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高校化学無機化学 2族元素とその化合物—溶解性の違いから沈殿と検出の条件を判断する｜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化学を掘り下げる無機化学

MgとCaの水との反応、炭酸塩と硫酸塩の沈殿量を比較し、沈殿の鍵は2族元素です。

よくあるのは、MgもCaも2族だから、水との反応も、それぞれの塩の水への溶けやすさも同じだと考える場面です。どちらも2価の陽イオンになりやすい点は共通しています。しかし、共通の電荷から、反応の進み方や沈殿の生じやすさまで同じとは決まりません。反応物の状態と条件を添え、生成物を個別に追うことが判断の出発点です。

何を手掛かりに判断するか

問題には主に3つの型があります。第1は、金属と水の反応です。MgとCaのどちらかを選ぶとき、常温の水か熱水か、水蒸気かを読みます。条件を書かずに「水と反応する」とまとめると、観察の差を説明できません。

第2は、イオンを含む水溶液に別のイオンを加え、沈殿の有無を予測する型です。炭酸塩と硫酸塩は同じ陰イオンではありません。2価の陽イオンという共通点に頼らず、組み合わせごとに水への溶けやすさを考えます。白い沈殿という記録は候補を狭めますが、色だけで物質を確定する証拠にはなりません。

第3は、沈殿の質量や残ったイオンの量を求める型です。イオン反応式の係数から必要量を比べ、先に不足する方を決めます。沈殿が難溶でも、厳密には溶液中の濃度が完全にゼロとは限りません。計算問題で無視するよう指定されたときと、実際の検出を考えるときを区別します。

電荷は共通、性質は組み合わせで変わる

Mg、Ca、Sr、Baは2族の金属です。原子が電子を2個失うと、それぞれMg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺になります。電気的に中性な塩を作るときは、陽イオンと陰イオンの電荷の和がゼロになるように組み合わせます。例えばCa²⁺とCl⁻は1対2でCaCl₂、Ba²⁺とSO₄²⁻は1対1でBaSO₄です。

図1のように、同じ2価でも相手を変えると溶解性の判断が変わります。炭酸塩MgCO₃、CaCO₃、SrCO₃、BaCO₃はいずれも水に溶けにくい塩です。一方、硫酸塩ではMgSO₄は水に溶け、CaSO₄は溶けにくく、SrSO₄とBaSO₄はさらに溶けにくいと整理します。CaSO₄を完全に不溶とするのは実際の溶解を見落とします。

沈殿が現れるかは塩の名前だけでなく、混合後の濃度にも依存します。溶けにくい塩でも非常に薄い条件では目に見える沈殿が生じない場合があります。高校の定性反応で沈殿と扱う条件と、実際の検出限界は区別してください。溶解には、結晶中のイオンを引き離すことと、水分子がイオンを取り囲むことの両方が関係します。電荷が同じでもイオンの大きさや相互作用は異なるため、溶けやすさが一律になるとは限りません。

水酸化物も比較します。Mg(OH)₂は水に溶けにくく、Ca(OH)₂は少し溶けます。SrやBaの水酸化物はさらに溶けやすい傾向です。Ca(OH)₂の水溶液が石灰水です。水に溶けた部分はCa²⁺とOH⁻を生じるので塩基性を示します。溶け残りの固体があることと、溶けた部分が電離していることは両立します。

Mgは常温の水とは反応しにくく、熱水とはゆっくり反応してMg(OH)₂とH₂を生じます。水蒸気とは反応してMgOとH₂を生じます。Caは常温の水と反応してCa(OH)₂とH₂を生じます。式の生成物が水の状態で変わる点に注意します。

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂
Mg + H₂O → MgO + H₂
Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂

2行目のH₂Oは水蒸気です。各式では金属原子が2個の電子を失い、水由来の水素がH₂になる関係が共通します。ただし電子の移動を同じように書けても、反応の速さや表面の状態まで同じにはなりません。反応性の比較は条件と観察を一緒に記録します。

Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺の炎色はそれぞれ橙赤色、紅色、黄緑色として整理します。混合物や器具の汚れは色の判定を難しくするので、炎色だけで混合物中の全成分を確定しません。学校の指導の下での観察記録として扱います。

基本例題：沈殿の係数を読む

自作の条件です。BaCl₂水溶液にBa²⁺が0.020 mol含まれます。Na₂SO₄水溶液を加えてSO₄²⁻を0.015 mol供給し、BaSO₄の溶解は無視します。生成するBaSO₄と残るBa²⁺の物質量をそれぞれ有効数字2桁で求めてください。他の沈殿は生じないものとします。

図2のように、反応式の係数は1対1です。Ba²⁺の電荷は2価の正、SO₄²⁻は2価の負なので、中性のBaSO₄は1組ずつからできます。両辺のBa、S、Oの数と電荷は一致します。

Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄
Ba²⁺の初めの量 = 0.020 mol
SO₄²⁻の初めの量 = 0.015 mol
反応するBa²⁺の量 = 0.015 mol
生成するBaSO₄の量 = 0.015 mol
残るBa²⁺の量 = 0.020 - 0.015 = 0.0050 mol

SO₄²⁻が先になくなります。Ba²⁺は初めの量の全部が沈殿するわけではありません。逆に生成物から確かめると、BaSO₄の0.015 molに含まれるBaと、溶液中に残った0.0050 molのBaを足せば0.020 molに戻ります。硫酸イオンも0.015 molが生成物に入ります。

別解は、反応できる最大量を両方から求めて小さい方を採用する方法です。Ba²⁺だけを見れば0.020 mol、SO₄²⁻だけを見れば0.015 molまで作れます。小さい方を採用するのは、両方の原料が同時に必要だからです。1対1でない式にも使えますが、それぞれ係数で割ってから比べます。

標準例題：質量から供給量を決める

自作の条件です。CaCl₂水溶液にCa²⁺が0.030 molあります。Na₂CO₃を2.12 g溶かして加え、CaCO₃の溶解は無視します。原子量はNa = 23.0、C = 12.0、O = 16.0、Ca = 40.0とし、CaCO₃の質量と残るCa²⁺の物質量を有効数字3桁で求めてください。反応は完全に進むものとします。

Na₂CO₃の式量 = 23.0・2 + 12.0 + 16.0・3 = 106.0
Na₂CO₃の物質量 = (2.12)/(106.0) = 0.0200 mol
Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃
CaCO₃の物質量 = 0.0200 mol
CaCO₃の式量 = 40.0 + 12.0 + 16.0・3 = 100.0
CaCO₃の質量 = 0.0200・100.0 = 2.00 g
残るCa²⁺ = 0.030 - 0.0200 = 0.0100 mol

与えたCa²⁺の量は有効数字2桁ですが、問題では与条件をそのまま用いて3桁で表しました。炭酸イオンが不足するため、Ca²⁺が余ります。生成したCaCO₃中のCaが0.0200 mol、残りが0.0100 molで、初めの0.030 molと一致します。炭酸イオンも0.0200 mol消費されます。

別解として、Ca²⁺を全部沈殿させるのに必要なNa₂CO₃は0.030 molと先に出します。実際は0.0200 molしかないため、加えた量から沈殿を求めます。先に不足を見分ければ、質量に直す前に反応量を絞れます。

発展例題：混合物の差を使う

自作の条件です。Ba²⁺とMg²⁺を合わせて0.0500 mol含む混合水溶液に、十分な量の硫酸イオンを加えます。BaSO₄は完全に沈殿し、MgSO₄は溶液に残り、他の沈殿は生じないものとします。乾燥後のBaSO₄が4.66 gでした。原子量をBa = 137、S = 32.0、O = 16.0とし、初めのBa²⁺とMg²⁺の物質量を有効数字3桁で求めてください。

BaSO₄の式量 = 137 + 32.0 + 16.0・4 = 233
BaSO₄の物質量 = (4.66)/(233) = 0.0200 mol
初めのBa²⁺ = 0.0200 mol
初めのMg²⁺ = 0.0500 - 0.0200 = 0.0300 mol

BaSO₄中のBaは式量1個分につき1個なので、沈殿量が初めのBa²⁺量を表します。Mg²⁺は硫酸塩として溶液に残るという条件が、差を使う根拠です。0.0200 molと0.0300 molの和は0.0500 molで、前者から生じるBaSO₄は0.0200・233 = 4.66 gです。両方が非負であることも元の場面に戻して確かめます。

別解はBa²⁺をx mol、Mg²⁺をy molとして、x + y = 0.0500、233x = 4.66を連立する方法です。混合物の成分が増えると未知数の整理に便利ですが、沈殿を作るのがBa²⁺という条件を式の前に明記しなければ、連立式自体を誤ります。現実には難溶なBaSO₄にもわずかな溶解があるため、この答えは問題に明示した近似の下での値です。

観察の設計と記録の読み取り

Ba²⁺を含む試料と、Ba²⁺を含まない比較試料を同じ条件で用意した記録を考えます。学校の指導の下で硫酸イオンを加えたとき、前者で白色沈殿ができ、後者で生じなければ、添加したイオンによる違いを検討できます。ただし、他にも難溶な硫酸塩を作るイオンが混在すれば白濁の原因になり得ます。試料の候補を限定し、必要に応じて別の確認を組み合わせます。

沈殿をろ過して乾燥し質量を測る場合、ろ紙を通り抜けた粒子や器具に残った沈殿は回収量を小さくします。逆に、洗浄不足で可溶性の塩が付着したり、乾燥が不十分で水が残ったりすると、測定した固体の質量は大きくなり得ます。両方が同時に起こると、誤差の向きは片方だけから断定できません。濁りが出なかったときも、対象イオンがない場合と濃度が低く観察できない場合を分けます。

横軸に加えたSO₄²⁻の物質量、縦軸に乾燥したBaSO₄の物質量をとる自作の理想的なグラフを考えます。初めのBa²⁺が一定で、溶解を無視できるなら、初めは傾き1で増加し、Ba²⁺が尽きた後は水平です。折れ曲がりの横座標は初めのBa²⁺量に対応します。実測で折れ曲がりが丸くなっても、直ちに反応係数の変化とはいえません。混合、測定のばらつきや溶解の影響を検討します。

誤答を原因から直す

「0.020 molのBa²⁺に0.015 molのSO₄²⁻を加えると、Ba²⁺は2価だからBaSO₄が0.030 molできる」という答えは誤りです。電荷の数字を反応係数と取り違えています。図3のように、正負の電荷が1組で打ち消されるので、反応比は1対1です。SO₄²⁻の供給量を超えてBaSO₄を作ると、硫黄原子の保存にも反します。

別の誤りは「白い沈殿が生じたからBaSO₄と確定する」です。白色の沈殿を作る組み合わせは他にもあり、色は候補を限定する情報です。試料と試薬の候補、液性、添加量を記してから、他の可能性を検討します。観察がない場合も、溶けやすいという性質と、薄すぎて見えない可能性を混同しないようにします。

「MgもCaも2族なので常温の水と同様に反応する」という答えも修正が必要です。2価のイオンになりやすいことは共通ですが、Mgは常温の水と反応しにくく、Caは反応します。反応式を暗記するときに水の状態を横に書くと、熱水と水蒸気の生成物を取り違えにくくなります。

練習問題

次の数値は自作の条件です。必要な場合、反応は完全に進み、難溶な沈殿の溶解は無視します。数値の答えは指定された桁に丸めてください。

常温の水に対するMgとCaの反応の違いを述べ、Caの反応式を書いてください。
Sr²⁺を0.040 mol含む水溶液にCO₃²⁻を0.025 mol加えます。SrCO₃の生成量と残るSr²⁺を有効数字2桁で求めてください。
Ba²⁺を0.0120 mol含む溶液に十分なSO₄²⁻を加えます。BaSO₄の質量を有効数字3桁で求めてください。原子量はBa = 137、S = 32.0、O = 16.0です。
Ca²⁺とMg²⁺の合計が0.0800 molの混合溶液から、条件を整えてCa²⁺のみをCaCO₃として完全に沈殿させたところ、3.00 g得ました。初めのMg²⁺の物質量を有効数字3桁で求めてください。原子量はCa = 40.0、C = 12.0、O = 16.0です。
BaSO₄の沈殿を質量測定する際、乾燥不足と回収損失がそれぞれ単独で起こると、求めたBa²⁺量にどの向きの誤差が生じますか。両方同時ならどう判断しますか。

解答と考え方

Mgは常温の水と反応しにくく、Caは反応して水酸化カルシウムと水素を生じます。Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂です。両辺でCaは1個、Oは2個、Hは4個です。水蒸気とMgの式をそのままCaの水との反応に使わないようにします。
Sr²⁺ + CO₃²⁻ → SrCO₃です。1対1で炭酸イオンが不足するので、生成量は0.025 molです。残るSr²⁺は0.040 − 0.025 = 0.015 molです。生成物中のSrと残量の和は0.040 mol、消費した炭酸イオンは供給量の0.025 molに戻ります。
BaSO₄の式量は137 + 32.0 + 16.0・4 = 233です。Ba²⁺とBaSO₄の比は1対1なので、質量は0.0120・233 = 2.80 gです。丸める前の2.796 gを233で割ると0.0120 molに戻ります。丸めた値での小さな差は丸めによるものです。
CaCO₃の式量は40.0 + 12.0 + 16.0・3 = 100.0です。沈殿の物質量は(3.00)/(100.0) = 0.0300 mol、初めのCa²⁺も0.0300 molです。Mg²⁺は0.0800 − 0.0300 = 0.0500 molです。両者の和は0.0800 molで、Caから計算した沈殿の質量は0.0300・100.0 = 3.00 gです。
乾燥不足では水の質量も沈殿に含めてしまい、Ba²⁺量を大きく見積もります。回収損失では沈殿が少なく測られ、小さく見積もります。同時に起きた場合は影響の大小がわからないため、全体の誤差の向きは決められません。測定値が近くても、誤差が互いに打ち消された可能性は残ります。