣に、その3が数えるものを言葉で書いてみます。次に、反応式の各物質についてリン原子の数を丸で囲み、計算した量を元の条件に戻します。塩の分類から液性を決めていないかも確認すると、どの段階で判断が飛んだかを見つけられます。リンの行方を最後まで追えば、同素体の性質とリン酸塩の計算が一本につながります。