武蔵野個別指導塾の特徴

高校化学金属イオンの分離—定期テストで試薬を加える順序と液性から残るイオンを追う｜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

塩化銀の再溶解と銅イオンの確認を通し、ろ液を追う手順から学ぶ金属イオンの分離です。

範囲表で金属イオンの分離が試験範囲に入っているかを確認し、授業ノートの操作順と小テストの反応式を見比べてみてください。よくあるのは、沈殿を除く前の液を次の操作に使ったつもりで、すでに分けたイオンまでろ液に残してしまう場面です。矢印の先が沈殿なのか、ろ液なのかをたどると、混合物の変化を整理できます。学習指導要領の化学には無機物質が含まれますが、実際の範囲は学校の指示で確かめます。

問われ方を操作ごとに分ける

1つ目は、混合液に試薬を加えて生じる沈殿と、ろ液に残るイオンを答える型です。反応するイオンを選んだ後、ろ過で分けた先を指定します。試薬を加えた瞬間と、ろ過した後は別の状態です。沈殿を含む混合物全体をろ液と呼ばないようにします。

2つ目は、分離した沈殿に別の試薬を加えて溶かし、さらに元の沈殿を生じさせる型です。再溶解は金属元素が消える現象ではありません。固体から溶液中の別の形に移ったことを、式と操作の両方で示します。

3つ目は、実験記録から混合試料の候補を絞る型です。沈殿が生じた事実だけでなく、生じなかった事実も使います。ただし、試料の候補、十分な量の試薬、反応が完了する条件など、問題が与えた範囲で判断します。試薬の一覧を暗記するだけでは、どの部分に何が移ったかを答えにくくなります。

固体と液体の行き先を描く

沈殿は溶液中に生じる溶けにくい固体です。ろ過では固体がろ紙上に残り、ろ紙を通った液がろ液になります。ここでは沈殿の生成とろ過が十分に進み、指定されたイオンは定性的に完全に分離されるという問題の条件を使います。実際の溶解には平衡が関係するため、微量まで完全に消えるという一般則ではありません。

図1のように、試料から左右に枝を分け、片方を沈殿、もう片方をろ液と書きます。次の試薬が加わる枝を問題文で確かめ、その枝に含まれるものだけを次の行に移します。試薬そのものや対イオンも液中にありますが、分離対象の金属イオンと区別して記録します。

図1の分岐では、操作前には固体と液体が同じ容器内にあります。ろ過後は別々の部分として追うので、沈殿に含まれる金属をそのままろ液の候補に入れません。洗浄液や沈殿の取り扱いが指定される場合も、どちらに加えたかを読み直します。

例えば銀イオン Ag⁺ を含む水溶液に塩化物イオン Cl⁻ を加えると、白色の塩化銀 AgCl の沈殿が生じます。イオン反応式は Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl です。左辺の電荷の合計は0、右辺も0で、AgとClの原子数はそれぞれ1個です。塩化銀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。

AgCl + 2NH₃ → [Ag(NH₃)₂]⁺ + Cl⁻

この式でも原子数と電荷は両辺で一致します。溶けた液を十分に酸性にすると、アンモニアが水素イオンと結びつき、塩化銀の白色沈殿が再び生じます。沈殿を溶かす操作と、酸性にして再び沈殿させる操作は、試薬の量と液性が違います。

一方、銅(II)イオン Cu²⁺ を含む水溶液に水酸化物イオン OH⁻ を加えると、青白色の水酸化銅(II) Cu(OH)₂ が生じます。過剰のアンモニア水では深青色の錯イオンを含む溶液となります。アンモニア水の添加による変化を使うときは、少量か過剰かを明記します。以下の例題は、候補と操作を限定した自作の記録です。

操作の記録を読むときは、沈殿ができたという観察と、金属イオンを特定する推論を分けます。白色という色だけでは候補を広く取る必要がありますが、問題が候補を限定し、再溶解まで指定していれば、複数の手掛かりを合わせて判断できます。液性を変えた後に再び沈殿が出るかも、同じ枝の変化として記録します。

基本例題：銀と銅を別の枝へ

問題混合水溶液には Ag⁺ と Cu²⁺ がそれぞれ 0.010 mol 含まれ、ほかの金属イオンは含まれません。十分な量の塩酸を加えて生じた沈殿をろ過し、沈殿Aとろ液Bに分けました。Aに過剰のアンモニア水を加えると溶け、その液を十分に酸性にすると白色沈殿Cが生じました。Bには十分な量の水酸化ナトリウム水溶液を加え、沈殿Dを得ました。指定された各反応と分離は完全に進むものとします。A、B中の対象金属イオン、C、Dを化学式で答え、AとDの物質量をそれぞれ mol 単位の小数で求めてください。

解き方まず塩酸に含まれる Cl⁻ と Ag⁺ が反応します。反応式を1行書き、係数を見ます。

Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl

Ag⁺ 1 mol から AgCl 1 mol が生じます。塩酸は十分なので Ag⁺ が反応量を決め、Aは白色の AgCl です。その物質量は 0.010 mol × 1 = 0.010 mol です。この条件では Cu²⁺ は塩化物として沈殿せず、ろ液Bに移ります。Bには加えた試薬に由来するイオンもありますが、対象の金属イオンは Cu²⁺ です。

図2のように、AとBを別の枝にした後、Aにアンモニア水を加えます。生じた銀の錯イオンを含む液を十分に酸性にすると、Cとして白色の AgCl が再び生じます。アンモニアの一部が NH₄⁺ になるため、銀の錯イオンが分解されると考えます。Cは元のAとは別の操作後に得た沈殿ですが、化学式は同じです。

Bに含まれる Cu²⁺ については、次のイオン反応式を使います。

Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂

Cu²⁺ 1 mol に OH⁻ 2 mol が必要ですが、生成する Cu(OH)₂ は 1 mol です。水酸化ナトリウム水溶液は十分なので、Dは Cu(OH)₂、物質量は 0.010 mol × 1 = 0.010 mol です。OH⁻ の係数2を生成物の係数と取り違えないでください。

元の試料へ戻して検算します。Aの AgCl 0.010 mol には Ag が 0.010 mol、Dの Cu(OH)₂ 0.010 mol には Cu が 0.010 mol 含まれ、いずれも最初の量と一致します。どちらも負の量ではありません。2つの式は原子数と電荷の合計も両辺で一致します。図2の矢印は、Cの操作がAから、Dの操作がBから始まることを示しています。

もう一段階：不足する試薬を見分ける

問題 Ag⁺ 0.030 mol と Cu²⁺ 0.020 mol を含む水溶液に、Cl⁻ を 0.018 mol 含む塩化ナトリウム水溶液を加えました。この条件で Cl⁻ は AgCl の生成に完全に使われ、ほかの反応は起こらないものとします。沈殿をろ過したときの AgCl の物質量と、ろ液に残る Ag⁺、Cu²⁺ の物質量を mol 単位の小数で求めてください。その後、ろ液に十分な量の塩化ナトリウム水溶液を加えると、銀について何が観察されるかも答えてください。

Ag⁺ と Cl⁻ は 1 : 1 で反応します。最初の Ag⁺ は 0.030 mol ですが、Cl⁻ は 0.018 mol しかありません。したがって Cl⁻ が先になくなり、沈殿する AgCl は 0.018 mol です。銀イオンの残量を引き算で出します。

0.030 − 0.018 = 0.012 mol

ろ液には Ag⁺ が 0.012 mol、Cu²⁺ が 0.020 mol 残ります。Cl⁻ が不足したため、基本例題のように「ろ液には銀が残らない」とは言えません。その後に Cl⁻ を十分加えると、残った Ag⁺ から白色の AgCl がさらに生じます。

答えをもとの条件に戻すと、沈殿中の銀 0.018 mol とろ液中の銀 0.012 mol の合計は 0.030 mol です。使った Cl⁻ も AgCl と同じ 0.018 mol で、与えた量に一致します。Cu²⁺ は反応しないという条件なので 0.020 mol のままです。もし最初の Cl⁻ が Ag⁺ と同量以上なら、与えられた完全反応の条件では Ag⁺ が反応量を決めます。量が十分かどうかが、ろ液の中身を分ける境目です。

誤答から操作を戻す

基本例題で「ろ液Bに Ag⁺ と Cu²⁺ が残り、Bに水酸化物イオンを加える」と書いたとします。原因は、塩化銀を生じた後の混合物全体を、ろ過後の液と同じものとして扱ったことです。図3のように、まず AgCl を沈殿の枝へ移し、その後でろ液に残る Cu²⁺ を追うと修正できます。

図3で、ろ過前の容器には AgCl の固体と Cu²⁺ を含む液が共存します。しかし、ろ過後のろ液は固体を除いた部分です。反応が完全という条件であれば、銀は AgCl として沈殿側に移っています。途中の容器の状態を飛ばして、矢印を1本にまとめると、この違いを見落とします。

別の誤りは、アンモニア水に溶けたことを「銀がなくなった」と説明することです。銀は錯イオンの中に残っているので、酸性にしてアンモニアを除くと塩化銀を再び生じます。また、水酸化銅(II)の沈殿を生じた直後と、過剰のアンモニア水を加えた後を同じ色で記録するのも誤りです。試薬名に加え、少量か過剰か、どの枝に加えたかを書き添えると直せます。

自分で枝をたどる問題

次の各問では指定された反応と分離は完全に進むものとします。物質量は mol 単位の小数で答えてください。沈殿の色を問うものは色も書きます。

Ag⁺ 0.024 mol と Cu²⁺ 0.016 mol を含む水溶液に十分な塩酸を加えてろ過しました。沈殿の化学式と物質量、ろ液中の対象金属イオンとその物質量を答えてください。
Ag⁺ 0.040 mol を含む液に Cl⁻ 0.015 mol を加えて反応させ、ろ過しました。沈殿とろ液中の Ag⁺ の物質量をそれぞれ求めてください。
Cu²⁺ 0.012 mol を含む液に十分な水酸化ナトリウム水溶液を加えました。沈殿の化学式、色、物質量と、反応した OH⁻ の物質量を答えてください。
Ag⁺ と Cu²⁺ のうち少なくとも一方を含む試料に十分な塩酸を加えると白色沈殿が生じました。ろ過した液に十分な水酸化ナトリウム水溶液を加えると青白色沈殿が生じました。この候補の中で存在すると判断できる金属イオンを答え、各観察の根拠を述べてください。

解答と確かめ

沈殿は白色の AgCl 0.024 mol、ろ液の対象金属イオンは Cu²⁺ 0.016 mol です。Ag⁺ と Cl⁻ は 1 : 1 で反応し、塩酸は十分です。沈殿の銀は 0.024 mol、ろ液の銅は 0.016 mol で、最初の各量に戻ります。
AgCl は 0.015 mol、ろ液の Ag⁺ は 0.025 mol です。Cl⁻ が不足するので、沈殿量は 0.015 mol と決まります。0.040 − 0.015 = 0.025 mol であり、沈殿とろ液中の銀を足すと 0.040 mol です。Cl⁻ も沈殿中に 0.015 mol 入り、与えた量と一致します。
青白色の Cu(OH)₂ が 0.012 mol、反応した OH⁻ は 0.024 mol です。Cu²⁺ 1 mol に OH⁻ 2 mol が必要なので、0.012 × 2 = 0.024 mol とします。沈殿中の銅は 0.012 mol で、元の銅の量に戻ります。式の左辺の電荷は +2 と -2 の合計で0、右辺も0です。
Ag⁺ と Cu²⁺ の両方です。候補をこの2種に限れば、塩酸による白色沈殿は AgCl であり、銀の存在を示します。ろ液で生じた青白色沈殿は Cu(OH)₂ であり、銅の存在を示します。各沈殿に含まれる金属を対応する元の候補へ戻すと、観察と矛盾しません。試料の候補が増える場合は、同じ色を示す別の物質も検討する必要があります。