第18章典型元素の金属・半金属・非金属

The Preparation of Magnesiumマグネシウムの製法

Magnesium is the other metal that is isolated in large quantities by electrolysis. Seawater, which contains approximately 0.5% magnesium chloride, serves as the major source of magnesium. Addition of calcium hydroxide to seawater precipitates magnesium hydroxide. The addition of hydrochloric acid to magnesium hydroxide, followed by evaporation of the resultant aqueous solution, leaves pure magnesium chloride. The electrolysis of molten magnesium chloride forms liquid magnesium and chlorine gas:

電気分解で大量に単離するもう一つの金属がマグネシウムである。約0.5%の塩化マグネシウムを含む海水が、マグネシウムの主要な供給源となる。海水に水酸化カルシウムを加えると、水酸化マグネシウムが沈殿する。水酸化マグネシウムに塩酸を加え、得られた水溶液を蒸発させると、純粋な塩化マグネシウムが残る。溶融塩化マグネシウムの電気分解は、液体のマグネシウムと塩素ガスを生じる。

{MgCl}_{2} (a q) + Ca {(OH)}_{2} (a q) ⟶ Mg {(OH)}_{2} (s) + {CaCl}_{2} (a q)

Mg {(OH)}_{2} (s) + 2HCl (a q) ⟶ {MgCl}_{2} (a q) + {2H}_{2} O (l)

{MgCl}_{2} (l) ⟶ Mg (l) + {Cl}_{2} (g)

Some production facilities have moved away from electrolysis completely. In the next section, we will see how the Pidgeon process leads to the chemical reduction of magnesium.

一部の製造施設は、電気分解を完全にやめている。次の節では、ピジョン法によってマグネシウムをどのように化学還元するかを見る。

Chemical Reduction化学還元

It is possible to isolate many of the representative metals by chemical reduction using other elements as reducing agents. In general, chemical reduction is much less expensive than electrolysis, and for this reason, chemical reduction is the method of choice for the isolation of these elements. For example, it is possible to produce potassium, rubidium, and cesium by chemical reduction, as it is possible to reduce the molten chlorides of these metals with sodium metal. This may be surprising given that these metals are more reactive than sodium; however, the metals formed are more volatile than sodium and can be distilled for collection. The removal of the metal vapor leads to a shift in the equilibrium to produce more metal (see how reactions can be driven in the discussions of Le Châtelier’s principle in the chapter on fundamental equilibrium concepts).

英語のヒント

他の元素を還元剤として使う化学還元により、多くの典型金属元素を単離できる。一般に、化学還元は電気分解よりはるかに費用が低く、そのため、これらの元素を単離するために優先して選ばれる方法である。たとえば、カリウム、ルビジウム、セシウムは、これらの金属の溶融塩化物を金属ナトリウムで還元できるため、化学還元で製造できる。これらの金属はナトリウムより反応性が高いので、意外かもしれない。しかし、生成する金属はナトリウムより揮発性が高く、蒸留して回収できる。金属蒸気を除去すると、平衡が移動してより多くの金属が生成する（平衡の基本概念の章にあるルシャトリエの原理の説明で、反応を進める方法を参照）。

The production of magnesium, zinc, and tin provide additional examples of chemical reduction.

マグネシウム、亜鉛、スズの製造も、化学還元の例となる。

The Preparation of Magnesiumマグネシウムの製法

The Pidgeon process involves the reaction of magnesium oxide with elemental silicon at high temperatures to form pure magnesium:

英語のヒント

ピジョン法では、高温で酸化マグネシウムと単体のケイ素を反応させ、純粋なマグネシウムを生じさせる。

Si (s) + 2MgO (s) \overset{Δ}{\to} {SiO}_{2} (s) + 2Mg (g)

Although this reaction is unfavorable in terms of thermodynamics, the removal of the magnesium vapor produced takes advantage of Le Châtelier’s principle to continue the forward progress of the reaction. Over 75% of the world’s production of magnesium, primarily in China, comes from this process.

この反応は熱力学的には不利だが、生成するマグネシウム蒸気の除去により、ルシャトリエの原理を利用して反応を正方向に進め続けることができる。世界のマグネシウム生産量の75%を超える分が、主に中国で、この方法から得られている。

The Preparation of Zinc亜鉛の製法

Zinc ores usually contain zinc sulfide, zinc oxide, or zinc carbonate. After separation of these compounds from the ores, heating in air converts the ore to zinc oxide by one of the following reactions:

亜鉛鉱石は通常、硫化亜鉛、酸化亜鉛、または炭酸亜鉛を含む。これらの化合物を鉱石から分離した後、空気中で加熱すると、次のいずれかの反応によって鉱石が酸化亜鉛に変わる。

2ZnS (s) + {3O}_{2} (g) \overset{Δ}{\to} 2ZnO (s) + {2SO}_{2} (g)

{ZnCO}_{3} (s) \overset{Δ}{\to} ZnO (s) + {CO}_{2} (g)

Carbon, in the form of coal, reduces the zinc oxide to form zinc vapor:

石炭という形の炭素が、酸化亜鉛を還元して亜鉛蒸気を生じる。

ZnO (s) + C (s) ⟶ Zn (g) + CO (g)

The zinc can be distilled (boiling point 907 °C) and condensed. This zinc contains impurities of cadmium (767 °C), iron (2862 °C), lead (1750 °C), and arsenic (613 °C). Careful redistillation produces pure zinc. Arsenic and cadmium are distilled from the zinc because they have lower boiling points. At higher temperatures, the zinc is distilled from the other impurities, mainly lead and iron.

英語のヒント

亜鉛は蒸留（沸点907 °C）して凝縮させることができる。この亜鉛には、カドミウム（767 °C）、鉄（2862 °C）、鉛（1750 °C）、ヒ素（613 °C）の不純物が含まれる。慎重に再蒸留すると、純粋な亜鉛が得られる。ヒ素とカドミウムは沸点が低いため、亜鉛から蒸留して除かれる。より高温では、亜鉛を、主に鉛と鉄から成る他の不純物から蒸留して分離する。

The Preparation of Tinスズの製法

The ready reduction of tin(IV) oxide by the hot coals of a campfire accounts for the knowledge of tin in the ancient world. In the modern process, the roasting of tin ores containing SnO₂ removes contaminants such as arsenic and sulfur as volatile oxides. Treatment of the remaining material with hydrochloric acid removes the oxides of other metals. Heating the purified ore with carbon at temperature above 1000 °C produces tin:

英語のヒント

たき火の熱い炭によって酸化スズ(IV)が容易に還元されることから、古代世界でスズが知られていたことが説明できる。現代の方法では、SnO₂を含むスズ鉱石を焙焼し、ヒ素や硫黄などの汚染物質を揮発性酸化物として除く。残った物質を塩酸で処理して、他の金属の酸化物を除去する。精製した鉱石を炭素とともに1000 °Cを超える温度で加熱すると、スズが得られる。

{SnO}_{2} (s) + 2C (s) \overset{Δ}{\to} Sn (s) + 2CO (g)

The molten tin collects at the bottom of the furnace and is drawn off and cast into blocks.

英語のヒント

溶融したスズは炉の底に集まり、抜き出して塊に鋳造する。

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

Because of their chemical reactivity, it is necessary to produce the representative metals in their pure forms by reduction from naturally occurring compounds. Electrolysis is important in the production of sodium, potassium, and aluminum. Chemical reduction is the primary method for the isolation of magnesium, zinc, and tin. Similar procedures are important for the other representative metals.

典型金属元素は化学反応性が高いため、天然に存在する化合物を還元して純粋な形で製造する必要がある。電気分解は、ナトリウム、カリウム、アルミニウムの製造で重要である。化学還元は、マグネシウム、亜鉛、スズの単離の主要な方法である。他の典型金属元素にも、同様の操作が重要である。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 15–27練習問題 15–27

Exercise 15問題 15

Write an equation for the reduction of cesium chloride by elemental calcium at high temperature.

高温で単体のカルシウムが塩化セシウムを還元する反応の式を書きなさい。

Solution解き方

2CsCl (l) + Ca (g) \overset{\begin{array}{l} countercurrent \\ fractionating \\ tower \end{array}}{\to} 2Cs (g) + {CaCl}_{2} (l)

2CsCl (l) + Ca (g) \overset{\begin{array}{l} 向流 \\ 分留 \\ 塔 \end{array}}{\to} 2Cs (g) + {CaCl}_{2} (l)

Exercise 16問題 16

Why is it necessary to keep the chlorine and sodium, resulting from the electrolysis of sodium chloride, separate during the production of sodium metal?

金属ナトリウムの製造中、塩化ナトリウムの電気分解で生じた塩素とナトリウムを、分離しておく必要があるのはなぜか。

Exercise 17問題 17

Give balanced equations for the overall reaction in the electrolysis of molten lithium chloride and for the reactions occurring at the electrodes. You may wish to review the chapter on electrochemistry for relevant examples.

溶融塩化リチウムの電気分解の全体の反応と、電極で起こる反応について、係数を合わせた式を示しなさい。関連する例について、電気化学の章を復習してもよい。

Solution解き方

Cathode (reduction):

{2Li}^{+} + {2e}^{-} ⟶ 2Li (l);

Anode (oxidation):

{2Cl}^{-} ⟶ {Cl}_{2} (g) + {2e}^{−};

Overall reaction:

{2Li}^{+} + {2Cl}^{-} ⟶ 2Li (l) + {Cl}_{2} (g)

カソード（還元）：

{2Li}^{+} + {2e}^{-} ⟶ 2Li (l);

アノード（酸化）：

{2Cl}^{-} ⟶ {Cl}_{2} (g) + {2e}^{−};

全体の反応：

{2Li}^{+} + {2Cl}^{-} ⟶ 2Li (l) + {Cl}_{2} (g)

Exercise 18問題 18

The electrolysis of molten sodium chloride or of aqueous sodium chloride produces chlorine.

溶融塩化ナトリウム、または塩化ナトリウム水溶液を電気分解すると、塩素が発生する。

Calculate the mass of chlorine produced from 3.00 kg sodium chloride in each case. You may wish to review the chapter on electrochemistry for relevant examples.

それぞれの場合について、塩化ナトリウム3.00 kgから生じる塩素の質量を計算しなさい。関連する例について、電気化学の章を復習してもよい。

Exercise 19問題 19

What mass, in grams, of hydrogen gas forms during the complete reaction of 10.01 g of calcium with water?

10.01 gのカルシウムが水と完全に反応すると、水素ガスは何グラム生じるか。

Solution解き方

0.5035 g H₂

Exercise 20問題 20

How many grams of oxygen gas are necessary to react completely with 3.01

\times

10²¹ atoms of magnesium to yield magnesium oxide?

3.01

\times

10²¹個のマグネシウム原子と完全に反応して酸化マグネシウムを生じるには、何グラムの酸素ガスが必要か。

Exercise 21問題 21

Magnesium is an active metal; it burns in the form of powder, ribbons, and filaments to provide flashes of brilliant light. Why is it possible to use magnesium in construction?

マグネシウムは活性な金属であり、粉末、リボン、細線の形で燃焼して、鮮やかな閃光を発する。それなのに、建設にマグネシウムを使えるのはなぜか。

Solution解き方

Despite its reactivity, magnesium can be used in construction even when the magnesium is going to come in contact with a flame because a protective oxide coating is formed, preventing gross oxidation. Only if the metal is finely subdivided or present in a thin sheet will a high-intensity flame cause its rapid burning.

英語のヒント

反応性が高くても、マグネシウムは、炎に接触する場合さえ建設に使用できる。保護酸化物被膜が形成され、大規模な酸化を防ぐからである。金属が細かく分割されているか、薄い板として存在する場合に限り、強い炎によって速やかに燃焼する。

Exercise 22問題 22

Why is it possible for an active metal like aluminum to be useful as a structural metal?

アルミニウムのように活性な金属が、構造用金属として役立つのはなぜか。

Exercise 23問題 23

Describe the production of metallic aluminum by electrolytic reduction.

電解還元による金属アルミニウムの製造を説明しなさい。

Solution解き方

Extract from ore:

AlO (OH) (s) + NaOH (a q) + H_{2} O (l) ⟶ Na [Al {(OH)}_{4}] (a q)

Recover:

2Na [Al {(OH)}_{4}] (s) + H_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ 2Al {(OH)}_{3} (s) + {Na}_{2} {SO}_{4} (a q) + {2H}_{2} O (l)

Sinter:

2Al {(OH)}_{3} (s) ⟶ {Al}_{2} O_{3} (s) + {3H}_{2} O (g)

Dissolve in Na₃AlF₆(l) and electrolyze:

{Al}^{3+} + {3e}^{-} ⟶ Al (s)

鉱石から抽出する：

AlO (OH) (s) + NaOH (a q) + H_{2} O (l) ⟶ Na [Al {(OH)}_{4}] (a q)

回収する：

2Na [Al {(OH)}_{4}] (s) + H_{2} {SO}_{4} (a q) ⟶ 2Al {(OH)}_{3} (s) + {Na}_{2} {SO}_{4} (a q) + {2H}_{2} O (l)

焼結する：

2Al {(OH)}_{3} (s) ⟶ {Al}_{2} O_{3} (s) + {3H}_{2} O (g)

Na₃AlF₆(l)に溶かして電気分解する：

{Al}^{3+} + {3e}^{-} ⟶ Al (s)

Exercise 24問題 24

What is the common ore of tin and how is tin separated from it?

スズの一般的な鉱石は何か。また、そこからどのようにスズを分離するか。

Exercise 25問題 25

A chemist dissolves a 1.497-g sample of a type of metal (an alloy of Sn, Pb, Sb, and Cu) in nitric acid, and metastannic acid, H₂SnO₃, is precipitated. She heats the precipitate to drive off the water, which leaves 0.4909 g of tin(IV) oxide. What was the percentage of tin in the original sample?

英語のヒント

ある化学者が、ある種類の金属（Sn、Pb、Sb、Cuの合金）の1.497 g試料を硝酸に溶かすと、メタスズ酸H₂SnO₃が沈殿した。彼女が沈殿を加熱して水を追い出すと、酸化スズ(IV)が0.4909 g残った。元の試料のスズの百分率はいくらだったか。

Solution解き方

25.83%

Exercise 26問題 26

Consider the production of 100 kg of sodium metal using a current of 50,000 A, assuming a 100% yield.

収率100%と仮定し、50,000 Aの電流を使って100 kgの金属ナトリウムを製造することを考えなさい。

(a) How long will it take to produce the 100 kg of sodium metal?

(a) 100 kgの金属ナトリウムの製造には、どれだけの時間がかかるか。

(b) What volume of chlorine at 25 °C and 1.00 atm forms?

(b) 25 °C、1.00 atmで、どれだけの体積の塩素が生じるか。

Exercise 27問題 27

What mass of magnesium forms when 100,000 A is passed through a MgCl₂ melt for 1.00 h if the yield of magnesium is 85% of the theoretical yield?

溶融MgCl₂に100,000 Aを1.00 h流し、マグネシウムの収率が理論収量の85%である場合、どれだけの質量のマグネシウムが生じるか。

Solution解き方

39 kg

chemical reduction

化学還元

method of preparing a representative metal using a reducing agent

還元剤を使って典型金属元素を製造する方法。

Downs cell

ダウンズ電解槽

electrochemical cell used for the commercial preparation of metallic sodium (and chlorine) from molten sodium chloride

溶融塩化ナトリウムから金属ナトリウム（および塩素）を商業的に製造するための電気化学セル。

Hall–Héroult cell

ホール・エルー電解槽

electrolysis apparatus used to isolate pure aluminum metal from a solution of alumina in molten cryolite

溶融氷晶石中のアルミナ溶液から、純粋な金属アルミニウムを単離するための電気分解装置。

Pidgeon process

ピジョン法

chemical reduction process used to produce magnesium through the thermal reaction of magnesium oxide with silicon

酸化マグネシウムとケイ素の熱反応によって、マグネシウムを製造する化学還元法。