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典型金属元素

20分 Part 3 / Ch6 / Lesson 2
前提レッスン: 3-6-1

到達目標

  • アルカリ金属とアルカリ土類金属の性質を比較できる
  • アルミニウムの両性と製錬法を知る
  • 代表的な金属イオンの沈殿反応を理解する

アルカリ金属 (1族)

Li, Na, K, Rb, Cs — 下に行くほど:

  • 反応性が増す（イオン化エネルギーが小さくなる）
  • 密度は増加（Li, Na, K は水に浮く）
  • すべて 1価の陽イオン M⁺ になる

共通の反応:

  • 水と激しく反応: 2Na+2H2O→2NaOH+H2\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2}
  • 空気中で酸化 → 石油中に保存

炎色反応:

元素LiNaKCuCaSrBa
色赤黄紫青緑橙赤紅黄緑

アルカリ土類金属 (2族)

Ca, Sr, Ba — 2価の陽イオン M²⁺。

化合物化学式用途・性質
生石灰CaO乾燥剤、発熱剤
消石灰Ca(OH)₂中和、しっくい
石灰水Ca(OH)₂ 水溶液CO₂ の検出 (白濁)
石膏CaSO₄・2H₂Oギプス、建材

アルカリ土類金属の化合物

Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O}

CO₂ を過剰に通じると:

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2\mathrm{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2}（可溶 → 白濁が消える）

アルミニウム (両性金属)

アルミニウム Al は両性金属 — 酸にも強塩基にも溶ける:

酸との反応: 2Al+6HCl→2AlCl3+3H2\mathrm{2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2}

塩基との反応: 2Al+2NaOH+6H2O→2Na[Al(OH)4]+3H2\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2}

酸化アルミニウム Al₂O₃ (アルミナ) も両性酸化物。

テルミット反応: 2Al+Fe2O3→Al2O3+2Fe\mathrm{2Al + Fe_2O_3 \rightarrow Al_2O_3 + 2Fe} (高温で鉄を還元)

ホール・エルー法 (アルミニウムの製錬):

  • ボーキサイト → アルミナ Al₂O₃ を精製
  • 氷晶石 Na₃AlF₆ を融剤として 融解塩電解

金属イオンの分離

試薬沈殿するイオン沈殿の色
NaOH 水溶液Fe³⁺ → Fe(OH)₃赤褐色
NaOH 水溶液Fe²⁺ → Fe(OH)₂緑白色
NaOH 水溶液Cu²⁺ → Cu(OH)₂青白色
NaOH (過剰)Al³⁺ → 一度沈殿 → 再溶解—
NH₃ 水 (過剰)Cu²⁺ → [Cu(NH₃)₄]²⁺深青色
H₂SPb²⁺, Cu²⁺黒色 (PbS, CuS)

代表的な沈殿反応

確認クイズ

Q1 Na の炎色反応の色は?

Q2 アルミニウムが両性金属と呼ばれる理由は?

Q3 石灰水に CO₂ を通すと?

演習

問1. Al³⁺ と Fe³⁺ の混合水溶液に NaOH 水溶液を過剰に加えたとき、何が起こるか説明せよ。

解答・解説

まず両方とも水酸化物が沈殿:

Al3++3OH−→Al(OH)3↓\mathrm{Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3 \downarrow} (白色) Fe3++3OH−→Fe(OH)3↓\mathrm{Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow} (赤褐色)

NaOH を過剰に加えると:

  • Al(OH)3\mathrm{Al(OH)_3} は両性なので再溶解: Al(OH)3+OH−→[Al(OH)4]−\mathrm{Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-}
  • Fe(OH)3\mathrm{Fe(OH)_3} は溶けない（塩基性酸化物）

→ 赤褐色の Fe(OH)₃ 沈殿のみが残る。Al³⁺ と Fe³⁺ を分離できます。