高校化学 無機化学 ケイ素とケイ酸塩—酸化物の結合と反応からガラスとの関係を捉える｜武蔵野個別指導塾

SiO₂の結合、ケイ酸の生成と原料の物質収支をたどり、ガラスへ続くケイ素を探る。

よくあるのは、化学式SiO₂を見た高校生が、CO₂と同じように独立した3原子の分子が集まっていると考える場面です。元素の個数の比は式から読めますが、原子のつながり方までは式だけで決まりません。石英やガラスをイメージしながら、結合の広がりと反応式の係数を別々に読みましょう。

式から問われる3つの視点

第一に、SiO₂とCO₂の化学式が似ていても、通常の二酸化ケイ素は共有結合が広がった結晶であり、二酸化炭素は独立した分子からなると説明できるかが問われます。SiO₂の2は酸素原子の数がケイ素原子の2倍という組成比です。1個のSiに2個のOが結びついた分子の個数を示す記号ではありません。

第二に、二酸化ケイ素からケイ酸塩、さらにケイ酸へと変える条件を区別します。塩基性の物質と高温で反応させる場面と、ケイ酸ナトリウムの水溶液に酸を加える場面は別の操作です。生成物を覚えるだけでなく、反応前後のSiの数を追うと式を確かめられます。

第三に、ガラスの原料に含まれるSiO₂を物質量へ直し、係数比で計算します。実際のガラスは組成に幅があるため、問題で与えた単純な反応式と収率を使います。以下の数値は計算用に作った条件であり、実際の製造条件を表しません。

結合の網目とケイ酸への道筋

石英などの二酸化ケイ素では、Siの周りに4個のOが配置され、各Oが隣り合うSiをつなぎます。1個のSiに接するOは4個ですが、それぞれを隣のSiと共有して数えるため、SiあたりのOは4・(1)/(2)で2個です。これが組成式SiO₂につながります。実際の構造は立体的で、図1は共有の関係を示す模式図です。

図1のようにOを橋として結合が広がるので、独立したSiO₂分子を並べて結晶を説明することはできません。一方、CO₂ではOとCが結合した分子が独立しています。いずれも共有結合を含みますが、物質全体に網目が続くか、分子ごとに区切れるかが違います。式の見た目を理由に状態や融けやすさまで同一視しないことが出発点です。

二酸化ケイ素は酸性酸化物として、強塩基や塩基性酸化物と反応してケイ酸塩を作ります。例えば水酸化ナトリウムとの反応を次のように表します。ただし、固体のSiO₂が常温の水に速やかに溶けるという意味ではありません。反応には強い条件が必要です。

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O

左辺と右辺のSiは各1個、Naは各2個、Oは各4個、Hは各2個です。Na₂SiO₃をケイ酸ナトリウムと呼び、その水溶液は水ガラスと呼ばれます。水に溶けた状態を、石英中の共有結合の網目がそのまま分子として浮いている状態と考えないようにします。

ケイ酸ナトリウム水溶液に塩酸を加えると、弱酸のケイ酸が生じます。高校では、代表的な組成をH₂SiO₃として次の式で表します。

Na₂SiO₃ + 2HCl → H₂SiO₃ + 2NaCl

酸を加えるとケイ酸はコロイドとなり、条件によってゲル状になります。H₂SiO₃は水和や縮合の状態がさまざまなケイ酸を簡略化した表現です。現実の溶液中に一定の形のH₂SiO₃分子だけが存在するとまでは、この式から言えません。酸の強弱を、酸素の数や酸の価数だけで決めるのも誤りです。

ケイ酸のゲルを乾燥するとシリカゲルが得られます。水分を吸着する性質と、吸着した水が化学式の中の水として固定されることは別です。ケイ酸塩から酸を加えてできたものを、最初から完全に乾燥したSiO₂として質量計算する場合には、乾燥の条件と得られる物質を問題文で確定する必要があります。

ガラスの代表例では、ケイ砂を主原料とし、炭酸ナトリウムや炭酸カルシウムなどを加えて融かし、冷やして固めます。酸化物の比で組成を表すことはありますが、ガラス全体が一定の化学式を持つ単一の分子からなるという意味ではありません。結晶のような長距離にわたる規則正しい配列を持たない固体です。原料の割合や温度などは製品と工程で異なるため、ここでは数値を決めません。

基本例題：原料から生成物へ

【問題】純粋なSiO₂ 6.0 gを十分なNaOHと反応させ、式のとおりNa₂SiO₃を得ます。反応は完全とし、原子量をSi = 28、O = 16、Na = 23、H = 1とします。生成するNa₂SiO₃の質量を有効数字2桁で求めてください。これは計算用の条件です。

まずSiO₂とNa₂SiO₃の式量を求めます。SiO₂の式量は28 + 16・2 = 60、Na₂SiO₃の式量は23・2 + 28 + 16・3 = 122です。式量をg/molとして使い、SiO₂を物質量に直します。

n(SiO₂) = (6.0 g)/(60 g/mol)
n(SiO₂) = 0.10 mol

図2のように、反応式の係数からSiO₂とNa₂SiO₃の物質量の比は1対1です。これはSiが両者に1個ずつ含まれることとも一致します。NaOHは十分にあるので、SiO₂の全量を基準にできます。

n(Na₂SiO₃) = 0.10 mol
m(Na₂SiO₃) = 0.10 mol・122 g/mol
m(Na₂SiO₃) = 12 g

答えは12 gです。質量が原料の6.0 gより大きいのは、NaとOがNaOHから加わるためであり、質量保存に反しません。逆に生成物12.2 gを丸める前の値としてSiの量を戻すと0.10 mol、SiO₂では6.0 gです。丸めた答えを厳密な途中値として逆算すると端数の差が生じるので、検算は丸め前に行います。

別解として式量の比を使えば、生成質量は6.0 g・(122)/(60) = 12.2 gです。こちらは係数が1対1とわかった後には短く書けます。しかし係数比が異なる式に式量の比だけを適用すると誤ります。物質量を経由する方法は、反応物が不足する場合にも適用しやすい解法です。

標準例題：足りない原料を見つける

【問題】SiO₂ 12 gとNaOH 12 gを、次の式の反応が進む条件で反応させます。副反応はなく、片方がなくなるまで反応するとします。SiO₂とNaOHの残量およびNa₂SiO₃の生成量を、それぞれmolで有効数字2桁にしてください。原子量はSi = 28、O = 16、Na = 23、H = 1です。

SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O
n(SiO₂) = (12 g)/(60 g/mol) = 0.20 mol
n(NaOH) = (12 g)/(40 g/mol) = 0.30 mol

SiO₂の0.20 molを全部反応させるにはNaOHが0.40 mol必要です。実際には0.30 molなので、NaOHが限界反応物です。反応するSiO₂の量を係数の2対1から求めます。

反応したSiO₂ = 0.30 mol・(1)/(2) = 0.15 mol
残ったSiO₂ = 0.20 mol - 0.15 mol = 0.050 mol
残ったNaOH = 0 mol
生じたNa₂SiO₃ = 0.15 mol

別の見方では、反応の進行量をx molとし、SiO₂の消費をx、NaOHの消費を2xと置きます。xは0.20を超えず、2xは0.30を超えません。したがってxは0.15 molまで進みます。得た値を元に戻すと、SiO₂は0.15 + 0.050 = 0.20 mol、NaOHは2・0.15 = 0.30 molで、いずれも元の量に一致します。残量が負にならないことも確認します。

発展例題：2段階の収率を追う

【問題】SiO₂ 30 gから、過剰のNaOHによってNa₂SiO₃を作ります。この段階の収率を80%とし、得たNa₂SiO₃に十分な塩酸を加えます。2段階目ではNa₂SiO₃のうち75%が、計算上H₂SiO₃として表される生成物になります。H₂SiO₃の物質量を有効数字2桁で求めてください。原子量はSi = 28、O = 16です。収率はそれぞれ、その段階に入った物質から式の係数比で求めた理論量に対する割合です。

n(SiO₂) = (30 g)/(60 g/mol) = 0.50 mol
Na₂SiO₃の理論量 = 0.50 mol
得られたNa₂SiO₃ = 0.50 mol・0.80 = 0.40 mol
H₂SiO₃の理論量 = 0.40 mol
得られたH₂SiO₃ = 0.40 mol・0.75 = 0.30 mol

答えは0.30 molです。各段階の式でSiを含む物質の係数が1対1なので、別解では0.50 mol・0.80・0.75と続けて求められます。収率を足して155%とする方法では、元のSiの量を超える結果になり、物質収支に合いません。

逆向きに確かめると、0.30 molを0.75で割れば2段階目に入った0.40 molに戻り、さらに0.80で割ると0.50 molです。これはSiO₂ 30 gに対応します。各段階の未達分はそれぞれ0.10 molで、生成物に含まれるSiと合わせて元の0.50 molを超えません。未達分の化学形は条件からは決められません。ケイ酸の実物の質量を求めるには水和状態が必要ですが、この問題は式で表した物質量に限っています。

観察を設計し、記録を読む

ケイ酸ナトリウム水溶液に酸を加える観察は、学校の指導の下で行います。比較するなら、同じ水溶液を同量ずつ用意し、一方に酸を加え、もう一方には同量の水を加える対照を設けます。液量の変化による見かけの違いと、酸を加えたことによる変化を区別するためです。酸の種類や量、濃度、混ぜた後の時間も記録します。これは観察の設計であり、薬品を家庭で扱うための手順ではありません。

透明だった液が濁ったりゲル状になったりすることは、粒子の状態が変化した手がかりです。ただし外観だけで生成物の正確な組成や、溶け残ったSiの量までは決められません。濁りが生じない場合も、酸が不足した、液が薄い、観察までの時間が短いなど複数の可能性があります。反応しなかったと直ちに断定せず、対照と条件を見直します。

計算上、一定量のケイ酸ナトリウムに対して反応した塩酸の量を横軸、生成したH₂SiO₃の量を縦軸とするなら、式に従う範囲では傾きは(1)/(2)です。塩酸が2倍の物質量に達した後は、ケイ酸塩が不足するため理論上の生成量は増えません。これは完全反応を仮定した模式的な関係で、濁りの強さをそのまま物質量とみなす実測グラフではありません。軸の量と単位を先に読んでください。

乾燥した生成物を秤量する測定では、回収の途中で固体を失えば、得られた質量は小さくなります。逆に水分や塩が残れば大きく見えます。どちらも反応の収率そのものとは区別が必要です。前者と後者が同時に起こる場合、差し引きの向きはそれぞれの程度がわからなければ決められません。

誤答を直す：式の2をどこに使うか

誤答は「SiO₂はSi1個とO2個の分子なので、図中のSiの周りにはOが2個ある」です。原因は、組成比と近くの結合相手の数を同じものとして読んだことです。図3のように、Siの周りには4個のOがあり、各Oを2個のSiで共有して数えます。4個の半分が2個なので、組成比はSi対Oが1対2になります。

別の誤答は「SiO₂ 1 molとNaOH 1 molからNa₂SiO₃ 1 molができる」です。式のNaOHの係数2を見落としています。両方が1 molならNaOHが不足し、反応するSiO₂は0.50 molです。残りのSiO₂も0.50 molとなります。式を眺めるだけでなく、消費量を初めの量に戻して確かめると不足を発見できます。

さらに「ガラスはNa₂SiO₃という純物質です」という答えも、原料や組成の表し方を取り違えています。ケイ酸塩を含むガラスにはさまざまな組成があります。酸化物の比を示す表記は、成分を計算する手がかりであり、独立した分子を指定するものではありません。

練習：条件を変えて考える

次の問題の数値は計算用の与条件です。質量は有効数字2桁、物質量は有効数字2桁で答え、最後に丸めてください。原子量はSi = 28、O = 16、Na = 23、H = 1、Cl = 35.5とします。必要な反応は本文の式に従い、指定がなければ完全に進みます。

1. SiO₂ 9.0 gを十分なNaOHと反応させます。生成するNa₂SiO₃の質量は何gですか。
2. SiO₂ 0.12 molとNaOH 0.10 molを反応させます。限界反応物と、反応後に残るSiO₂の物質量を求めてください。
3. Na₂SiO₃ 0.20 molに十分な塩酸を加えます。反応に必要なHClの物質量を求めてください。
4. SiO₂ 0.25 molからNa₂SiO₃を作ると、0.15 mol得られました。理論量に対する収率を百分率で有効数字2桁で求めてください。
5. Na₂SiO₃ 0.18 molにHCl 0.20 molを加え、本文の式に従って反応させます。生成するH₂SiO₃と残るNa₂SiO₃の物質量を求めてください。

解答と確かめ

1. SiO₂は(9.0 g)/(60 g/mol) = 0.15 molです。係数比が1対1なのでNa₂SiO₃も0.15 mol、質量は0.15 mol・122 g/mol = 18.3 g、答えは18 gです。丸め前の18.3 gを122 g/molで割れば0.15 mol、SiO₂の9.0 gに戻ります。

2. SiO₂ 0.12 molを全部使うにはNaOHが0.24 mol必要ですが、0.10 molしかありません。限界反応物はNaOHです。反応するSiO₂は0.10・(1)/(2) = 0.050 mol、残量は0.12 − 0.050 = 0.070 molです。消費と残量を足すと0.12 molに戻り、NaOHの消費は0.10 molです。

3. 係数比はNa₂SiO₃対HClが1対2なので、必要量は0.20・2 = 0.40 molです。逆にHCl 0.40 molはNa₂SiO₃ 0.20 molに対応します。酸が十分という条件は、必要な量が存在することを意味します。

4. 理論量はSiO₂と同じ0.25 molです。収率は(0.15)/(0.25)・100 = 60%です。理論量に0.60を掛けると0.15 molに戻り、収率は0%以上100%以下にあります。残りのSiの具体的な化学形は、この条件では決まりません。

5. HCl 0.20 molが反応できるNa₂SiO₃は0.20・(1)/(2) = 0.10 molです。H₂SiO₃は0.10 mol、Na₂SiO₃の残量は0.18 − 0.10 = 0.080 molです。生成分と残量を足すと0.18 molに戻り、塩酸の消費量は0.10・2 = 0.20 molです。残量はいずれも負ではありません。

結びに残す見取り図

• SiO₂の式はSiとOの組成比を示し、石英では結合が網目状に続きます。
• Siの周りのOは4個で、共有を数えるとSiあたり2個です。
• ケイ酸塩に酸を加える反応は、係数とSiの収支を合わせて読みます。
• ガラスの組成は一律でなく、酸化物の比は独立した分子の式ではありません。

隣接する原子の数を組成式から直接読んでしまう場合は、Oの共有を絵にして数えるところから確かめます。計算が合わない場合は、式の係数、限界反応物、残量の順に確認すると、どこで量の対応が崩れたかを見つけやすくなります。原子のつながりと個数の保存を分けて考えると、ケイ素の化学式が構造と反応の両方を語り始めます。